(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インパルス炉内において不活性ガスを供給しながら黒鉛るつぼ内の試料を加熱融解し、そのとき抽出されるガスをガス分析部において分析し、試料中の酸素、窒素および水素のうちの少なくとも一つを定量分析するようにした試料中の元素分析装置において、炉本体の上部には、前記黒鉛るつぼ内への試料投入路に対し同芯状に対向する前処理室及び前記試料投入路に対し側方に偏位する試料投入口が形成されて前記炉本体に気密に連設されたブロック体と、このブロック体の前記前処理室及び試料投入口の下方に形成の孔内に気密状態に保持されて試料を一時的に保持する試料受け部が前記試料投入口に合致される位置と前記前処理室に合致される位置とに亘ってスライド可能で、かつ、前記前処理室に合致される位置で前記試料受け部に保持されている試料を前記試料投入路から黒鉛るつぼ内に投入させるべく回転可能とされた試料ホルダとを有する試料供給装置が設けられているとともに、前記前処理室内には、前記試料ホルダの試料受け部に保持されている試料に光を照射するハロゲンランプが設けられており、前記試料ホルダの回転により試料を黒鉛るつぼ内に投入し加熱融解する前に、その試料に対してハロゲンランプからの光を照射するとともに、黒鉛るつぼに通電を行って黒鉛るつぼを空焼きする前処理を行うようにしたことを特徴とする試料中の元素分析装置。
【請求項２】
高周波加熱炉内において酸素ガスを供給しながら磁製るつぼ内の試料を燃焼させ、そのとき発生するガスをガス分析部において分析し、試料中の炭素、硫黄および窒素のうちの少なくとも一つを定量分析するようにした試料中の元素分析装置において、炉本体の上部には、前記磁製るつぼ内への試料投入路に対し同芯状に対向する前処理室及び前記試料投入路に対し側方に偏位する試料投入口が形成されて前記炉本体に気密に連設されたブロック体と、このブロック体の前記前処理室及び試料投入口の下方に形成の孔内に気密状態に保持されて試料を一時的に保持する試料受け部が前記試料投入口に合致される位置と前記前処理室に合致される位置とに亘ってスライド可能で、かつ、前記前処理室に合致される位置で前記試料受け部に保持されている試料を前記試料投入路から磁製るつぼ内に投入させるべく回転可能とされた試料ホルダとを有する試料供給装置が設けられているとともに、前記前処理室内には、前記試料ホルダの試料受け部に保持されている試料に光を照射するハロゲンランプが設けられており、前記試料ホルダの回転により試料を磁製るつぼ内に投入し燃焼させる前に、その試料に対してハロゲンランプからの光を照射する前処理を行うようにしたことを特徴とする試料中の元素分析装置。
【請求項３】
前記前処理室には、該前処理室を予め所定の真空状態にすることが可能な真空ポンプが接続されている請求項１または２に記載の試料中の元素分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば鉄鋼などの素材中に微量に含まれるＮ（窒素）、Ｏ（酸素）、Ｃ（炭素）、Ｓ（硫黄）、Ｈ（水素）などの元素を分析する試料中の元素分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、鉄鋼中に微量に含まれるＮ、Ｏの定量分析法としては、不活性ガス中融解抽出法と赤外線吸収法および熱伝導度法とを組み合わせたものが一般に用いられ、また、鉄鋼中に微量に含まれるＣ、Ｓの定量分析法としては、酸素気流中燃焼法と赤外線吸収法とを組み合わせたものが一般に用いられている。
【０００３】
すなわち、前記酸素気流中燃焼法と赤外線吸収法とを組み合わせた手法は、加熱炉内に酸素ガスを供給しながら試料としての鉄鋼を燃焼させ、そのとき発生するＣＯ／ＣＯ２およびＳＯ２を含む燃焼ガスを非分散型赤外線分析計（ＮＤＩＲ）において分析するものであり、不活性ガス中融解抽出法と赤外線吸収法および熱伝導度法は、加熱炉内に試料を入れた黒鉛るつぼを配置し、不活性ガスを供給しながら試料としての鉄鋼を加熱融解し、そのとき発生するＣＯ２についてはＮＤＩＲにおいて分析し、Ｎ２については熱伝導度法で分析するものである。
