Kwantitatieve analyse van vacuüm inductie smelten door laser-geïnduceerde verdeling spectroscopie

Samenvatting

Tijdens vacuüm inductie smelten, laser-geïnduceerde verdeling spectroscopie wordt gebruikt om real-time kwantitatieve analyse van de belangrijkste-ingrediënt elementen van een gesmolten legering uit te voeren.

Samenvatting

Vacuüm inductie smelten is een populaire methode voor het verfijnen van hoge zuiverheid metaal en legeringen. Traditioneel, omvat de standaard procescontrole in metallurgie verscheidene stappen, omvat tekening steekproeven, het koelen, knipsel, vervoer aan het laboratorium, en analyse. Het hele analyse proces vergt meer dan 30 minuten, wat de on-line procescontrole belemmert. Laser-geïnduceerde verdeling spectroscopie is een uitstekende on-line analysemethode die kan voldoen aan de eisen van vacuüm inductie smelten omdat het snel en niet-contact en vereist geen monstervoorbereiding. De experimentele faciliteit maakt gebruik van een lamp gepompt Q-Switched laser ablatie gesmolten vloeibaar staal met een uitgangs energie van 80 mJ, een frequentie van 5 Hz, een FWHM puls breedte van 20 NS, en een werkende golflengte van 1.064 nm. Een multi-channel lineaire charge gekoppelde apparaat (CCD) spectrometer wordt gebruikt om het emissiespectrum te meten in real time, met een spectrale bereik van 190 tot 600 nm en een resolutie van 0,06 Nm bij een golflengte van 200 nm. Het protocol omvat verschillende stappen: standaard legering monstervoorbereiding en een ingrediënt te testen, uitsmelten van standaard monsters en de bepaling van de laser afbraak spectrum, en de bouw van de elementen concentratie kwantitatieve analyse curve van elke Element. Om de concentratie analyse van onbekende monsters te realiseren, moet het spectrum van een monster ook worden gemeten en met hetzelfde proces worden verwijderd. De samenstelling van alle hoofdelementen in de gesmolten legering kan kwantitatief worden geanalyseerd met een interne standaardmethode. De kalibratiecurve toont aan dat de detectiegrens van de meeste metalen elementen varieert van 20-250 ppm. De concentratie van elementen, zoals ti, mo, nb, V en Cu, kan lager zijn dan 100 ppm, en de concentraties van CR, al, Co, Fe, MN, C en si variëren van 100-200 ppm. De R² van sommige kalibratie bochten kan groter zijn dan 0,94.

Inleiding

Door zijn unieke eigenschappen, zoals Remote sensing, snelle analyse, en geen behoefte aan monstervoorbereiding, laser-geïnduceerde verdeling spectroscopie (libs) biedt unieke mogelijkheden voor on-line concentratie bepaling^{1,2, 3}. Hoewel het gebruik van de libs-techniek op verschillende gebieden is onderzocht^4,5,6, een aanzienlijke poging om zijn capaciteiten te ontwikkelen in industriële toepassingen is aan de gang.

Analyse van gesmolten materiaalinhoud in de loop van industriële processen kan effectief verbeteren van de kwaliteit van het product, dat is een veelbelovende ontwikkeling richting van LIBS. Experimentele bevindingen zijn gerapporteerd over de toepassing van libs in het industriële gebied, zoals bevindingen over argon zuurstof vloeibaar staal^{7, 8,9,10,11}, gesmolten aluminium legering¹², gesmolten zout¹³, en gesmolten silicium¹⁴. De meerderheid van deze materialen bestaat in het milieu van lucht of een hulp gas. Echter, vacuüm inductie smelten (VIM) is een ander goed toepassingsgebied van LIBS te realiseren verwerking controle. Een VIM oven kan smelten bij temperaturen hoger dan 1.700 °C voor legerings raffinage realiseren; het is de meest populaire methode voor de raffinage van hoge zuiverheid metaal en legeringen, zoals ijzer-base of nikkel-base legeringen, hoge zuiverheids legeringen, en schone magnetische legeringen. In de loop van het smelten, de druk in een oven is altijd in de regio van 1-10 PA, en de samenstelling van de lucht in de oven omvat voornamelijk de lucht geabsorbeerd op het monster of de binnenwand van de oven en een aantal dampen oxide of Nitride metaal. Deze werksituaties induceren heel verschillende LIBS meting situaties voor smelten in de lucht. Hier rapporteren we een experimenteel onderzoek van de analyse van gesmolten legeringen in de loop van VIM door LIBS.

