Kwantitatieve analyse van vacuüm inductie smelten door laser-geïnduceerde verdeling spectroscopie
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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 bepaling1,2, 3. Hoewel het gebruik van de libs-techniek op verschillende gebieden is onderzocht4,5,6, 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 staal7, 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
Representative Results
Discussion
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 metho…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd financieel gesteund door de nationale belangrijkste wetenschappelijke instrumenten en apparatuur ontwikkelingsprojecten (Grant No. 2014YQ120351), de Youth Innovation Promotion Association van CAS (Grant No. 2014136), en de China Innovative talent promotieplannen voor innovatie team op prioritaire gebieden (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).