【０００４】
ところで、鉄鋼のような試料中に微量に含まれる元素を精度よく検出するためには、試料の表面に付着している油分や汚れなど（以下、付着物という）を予め除去する必要がある。この付着物としては、炭化水素、炭酸ガス、水分、酸素などがある。そのため、従来においては、試料を電解研磨したり、化学研磨したり、あるいは、試料を４００℃〜６００℃で１０分間加熱するなどの手法によって前処理を行い、付着物を除去していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記電解研磨や化学研磨による前処理においては、そのための器具や薬品が必要であるほか、かなりの手間がかかるといった問題がある。また、前記加熱による前処理においては、専用の加熱装置が必要であるといった問題がある。さらに、上記いずれの前処理においても、分析に際しては前処理を行った試料をインパルス炉などの抽出炉に配置しなければならないが、このとき、試料の取扱いを細心の注意をもって行い、付着物が再度付着しないようにする必要があるが、この試料の取扱い時に付着物が再付着することは避けられない。
【０００６】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、鉄鋼などの素材に微量に含まれるＮ、Ｏ、Ｃ、Ｓなどの元素を精度よく定量分析することができる試料中の元素分析装置（以下、単に元素分析装置という）を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、第１の発明の元素分析装置は、インパルス炉内において不活性ガスを供給しながら黒鉛るつぼ内の試料を加熱融解し、そのとき抽出されるガスをガス分析部において分析し、試料中の酸素、窒素および水素のうちの少なくとも一つを定量分析するようにした試料中の元素分析装置において、炉本体の上部には、前記黒鉛るつぼ内への試料投入路に対し同芯状に対向する前処理室及び前記試料投入路に対し側方に偏位する試料投入口が形成されて前記炉本体に気密に連設されたブロック体と、このブロック体の前記前処理室及び試料投入口の下方に形成の孔内に気密状態に保持されて試料を一時的に保持する試料受け部が前記試料投入口に合致される位置と前記前処理室に合致される位置とに亘ってスライド可能で、かつ、前記前処理室に合致される位置で前記試料受け部に保持されている試料を前記試料投入路から黒鉛るつぼ内に投入させるべく回転可能とされた試料ホルダとを有する試料供給装置が設けられているとともに、前記前処理室内には、前記試料ホルダの試料受け部に保持されている試料に光を照射するハロゲンランプが設けられており、前記試料ホルダの回転により試料を黒鉛るつぼ内に投入し加熱融解する前に、その試料に対してハロゲンランプからの光を照射するとともに、黒鉛るつぼに通電を行って黒鉛るつぼを空焼きする前処理を行うようにしている（請求項１）。
【０００８】
そして、第２の発明の元素分析装置は、高周波加熱炉内において酸素ガスを供給しながら磁製るつぼ内の試料を燃焼させ、そのとき発生するガスをガス分析部において分析し、試料中の炭素、硫黄および窒素のうちの少なくとも一つを定量分析するようにした試料中の元素分析装置において、炉本体の上部には、前記磁製るつぼ内への試料投入路に対し同芯状に対向する前処理室及び前記試料投入路に対し側方に偏位する試料投入口が形成されて前記炉本体に気密に連設されたブロック体と、このブロック体の前記前処理室及び試料投入口の下方に形成の孔内に気密状態に保持されて試料を一時的に保持する試料受け部が前記試料投入口に合致される位置と前記前処理室に合致される位置とに亘ってスライド可能で、かつ、前記前処理室に合致される位置で前記試料受け部に保持されている試料を前記試料投入路から磁製るつぼ内に投入させるべく回転可能とされた試料ホルダとを有する試料供給装置が設けられているとともに、前記前処理室内には、前記試料ホルダの試料受け部に保持されている試料に光を照射するハロゲンランプが設けられており、前記試料ホルダの回転により試料を磁製るつぼ内に投入し燃焼させる前に、その試料に対してハロゲンランプからの光を照射する前処理を行うようにしている（請求項２）。
