Kvantitativ analyse af vakuum induktion smeltning af Laser induceret nedbrydnings spektroskopi
Summary
Under vakuum induktion smeltning, Laser-induceret opdeling spektroskopi bruges til at udføre real-time kvantitativ analyse af de vigtigste ingredienser elementer i en smeltet legering.
Abstract
Vakuum induktion smeltning er en populær metode til raffinering af høj renhed metal og legeringer. Traditionelt, standardproces kontrol i metallurgi involverer flere trin, omfatter tegning prøver, køling, opskæring, transport til laboratoriet, og analyse. Hele analyseprocessen kræver mere end 30 minutter, hvilket hindrer on-line proceskontrol. Laser-induceret opdeling spektroskopi er en fremragende on-line analysemetode, der kan opfylde kravene i vakuum induktion smeltning, fordi det er hurtig og kontaktløs og ikke kræver prøveforberedelse. Den eksperimentelle facilitet bruger en lampe-pumpet Q-Switched laser til ablateresistent smeltet flydende stål med en udgangsenergi på 80 mJ, en frekvens på 5 Hz, en FWHM impulsbredde på 20 ns, og en fungerende bølgelængde på 1.064 nm. En multikanals lineær Charge koblet anordning (CCD) spektrometer anvendes til at måle emissions spektret i realtid, med et spektralområde fra 190 til 600 nm og en opløsning på 0,06 nm ved en bølgelængde på 200 Nm. Denne protokol indeholder flere trin: Standardpræparat til prøveudtagning og en ingrediens test, smeltning af standard prøver og bestemmelse af laser fordelings spektret og opførelse af den kvantitative analyse kurve for de enkelte elementer Element. For at realisere koncentrations analysen af ukendte prøver skal spektret af en prøve også måles og bortskaffes med samme proces. Sammensætningen af alle de vigtigste elementer i den smeltede legering kan kvantitativt analyseres med en intern standardmetode. Kalibreringskurven viser, at detektionsgrænsen for de fleste metal elementer spænder fra 20-250 ppm. Koncentrationen af elementer, såsom ti, MO, NB, V, og cu, kan være lavere end 100 ppm, og koncentrationerne af CR, al, Co, fe, MN, C og si spænder fra 100-200 ppm. R2 af nogle kalibreringskurver kan overskride 0,94.
Introduction
På grund af dens unikke egenskaber, såsom teledetektion, hurtig analyse og intet behov for prøveforberedelse, tilbyder Laser induceret nedbrydnings spektroskopi (libs) unikke kapaciteter til on-line koncentrations bestemmelse1,2, 3. i. Selv om brugen af libs teknik på forskellige områder er blevet undersøgt4,5,6, er et betydeligt forsøg på at udvikle sin kapacitet i industrielle applikationer er i gang.
Analyse af smeltet materiale indhold i løbet af industrielle processer kan effektivt forbedre produktkvaliteten, hvilket er en lovende udvikling retning af LIBS. Eksperimentelle fund er blevet rapporteret om anvendelsen af libs på det industrielle område, såsom fund om argon oxygen flydende stål7,8,9,10,11, smeltet aluminium legering12, smeltet salt13, og smeltet silicium14. De fleste af disse materialer findes i miljøet af luft eller en assistent gas. Men, vakuum induktion smeltning (VIM) er et andet godt anvendelsesområde af LIBS at realisere behandling kontrol. En VIM ovn kan realisere smeltning ved temperaturer højere end 1.700 °C for legeret raffinering; Det er den mest populære metode til raffinering af høj renhed metal og legeringer såsom jern-base eller nikkel-base legeringer, høj renhed legeringer, og rene magnetiske legeringer. I løbet af smeltning, er trykket i en ovn altid i regionen af 1-10 PA, og sammensætningen af luft i ovnen omfatter hovedsageligt den luft, der optages på prøven eller den indre væg af ovnen og nogle dampformig oxid eller nitrid metal. Disse arbejdssituationer inducerer helt forskellige LIBS-måle situationer for smeltning i luften. Her rapporterer vi en eksperimentel undersøgelse af analysen af smeltet legering i løbet af VIM af LIBS.
Et optisk vindue tilsættes til en ovn til laser ablation og stråle lysindetektion. Et silica glas med en diameter på 80 mm fungerer som vinduet. En udsender laser og indsamling af strålende lys anvender samme vindue; Det er en co-aksial optisk struktur, der fokuserer på det samme punkt. Arbejds brændvidden er ca. 1,8 m, og fokuserings længden på den eksperimentelle opsætning kan justeres fra 1,5 til 2,5 m.