Een optisch venster wordt toegevoegd aan een oven voor laser ablatie en stralende licht detectie. Een silica glas met een diameter van 80 mm dient als het raam. Een emitterende laser en het verzamelen van stralend licht maken gebruik van hetzelfde venster; het is een co-axiale optische structuur die zich richt op hetzelfde punt. De werkende brandpuntsafstand is ongeveer 1,8 m, en de scherpstel lengte van de experimentele Setup kan worden aangepast van 1,5 tot 2,5 m.

Gebaseerd op de uitvoerbaarheid van industriële online analyse, precisie, herhaalbaarheid en stabiliteit is belangrijker dan de lage limiet van detectie (LOD) tijdens gesmolten legering ingrediënt analyse. De technische route van een vier-kanaals lineaire CCD spectrometer wordt gekozen, het spectrale bereik van de spectrometer varieert van 190 tot 600 nm, de resolutie is 0,06 nm, en de golflengte is 200 nm. Een laser diode gepompt Q-Switched Laser (gebouwd in huis) wordt gebruikt om ablatie gesmolten legering, met een uitgangs energie van 100 mJ, een frequentie van 5 Hz, een FWHM Pulse breedte van 20 NS, en een werkende golflengte van 1064 nm. Het resterende deel zal presenteren de VIM LIBS-analyse proces en live meting, gevolgd door een introductie van de gegevensverwerking resultaten.

Protocol

1. bereiding van de standaard monsters

Opmerking: deze stap is niet essentieel.

1. Bereid grondstoffen voor (tabel 1). Om een 100 kg monster #1, toe te voegen 12,82 kg CR, 3,39 kg van mo, 4,79 kg van al, 1,00 kg van Ti, 0,60 kg Cu, en ongeveer 77,4 kg ni aan de smeltkroes. Tijdens het smeltproces, zullen sommige elementen worden verbrand. Het uiteindelijke ingrediënt wordt bepaald door de smelttemperatuur, de smelt duur en andere werk parameters. Het ingrediënt test toont de hoeveelheid van elk element in de legeringen.
2. Voer vacuüm inductie smelten bij ongeveer 1.700 °C voor ongeveer 45 min voor elke standaardmonster. De oven gebruikt om standaard monsters te maken kan smelten ongeveer 100 kg legeringen elke keer voor 2 sets van standaard monsters.
3. Giet alle gesmolten vloeibaar staal in een kleverige mal om standaard monsters te maken, en natuurlijk koel voor ten minste 4 uur. De grootte van de standaard steekproeven wordt bepaald door de oven in het experiment. Gebruik Rod-vormige standaard monsters in de experimenten met een staaf diameter van 100 mm. De vorm van de smeltkroes in de oven is een culling kegel met een beker-achtige container. De diameter van de velg is 150 mm, de onderkant is 100 mm, en de diepte is 200 mm. gesegmenteerde standaard monsters kunnen ook worden gebruikt.
4. Gebruik een elektrische zaag om standaard monsters snijden voor het experiment. De lengte van het standaard staaf monster wordt bepaald door de oven. Gebruik een lengte van 150 mm voor het experimentele smelt systeem. Smelt een stuk van de monsters voor elk experiment.
5. Herhaal deze stappen en maak alle standaard monsters. In dit experiment worden tien monsters gebruikt.

2. test ingrediënt van standaard legering monsters

1. Gebruik een chemische analysemethode om de samenstelling van alle standaard legerings steekproeven te testen. Test alle elementen in elk monster.
   Opmerking: we raden u aan deze voorbeelden te verzenden naar een instantie organisatie om de analyse uit te voeren. Deze monsters worden verzonden naar de centrale Iron & staal Research Institute of China voor de ingrediënten te testen. De testresultaten voor deze monsters zijn vermeld in tabel 2.