【０００９】
また、第１及び第２の発明の元素分析装置において、前記前処理室には、該前処理室を予め所定の真空状態にすることが可能な真空ポンプが接続されていることが好ましい（請求項３）。
【００１０】
上記いずれの元素分析装置においても、試料表面に付着している付着物を予め確実に除去することができるので、試料中に微量にしか含まれない元素を精度よく定量分析することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１〜図３は、第１の発明を示すものである。まず、図２は、この第１の発明における元素分析装置の構成を概略的に示すもので、この元素分析装置は、試料中のＯ、ＮおよびＨのうちの少なくとも一つを定量分析するように構成されている。
【００１２】
すなわち、図２において、１は融解抽出炉としてのインパルス炉で、ヘリウムガスなどの不活性ガスが供給された状態で、試料を融解し、ＯをＣＯとして赤外吸収法により、ＮおよびＨを熱伝導度法によってそれぞれ分析するもので、インパルス炉１の後段に接続されるガス流路２には、インパルス炉１において発生したガス中に含まれるダストを除去するダストフィルタ３が設けられ、その後段にはガス分析部４が設けられている。
【００１３】
そして、前記ガス分析部４には、インパルス炉１において抽出されたガスに含まれるＣＯガスを検出するための非分散型赤外線ガス分析計５、ＣＯガスをＣＯ２に酸化する酸化触媒６、ＣＯ２除去器７、脱水器８、Ｎ２ガスを検出するための熱伝導度分析計９が設けられたラインと、ＣＯガスをＣＯ２に酸化する常温酸化器１０、ＣＯ２除去器１１、脱水器１２、Ｈ２ガスを検出するための熱伝導度分析計１３が設けられたラインとが並列に設けられている。非分散型赤外線ガス分析計５および熱伝導度分析計９，１３の出力は、図示していないデータ処理部（例えばマイクロコンピュータ）において信号処理され、Ｏ濃度、Ｎ濃度およびＨ濃度が得られる。ここまでの構成は、従来のこの種の元素分析装置の構成と変わるところがない。
【００１４】
次に、この第１の発明における元素分析装置の特徴的構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、インパルス炉１およびこれの近傍における構成を概略的に示すもので、この図において、１４は炉本体で、その内部空間１５には、上部電極１６およびこの上部電極１６に対して上下動して上部電極１６とともに黒鉛るつぼ１７を挟持する下部電極１８が設けられている。１９は炉本体１４の上部に形成される試料投入路である。２０は内部空間１５に対してヘリウムガスなどの不活性ガスを供給する不活性ガス供給路で、２１は不活性ガスボンベである。
【００１５】
２２は炉本体１４の上部に設けられる試料供給装置で、次のように構成されている。すなわち、２３は炉本体１４の上面部に気密に連設されたブロック体で、試料投入路１９に連通する下孔２４と、この下孔２４と同芯状の前処理室２５と、下孔２４に対し側方に偏位する試料投入口２６が形成されている。そして、前処理室２５の上方にはハロゲンランプ２７およびレンズ２８が下方の試料投入路１９に向けて設けられている。このハロゲンランプ２７は、例えばガラス電球内にハロゲン元素またはハロゲン化合物を封入してなるものである。また、前処理室２５の上部側部には真空ポンプ（図示していない）に接続された開口２９が形成されている。
