Analyse quantitative de la fusion par induction sous vide par spectroscopie de répartition induite par laser
Summary
Lors de la fonte par induction sous vide, la spectroscopie de répartition induite par laser est utilisée pour effectuer une analyse quantitative en temps réel des éléments d’ingrédient principal d’un alliage fondu.
Abstract
La fonte par induction sous vide est une méthode populaire pour le raffinage de métaux et d’alliages de haute pureté. Traditionnellement, le contrôle de processus standard en métallurgie implique plusieurs étapes, notamment le prélèvement d’échantillons, le refroidissement, la découpe, le transport au laboratoire et l’analyse. L’ensemble du processus d’analyse nécessite plus de 30 minutes, ce qui entrave le contrôle des processus en ligne. La spectroscopie de panne induite par laser est une excellente méthode d’analyse en ligne qui peut satisfaire les exigences de la fonte par induction sous vide parce qu’elle est rapide et non-contact et ne nécessite pas de préparation d’échantillon. L’installation expérimentale utilise un laser à commutation Q à lampe-pompée pour ablater l’acier liquide fondu avec une énergie de sortie de 80 mJ, une fréquence de 5 Hz, une largeur d’impulsion FWHM de 20 NS, et une longueur d’onde de travail de 1 064 nm. Un spectromètre à couplage de charge linéaire multicanal (CCD) est utilisé pour mesurer le spectre d’émission en temps réel, avec une plage spectrale allant de 190 à 600 nm et une résolution de 0,06 nm à une longueur d’onde de 200 nm. Le protocole comprend plusieurs étapes: la préparation d’échantillons en alliage standard et un test d’ingrédient, la fusion d’échantillons standard et la détermination du spectre de répartition du laser, et la construction de la courbe d’analyse quantitative des éléments de concentration de chaque élément. Pour réaliser l’analyse de la concentration d’échantillons inconnus, le spectre d’un échantillon doit également être mesuré et éliminé avec le même procédé. La composition de tous les éléments principaux dans l’alliage fondu peut être analysée quantitativement avec une méthode standard interne. La courbe d’étalonnage montre que la limite de détection de la plupart des éléments métalliques varie de 20-250 ppm. La concentration d’éléments, tels que TI, Mo, NB, V et Cu, peut être inférieure à 100 ppm, et les concentrations de CR, al, Co, Fe, MN, C et si varient de 100-200 ppm. Le R2 de certaines courbes d’étalonnage peut dépasser 0,94.
Introduction
En raison de ses caractéristiques uniques, telles que la télédétection, l’analyse rapide, et aucun besoin de préparation d’échantillons, la spectroscopie de panne induite par laser (libs) offre des capacités uniques pour la détermination de la concentration en ligne1,2, 3. les autres. Bien que l’utilisation de la technique libs dans différents domaines a été étudiée4,5,6, une tentative considérable pour développer ses capacités dans les applications industrielles est en cours.
L’analyse du contenu des matériaux en fusion au cours des processus industriels peut améliorer efficacement la qualité du produit, qui est une direction de développement prometteuse de LIBS. Des résultats expérimentaux ont été rapportés au sujet de l’application de libs dans le domaine industriel, tels que les conclusions sur l’acier liquide argon oxygène7,8, 9,10,11, fondu alliage d’aluminium12, sel fondu13et silicium fondu14. La majorité de ces matériaux existent dans l’environnement de l’air ou d’un gaz auxiliaire. Cependant, la fonte par induction sous vide (VIM) est un autre bon champ d’application de LIBS pour réaliser le contrôle de traitement. Un four VIM peut réaliser une fusion à des températures supérieures à 1 700 ° c pour le raffinage d’alliages; C’est la méthode la plus populaire pour le raffinage de métaux et d’alliages de haute pureté tels que les alliages à base de fer ou de nickel, les alliages de haute pureté et les alliages magnétiques propres. Au cours de la fonte, la pression dans un four est toujours dans la région de 1-10 PA, et la composition de l’air dans le four comprend principalement l’air absorbé sur l’échantillon ou la paroi interne du four et un peu d’oxyde vaporeux ou de nitrure de métal. Ces situations de travail induisent des situations de mesure LIBS assez différentes pour la fusion dans l’air. Ici, nous rapmettons une étude expérimentale de l’analyse de l’alliage fondu au cours de VIM par LIBS.
Une fenêtre optique est ajoutée à un four pour l’ablation laser et la détection de la lumière rayonnante. Un verre de silice d’un diamètre de 80 mm sert de fenêtre. Un laser émetteur et un rassemblement de lumière rayonnante emploient la même fenêtre; C’est une structure optique co-axiale qui se concentre sur le même point. La longueur focale de travail est d’environ 1,8 m, et la longueur de mise au point de la configuration expérimentale peut être ajustée de 1,5 à 2,5 m.
En fonction de l’aspect pratique de l’analyse en ligne industrielle, la précision, la répétabilité et la stabilité sont plus importantes que la faible limite de détection (LOD) lors de l’analyse des ingrédients en alliage fondu. La voie technique d’un spectromètre CCD linéaire à quatre canaux est choisie, la gamme spectrale du spectromètre varie de 190 à 600 nm, la résolution est 0,06 nm, et la longueur d’onde est 200 nm. Une diode laser pompée Q-commuté laser (construit dans la maison) est utilisé pour ablation alliage fondu, avec une énergie de sortie de 100 MJ, une fréquence de 5 Hz, une largeur d’impulsion FWHM de 20 NS, et une longueur d’onde de travail de 1064 nm. La partie restante présentera le processus d’analyse des LIBS VIM et la mesure en direct, suivie d’une introduction des résultats de traitement des données.
Protocol
Representative Results
Discussion
Pour l’analyse élémentaire, les méthodes populaires sont la fluorescence des rayons X (XRF), la spectrométrie d’émission optique à décharge d’étincelles (SD-OES), la spectroscopie d’absorption atomique (AAS) et le plasma à couple inductif (ICP). Ces méthodes sont principalement adaptées pour un laboratoire et une application en ligne industrielle pour les alliages en fusion, qui est déterminé par les caractères de ces technologies, est difficile. XRF utilise les rayons X pour les échantillons de ch…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette étude a été financée financièrement par les principaux projets d’instruments scientifiques et de développement de l’équipement (Grant no 2014YQ120351), l’Association de promotion de l’innovation des jeunes du tas (Grant no 2014136) et les plans de promotion des talents innovants de la Chine pour l’équipe d’innovation dans les domaines prioritaires (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).