3. smelt monsters

1. Controleer de veiligheid van het smelt systeem, dat de voeding, de beschikbaarheid van elke pomp, vacuüm Hold vermogen van de experimentele oven, koelwater, en de huidige omvat.
2. Plaats de standaard monsters in het smelt systeem. Om ervoor te zorgen dat een kleine hoeveelheid van elk monster wordt geablateerd door de laser, gebruik kleine monsters voor het experiment. Door de grootte van de smeltkroes in de oven, smelt ongeveer 10 kg monsters per keer.
3. Open de vacuümpomp tot de druk lager is dan 0,1 pa. gebruik 2 niveaus van de pomp om het vacuüm te maken: mechanische pomp en diffusie pomp. De mechanische pomp kan bereiken ongeveer 1 pa in 15 min, en de diffusie pomp kan bereiken 0,01 pa na 40 min.
4. Smelt monsters. Verhoog de oven werkende stroom tot ongeveer 130 A; Deze parameter wordt bepaald door de ingrediënten van de monsters en de grootte van de oven. Een standaard steekproef vereist ongeveer 15 min om gesmolten te worden. Als gevolg van oxidatie of nitridatie, de ingrediënten van vloeibaar staal langzaam veranderen in de loop van de smelten.
   1. Om ervoor te zorgen precisie van het experiment, Bepaal het spectrum binnen 15 minuten na de standaard monsters zijn gesmolten.

4. Bepaal Laser analyse spectra van standaard monsters

1. Controleer de beschikbaarheid van laser focus en spectrum Gathering systeem, laser generator, en spectrometer.
2. Stel de spectrometer en laser Generator synchroon te werken. Gebruik een spectrometer output synchronisatiesignaal en laser passieve werkmethode in het systeem. De methode van laser Generator synchronisatiesignaal of methode van Synchronizer output synchronisatiesignaal kan ook worden gebruikt om de laser generator en spectrometer controle.
3. Open de laser generator en spectrometer; voor te bereiden op het genereren van de pulse laser. De puls breedte is 20 NS, de frequentie is 5 Hz, en de energie van elke puls is 90 mJ.
4. Gebruik spectrum deposit software om de laser output trigger en het spectrum te verzamelen. Zet de integratietijd van de spectrometer op 10 MS, en elke laser puls genereert een frame van het spectrum. Als de integratietijd te kort is, zal de intensiteit van het spectrum signaal te zwak zijn. Als de integratietijd te lang is, zullen er meer achtergrond signalen worden verzameld.
5. Pas de laser focus positie, en effectief ablatie het monster. Optimaliseer de scherpstel positie tot het sterkste spectrum signaal wordt verkregen. Dit proces wordt gebruikt om het scherpstelpunt aan te passen. De spectrometer numerieke verdeelde signaalintensiteit varieert van 0 tot 65.535. In de meeste gevallen moet de intensiteit van een signaal hoger zijn dan 15% van het verzadigings signaal, wat aangeeft dat de hoogste piek intensiteit groter moet zijn dan 10.000. Als de signaalintensiteit te klein is, zal de kwantitatieve analyse lage precisie hebben.
6. Optimaliseer de vertragingstijd. Kies de vertraging na remstraling, en de sterkte van de signaal behoefte met de geoptimaliseerde vertragingstijd zou voldoende moeten zijn.
7. Gebruik de spectrometer om een spectrum voor de analyse te verzamelen. Verzamel 20 frames van het spectrum, en het verkrijgen van de gemiddelde voor LIBS analyse.
8. Sluit de werkende stroom van de oven af en koel de steekproeven af. De verharding van de steekproeven vereist ongeveer 15 min.
9. Injecteer stikstof in de experimentele oven om het vacuüm te breken.
10. Open het deksel van de experimentele oven en verwijder de stollings monsters.
11. Herhaal stap 3,3 tot 4,10 totdat alle monsters worden gemeten.