【００１６】
そして、３０は前処理室２５および試料投入口２６の下方においてブロック体２３に水平に形成された断面視円形の横孔３１内を、気密を保持した状態で左右方向（図において両矢印で示す方向）にスライド可能で、かつ回転可能な円柱状試料ホルダで、試料３２を一時的に保持する試料受け部３３を備えている。３４は試料ホルダ３０の一端に設けられる操作つまみである。
【００１７】
上記構成の元素分析装置の動作について、図３をも参照しながら説明する。
（１）まず、黒鉛るつぼ１７を下部電極１８に載置し、さらに、下部電極１８を所定距離だけ上昇させて、黒鉛るつぼ１７を上部電極１６と下部電極１８とによって挟持する。そして、試料ホルダ３０を左方にスライドさせて、図３（Ａ）に示すように、その試料受け部３３を上面に向け、その開口を試料投入口２６の位置に合致させる。この状態で、試料３２としての鉄鋼を試料投入口２６を介して試料受け部３３に入れる。
【００１８】
（２）次に、試料ホルダ３０を右方にスライドさせて、図３（Ｂ）に示すように、試料３２を保持した試料受け部３３を前処理室２５の位置に合致させる。この場合、前処理室２５は、予め真空ポンプによって所定の真空状態にされている。そして、図３（Ｂ）に示すように、ハロゲンランプ２７を点灯し、その光（図中、仮想線で示す）を、前処理室２５に位置する試料受け部３３内の試料３２に対して直接照射する。ハロゲンランプ２７は、試料３２の温度が４００〜６００℃となるように設定されており、この光照射によって所定の前処理が行われる。この照射時間は、例えば１〜３分程度でよい。この試料３２の前処理と並行して、上部電極１６と下部電極１８を介して黒鉛るつぼ１７に通電を行い、黒鉛るつぼ１７を空焼きする。このとき、黒鉛るつぼ１７への通電電流は、実際の分析時のそれとほぼ同じになるように調整する。この空焼きによって、ブランク影響が低減される。
【００１９】
（３）前記試料３２へのハロゲンランプ２７の光の照射による試料３２の前処理および黒鉛るつぼ１７への通電による黒鉛るつぼ１７の空焼きが終わると、その位置において、試料ホルダ３０を１８０°回転させて、試料受け部３３に保持されている試料３２を黒鉛るつぼ１７内に投入する。そして、インパルス炉１内にヘリウムガスを供給した状態で、上部電極１６と下部電極１８を介して黒鉛るつぼ１７に通電を行い、黒鉛るつぼ１７内の試料３２を加熱融解してガスを抽出するのである。
【００２０】
前記抽出されたガスは、図２に示したガス流路２を流れ、このガス流路２の後段に設けられた非分散型赤外線ガス分析計５において、ＣＯガスが検出され、熱伝導度分析計９，１３において、Ｎ２ガス、Ｈ２ガスが検出される。非分散型赤外線ガス分析計５および熱伝導度分析計９，１３の出力は、データ処理部において信号処理され、Ｏ濃度、Ｎ濃度およびＨ濃度が得られる。
【００２１】
上述したように、上記第１の発明の元素分析装置においては、分析に供される試料３２に対して、その分析前にハロゲンランプ２７の光を照射し、試料３２の表面が４００〜６００℃となることによって、試料３２の取扱い時などに試料３２の表面に付着した付着物を完全に除去することができ、付着物に含まれるＯ、ＮおよびＨの測定結果への影響を避けることができる。そして、前記試料３２を収容してこれを加熱融解させる黒鉛るつぼ１７については、分析前に空焼きするようにしているので、これに含まれるＯ、ＮおよびＨの測定結果への影響を避けることができる。したがって、上記第１の発明によれば、試料３２中のＯ、ＮおよびＨをそれらが微量であっても、精度よく測定することができる。
【００２２】
なお、上記実施の形態においては、ガス分析部４を、非分散型赤外線ガス分析計５および熱伝導度分析計９，１３によって構成しているが、これに代えて、質量分析計を用いてもよい。このようにした場合、分析計として種々のものを用いる必要がないとともに、酸化触媒６、ＣＯ２除去器７，１１、脱水器８，１２、常温酸化剤１０などを設ける必要がなくなる。
