אנליזה כמותית של אינדוקציה ואקום התכה על-ידי ספקטרוסקופיית לייזר המושרה
Summary
במהלך אינדוקציה ואקום ההיתוך, ספקטרוסקופיית התמוטטות הנגרמת לייזר משמש לביצוע ניתוח כמותי בזמן אמת של רכיבי המרכיב העיקרי של סגסוגת מותכת.
Abstract
אינדוקציה ואקום התכה היא שיטה פופולרית לזיקוק מתכת טוהר גבוהה וסגסוגות. באופן מסורתי, בקרת תהליך סטנדרטי בתוך מטלורגיה כרוכה במספר שלבים, לכלול דגימות ציור, קירור, גזירה, הובלה למעבדה, ניתוח. תהליך הניתוח כולו דורש יותר מ-30 דקות, המעכבת בקרת תהליכים מקוונת. ספקטרוסקופיית התמוטטות הנגרמת על-ידי לייזר היא שיטת ניתוח מעולה בשורה שיכולה לספק את הדרישות של אינדוקציה ואקום ההיתוך כי זה מהיר ולא מגע ואינו דורש הכנה לדוגמה. המתקן הניסיוני משתמש מנורה שאוב Q-ממותג לייזר לתוך פלדה נוזלי מומס מומסת עם אנרגיה פלט של 80 mJ, תדירות של 5 Hz, רוחב פולס FWHM של 20 ns, ו אורך גל עובד של 1,064 ננומטר. טעינה מרובת ערוצים ליניארי מצמידים התקן (CCD) ספקטרומטר משמש כדי למדוד את ספקטרום הפליטה בזמן אמת, עם טווח ספקטרלי מ 190 אל 600 nm ורזולוציה של 0.06 nm ב אורך הגל של 200 nm. הפרוטוקול כולל מספר שלבים: הכנה לדגימת סגסוגת סטנדרטית ומבחן מרכיב, היתוך של דגימות סטנדרטיות וקביעת ספקטרום התפלגות הלייזר, ובניית האלמנטים של הריכוז בעקומת האנליזה הכמותית של כל רכיב. כדי להגשים את ניתוח הריכוז של דגימות לא ידועות, צריך גם למדוד את הספקטרום של המדגם ולהסולק באותו תהליך. הרכב של כל האלמנטים העיקריים בסגסוגת נמס ניתן לכמת עם שיטה סטנדרטית. עקומת הכיול מראה כי המגבלה של זיהוי של רוב רכיבי מתכת נע בין 20-250 דפים לדקה. ריכוז של אלמנטים, כגון Ti, מו, Nb, V, ו-Cu, יכול להיות נמוך מ 100 דפים לדקה, ואת ריכוזי של Cr, אל, Co, Fe, Mn, C, ו-Si טווח מ 100-200 ppm. R2 של עקומות כיול מסוימות יכול לעלות על 0.94.
Introduction
בשל התכונות הייחודיות שלה, כגון חישה מרחוק, ניתוח מהיר, ואין צורך בהכנה לדוגמה, ספקטרוסקופיית התמוטטות בלייזר (libs) מציעה יכולות ייחודיות לקביעת ריכוז מקוון1,2, 3. שלוש. למרות שהשימוש בטכניקת libs בתחומים שונים נחקר4,5,6, ניסיון ניכר לפתח את יכולותיה ביישומים תעשייתיים מתמשך.
ניתוח תוכן חומר מותך במהלך תהליכים תעשייתיים יכול לשפר ביעילות את איכות המוצר, שהוא כיוון התפתחות מבטיח של LIBS. ממצאים ניסיוניים דווחו על יישום libs בתחום התעשייה, כגון ממצאים על פלדה נוזלי ארגון חמצן7,8,9,10,11, מותכת אלומיניום סגסוגת12, מלח מותך13, ו סיליקון מותכת14. רוב החומרים הללו קיימים בסביבה של אוויר או עוזר גז. עם זאת, אינדוקציה ואקום ההיתוך (ועוד) הוא עוד שדה יישום טוב של LIBS להגשים את השליטה בתהליך. הכבשן מסוגל לממש את ההיתוך בטמפרטורות גבוהות מ-1,700 ° צ’ לזיקוק סגסוגת; זוהי השיטה הפופולרית ביותר לזיקוק מתכת טוהר גבוהה וסגסוגות כגון ברזל בסיס או ניקל בסיס סגסוגות, סגסוגות טוהר גבוהה, וסגסוגות מגנטי נקי. במהלך ההיתוך, הלחץ בכבשן הוא תמיד באזור של 1-10 Pa, והרכב האוויר בכבשן כולל בעיקר את האוויר הנספג על המדגם או על הקיר הפנימי של הכבשן וכמה תחמוצת היתוך או מתכת נירכוב. אלה מצבי עבודה לגרום שונה למדי מצבי מדידה LIBS עבור היתוך באוויר. כאן, אנו מדווחים על חקירה ניסיונית של ניתוח של סגסוגת מותכת במהלך הקורס על ידי LIBS.
חלון אופטי מתווסף לכבשן עבור אבלציה לייזר וזיהוי אור זוהר. זכוכית סיליקה עם קוטר של 80 מ”מ משמש כחלון. לייזר פולט ואיסוף של אור קורן להעסיק את אותו חלון; זהו מבנה אופטי שכונתיות המתמקד באותה נקודה. אורך מוקד העבודה הוא כ 1.8 מ’, ואורך ההתמקדות של ההתקנה הניסיונית ניתן לכוונן מ 1.5 ל 2.5 m.
בהתבסס על המעשיות של ניתוח מקוון תעשייתי, דיוק, היכולת לעבור חזרה ויציבות חשוב יותר מאשר גבול נמוך של גילוי (לוד) במהלך ניתוח מרכיב סגסוגת מותכת. התוואי הטכני של ספקטרומטר CCD ארבעה ערוצים ליניארי נבחר, הטווח הספקטרלי של ספקטרומטר הטווחים מ 190 כדי 600 nm, הרזולוציה היא 0.06 nm, ואת אורך הגל הוא ה200 nm. דיודת לייזר שאוב Q-החלפת לייזר (שנבנה בבית) משמש לסגסוגת מותכת, עם אנרגיה פלט של 100 mJ, תדירות של 5 Hz, רוחב הדופק FWHM של 20 ns, ו אורך גל עובד של 1064 ננומטר. החלק הנותר יציג את תהליך הניתוח ומדידה בשידור חי, ואחריו מבוא של תוצאות עיבוד הנתונים.
Protocol
Representative Results
Discussion
עבור ניתוח היסודות, שיטות פופולריות הם קרני רנטגן פלואורסצנטית (XRF), הניצוץ פריקה אופטית ספקטרומטריה (SD-מאוס), ספקטרוסקופיית קליטת האטום (AAS), ו השראה זוג פלזמה (הקאמרי הנוכחי). שיטות אלו מתאימות בעיקר ליישום מעבדה ותעשייתי מקוון לסגסוגות מותכת, אשר נקבעת על ידי דמויות של טכנולוגיות אלה, הוא ק…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה היה נתמך מבחינה כספית על ידי המפתח הלאומי כלי מדעי ופיתוח ציוד פרויקטים (גרנט No. 2014YQ120351), האגודה לקידום חדשנות הנוער של CAS (גרנט No. 2014136), ואת התוכנית החדשנית לקידום כשרונות של סין לצוות חדשנות בתחומי עדיפות (גרנט 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).