5. construct kalibratie curve van kwantitatieve analyse

1. Spectrum voor behandeling
   1. Achtergrondcorrectie. Verwijder de achtergrond effect veroorzaakt door het remmen straling. De methode van de basislijn correctie wordt gebruikt in het experiment.
   2. Spectrum-Peak zoeken. Gebruik een twee-orde afgeleide methode om pieken van elk element te identificeren; lokale minimumpunten zijn gewogen.
   3. Spectrum fitting. Breng een Lorentz Spectra overlay op de geselecteerde pieken om zelf-corrosie of overlap te voorkomen. De spectrale piek intensiteit, Stretch status, en centrum golflengte wordt verkregen door een passend algoritme.
2. Importeer de chemische ingrediënt analyseresultaten van alle standaard monsters.
3. Construeer de kalibratiecurve.
   1. Kies een innerlijke relatieve standaardgolf lengte. Het belangrijkste element spectrale lijnen zijn altijd geselecteerd.
   2. Kies een kalibratie golflengte. Kies uit de NIST spectrum database¹⁵.
   3. Past de curve. Gebruik lineaire montage of kwadratische fitting.
4. Te bereiken analyse precisie. Bereken de montage factor en de relatieve standaardfout na montage. Een programma wordt gebruikt om automatisch selecteren van de beste relatieve standaardgolf lengte en kalibratie golflengte van de golflengte basis van NIST¹⁵.

6. elementaire samenstelling analyse van gesmolten legering

Nota: de experimentele opstelling is verdeeld aan twee delen, namelijk, de detector hoofd en de controlekabinet, zoals getoond in Figuur 1. De zelfde laser en spectrometer parameters, Rui, en spectrum het verzamelen proces dat in het vorige proces wordt gebruikt worden gebruikt om nauwkeurige kwantitatieve analyseresultaten te verzekeren.

1. Zet het onbekende monster in het smelt systeem.
2. Vacuüm het experimentele systeem.
3. Verhoog de smelt stroom tot het monster gesmolten is. De smelttemperatuur is ongeveer 1.700 °C, en de smelttijd is ongeveer 45 min.
4. Open de laser generator en het realiseren van de Pulse Laser output. Gebruik de volgende laser parameters: Pulse breedte is 20 NS, frequentie is 5 Hz, en de energie van elke puls is 90 mJ.
5. Open de spectrometer en de spectrum deposit software om het spectrum te bepalen. Gebruik dezelfde spectrometer met een spectrale bereik van 190 tot 600 nm en een resolutie van 0,06 Nm bij een golflengte van 200 nm. De integratietijd van de spectrometer is 10 MS. de spectrometer wordt gebruikt om de laser te triggeren en het spectrum te bepalen.
6. Aan te passen laser focus positie. Optimaliseer scherpstel positie tot het sterkste spectrum signaal is bereikt; de waarde van de hoogste piek moet groter zijn dan 10.000.
7. Bepaal Laser afbraak spectrum. Elke laser puls genereert een frame van het spectrum; 20 frames van het spectrum worden verkregen en gemiddeld voor de analyse.
8. Spectrum voor behandeling. Voer achtergrondcorrectie, zoals het verwijderen van de achtergrond effect veroorzaakt door het remmen straling, zoals vermeld in 5.1.3, uit te voeren spectrum fitting.
9. Elementaire concentratie berekening. Voeranalyse elementaire concentratie door de interne standaardmethode van de kalibratiecurve.

Resultaten

Tien nikkel-gebaseerde legering monsters (#1-#10) worden gebruikt om de interne-standaard kalibratie bochten te bouwen. De samenstellingen van alle monsters zijn vermeld in tabel 1. De elementaire concentraties van deze monsters zijn loodrecht ontworpen om signaalinterferentie te voorkomen. De concentratie van elk element in alle monsters wordt gemeten met chemische analysemethoden.

Nikkel is het interne standaa...

Discussie

Voor elementaire analyse, populaire methoden zijn X-Ray fluorescentie (XRF), vonk kwijting optische emissie spectrometrie (SD-OES), atomaire absorptiespectroscopie (AAS), en inductief paar plasma (ICP). Deze methoden zijn vooral geschikt voor een laboratorium en industriële online applicatie voor gesmolten legeringen, die wordt bepaald door de personages van deze technologieën, is moeilijk. XRF maakt gebruik van X-stralen om monsters te schokken, en SD-OES maakt vonken op de monsters. De werkafstand van deze twee methode...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Laserbron	Gklaser Co.,Ltd.
Smeltbare legering te meten
Smeltoven	Tianyu Co.,Ltd.
Spectrometer	Avantes
Standaardmonsters			Goed bekend vanwege de samenstelling