Baseret på det praktiske i industriel online analyse, præcision, repeterbarhed og stabilitet er vigtigere end den lave grænse for påvisning (LOD) under smeltet legering ingrediens analyse. Den tekniske rute for et 4-kanals lineær CCD-spektrometer vælges, spektrometrets spektralområde spænder fra 190 til 600 nm, opløsningen er 0,06 nm, og bølgelængden er 200 Nm. En laser diode pumpet Q-Switched laser (konstrueret i hus) bruges til at ablateresistent smeltet legering, med en output energi på 100 mJ, en frekvens på 5 Hz, en FWHM impulsbredde på 20 ns, og en fungerende bølgelængde på 1064 nm. Den resterende del vil præsentere VIM LIBS-analyseprocessen og levende måling, efterfulgt af en introduktion af databehandling resultater.
Protocol
Representative Results
Discussion
For elementært analyse, populære metoder er røntgen fluorescens (XRF), gnist udledning optisk emission SPEKTROMETRI (SD-OES), atomabsorptionsspektroskopi (AAS), og induktive par plasma (ICP). Disse metoder er primært velegnet til et laboratorium og industrielle online ansøgning om smeltet legeringer, som er bestemt af de tegn i disse teknologier, er vanskelig. XRF bruger røntgenstråler til chok prøver, og SD-OES laver gnister på prøverne. Arbejdsafstanden for disse to metoder er altid i intervallet flere centim…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne undersøgelse blev finansielt støttet af de nationale centrale videnskabelige instrument og udstyr udviklingsprojekter (Grant No. 2014YQ120351), Ungdom innovation fremme Association af CAS (Grant No. 2014136), og Kina innovative talent forfremmelse planer for Innovations Team på prioritetsområder (Grant No. 2014RA4051).
Materials
| Laser source | Gklaser Co.,Ltd. | ||
| Molten alloy to be measured | |||
| Smelting furnace | Tianyu Co.,Ltd. | ||
| Spectrometer | Avantes | ||
| standard samples | Well known of its composition |
References
- Radziemski, L., Cremers, D. A brief history of laser-induced breakdown spectroscopy: From the concept of atoms to LIBS 2012. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 87, 3-10 (2013).
- El Haddad, J., Canioni, L., Bousquet, B. Good practices in LIBS analysis: Review and advices. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 101, 171-182 (2014).
- Mueller, M., Gornushkin, I. B., Florek, S., Mory, D., Panne, U. Approach to Detection in Laser-Induced Breakdown Spectroscopy. Analytical Chemistry. 79 (12), 4419-4426 (2007).
- Noll, R., Fricke-Begemann, C., Brunk, M., Connemann, S., Meinhardt, C., Schsrun, M., Sturm, V., Makowe, J., Gehlen, C. Laser-induced breakdown spectroscopy expands into industrial applications. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 93, 41-51 (2014).
- Leon, R., David, C. A brief history of laser-induced breakdown spectroscopy: From the concept of atoms to LIBS 2012. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 87, 3-10 (2013).
- El Haddad, J., Canioni, L., Bousquet, B. Good practices in LIBS analysis: Review and advices. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 101, 171-182 (2014).
- Gonzaga, B. F., Pasquini, C. A compact and low cost laser induced breakdown spectroscopic system: Application for simultaneous determination of chromium and nickel in steel using multivariate calibration. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 69, 20-24 (2012).
- Peter, L., Sturm, V., Noll, R. Liquid steel analysis with laser-induced breakdown spectrometry in the vacuum ultraviolet. Applied Optics. 42 (30), 6199-6204 (2003).
- Hubmer, G., Kitzberger, R., Mörwald, K. Application of LIBS to the in-line process control of liquid high-alloy steel under pressure. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 385 (2), 219-224 (2006).
- Sun, L. X., Yu, H. B. Automatic estimation of varying continuum background emission in laser-induced breakdown spectroscopy. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 64, 278-287 (2009).
- Lin, X. M., Chang, P. H., Chen, G. H., Lin, J. J., Liu, R. X., Yang, H. Effect of melting iron-based alloy temperature on carbon content observed in laser-induced breakdown spectroscopy. Plasma Science & Technology. 17 (11), 933-937 (2015).
- Rai, A. K., Yueh, F. Y., Singh, J. P. Laser-induced breakdown spectroscopy of molten aluminum alloy. Applied Optics. 42 (12), 2078-2084 (2003).
- Hanson, C., Phongikaroon, S., Scott, J. R. Temperature effect on laser-induced breakdown spectroscopy spectra of molten and solid salts. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 97, 79-85 (2014).
- Darwiche, S., Benrabbah, R., Benmansour, M., Morvan, D. Impurity detection in solid and molten silicon by laser induced breakdown spectroscopy. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 74, 115-118 (2012).
- Linstrom, P. J., Mallard, W. G. NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69. National Institute of Standards and Technology. , 20899 (2018).