【００２３】
図４および図５は、第２の発明を示すものである。この第２の発明における元素分析装置は、試料中のＣ、ＳおよびＮのうちの少なくともいずれか一つを定量分析するように構成されている。
【００２４】
すなわち、図５において、４１は加熱炉としての高周波加熱炉で、酸素ガスが供給された状態で試料を燃焼させ、そのとき発生するＣＯガス／ＣＯ２ガスおよびＳＯ２ガスを赤外吸収法により分析するとともに、ＮＯ２ガスをＮＯガスに代えて化学発光分析法によって分析するもので、高周波加熱炉４１の後段に接続されるガス流路４２には、高周波加熱炉４１において抽出されたＣＯガス／ＣＯ２ガス、ＳＯ２ガスおよびＮＯ２ガスに含まれる酸化ダスト、水分をそれぞれ除去するダストフィルタ４３、除湿器４４が設けられ、その後段にはガス分析部４５が設けられている。
【００２５】
そして、前記ガス分析部４５には、高周波加熱炉４１において抽出されたガスに含まれるＣＯガスを酸化してＣＯ２ガスに変換する酸化触媒４６とＣＯ２を検出するための非分散型赤外線ガス分析計４７とを直列に設けたラインと、ＳＯ２を検出するための非分散型赤外線ガス分析計４８を設けたラインと、ＮＯ２ガスをＮＯガスに変換するコンバータ４９とＮＯガスを測定する化学発光式ガス分析計（ＣＬＤ）を用いたＮＯｘ計５０とを直列に設けたラインとは並列に設けられている。非分散型赤外線ガス分析計４７，４８およびＮＯｘ計５０の出力は、図示していないデータ処理部（例えばマイクロコンピュータ）において信号処理され、Ｃ濃度、Ｓ濃度およびＮ濃度が得られる。ここまでの構成は、従来のこの種の元素分析装置の構成と変わるところがない。
【００２６】
次に、この発明における元素分析装置の特徴的構成について、図４を参照しながら説明する。図４は、高周波加熱炉４１およびこれの近傍における構成を概略的に示すもので、この図において、５１は炉本体で、その内部空間５２には、磁製るつぼ５３を保持するるつぼ台５４が設けられている。このるつぼ台５４は、図示していない上下動機構により内部空間５２を昇降し、所定の位置で停止できるように構成されている。５５は炉本体５１の上部外部に巻設される高周波コイルである。５６は炉本体５１の上部に形成される試料投入路である。５７は内部空間５３に対して酸素ガスを供給する酸素ガス供給路で、５８は酸素ガスボンベである。
【００２７】
そして、上記のように構成された高周波加熱炉４１には、第１の発明のインパルス炉１と同様に、その上部に試料供給装置２２Ａが設けられている。この試料供給装置２２Ａは、第１の発明における試料供給装置２２Ａと全く同様の構成であるので、対応する部分に同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００２８】
上記構成の元素分析装置の動作を説明する。この元素分析装置においては、磁製るつぼ５３は、予め空焼きされている。
【００２９】
（１１）まず、磁製るつぼ５３をるつぼ台５４に載置し、るつぼ台５４を上昇して、磁製るつぼ５３を高周波コイル５５の位置において保持する。そして、試料ホルダ３０を左方にスライドさせて、その試料受け部３３を上面に向け、その開口を試料投入口２６に合致させる。この状態で、試料３２としての鉄鋼を試料投入口２６を介して試料受け部３３に入れる。
【００３０】
（１２）次に、試料ホルダ３０を右方にスライドさせて、試料３２を保持した試料受け部３３を前処理室２５の位置に合致させる。この場合、前処理室２５は、予め真空ポンプによって所定の真空状態にされている。そして、ハロゲンランプ２７を点灯し、その光を前処理室２５に位置する試料受け部３３内の試料３２に対して照射して、所定の前処理を行う。この照射時間は、１〜３分程度でよい。
【００３１】
（１３）前記試料３２へのハロゲンランプ２７の光の照射による試料３２の前処理が終わると、その位置において、試料ホルダ３０を１８０°回転させて、試料受け部３３に保持されている試料３２を黒鉛るつぼ５３内に投入する。そして、高周波加熱炉４１内に酸素ガスを供給した状態で、高周波コイル５５に高周波電流を流して、磁製るつぼ５３を発熱させ、これに収容されている試料３２を加熱融解し、ガスを抽出するのである。
【００３２】
前記抽出されたガスは、図５に示したガス流路４２を流れ、このガス流路４２に設けられたダストフィルタ４３および除湿器４４においてそれぞれ酸化ダストおよび水分が除去され、非分散型赤外線ガス分析計４７において、ＣＯ２ガスが検出され、非分散型赤外線ガス分析計４８において、ＳＯ２ガスが検出され、ＮＯｘ計５０において、ＮＯガスが検出される。これらの非分散型赤外線ガス分析計４７，４８およびＮＯｘ計５０の出力は、データ処理部において信号処理され、Ｃ濃度、Ｓ濃度およびＮ濃度が得られる。
【００３３】
上述したように、上記第２の発明の元素分析装置においては、分析に供される試料３２に対して、その分析前にハロゲンランプ２７の光を照射し、試料３２の表面が４００〜６００℃となることによって、試料３２の取扱い時などに試料３２の表面に付着した付着物を完全に除去することができ、付着物に含まれるＣ、ＳおよびＮの測定結果への影響を避けることができる。そして、前記試料３２を収容してこれを溶解させる磁製るつぼ５３については、分析前に別途空焼きしたものを用いるようにしているので、これに含まれるＣ、ＳおよびＮの測定結果への影響を避けることができる。したがって、上記発明によれば、試料３２中のＣ、ＳおよびＮをそれらが微量であっても、精度よく測定することができる。
【００３４】
なお、上記実施の形態においては、ガス分析部４５に非分散型赤外線ガス分析計４７，４８およびＮＯｘ計５０などを設けて構成しているが、これに代えて、質量分析計を用いてもよい。このようにした場合、分析計として種々のものを用いる必要がないとともに、酸化触媒４６やコンバータ４９を設けなくてもよい。
【００３５】
【００３６】
【００３７】
【００３９】
【００４０】
【００４１】
【００４２】
【００４３】
【００４４】
【００４５】
【００４６】
【００４７】
【００４８】
【００５０】
【００５１】
【００５２】
【００５３】
【発明の効果】
この発明の元素分析装置によれば、分析に供される試料に対して、その分析前にハロゲンランプからの光を照射するようにして、試料表面に付着している付着物を確実に除去することができ、付着量の変動などによる分析結果のばらつきが可及的に抑えることができ、鉄鋼を始めとする各種の試料に微量に含まれるＮ、Ｏ、Ｃ、ＳおよびＨなどの元素を精度よく定量分析することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１の発明の元素分析装置の要部の構成を概略的に示す図である。
【図２】  第１の発明の元素分析装置の構成を概略的に示す図である。
【図３】  第１の発明の元素分析装置の動作を説明するための図である。
【図４】  第２の発明の元素分析装置の要部の構成を概略的に示す図である。
【図５】  第２の発明の元素分析装置の構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１…インパルス炉、４…ガス分析部、１４…炉本体、１７…黒鉛るつぼ、１９…試料投入路、２２…試料供給装置、２３…ブロック体、２５…前処理室、２６…試料投入口、２７…ハロゲンランプ、３０…試料ホルダ、３２…試料、３３…試料受け部、４１…高周波加熱炉、４５…ガス分析部、５３…磁製るつぼ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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