Quantitative Analyse der Vakuum-Induktionsschmelze durch Laser-induzierte Spectroskopie

Zusammenfassung

Bei der Vakuuminduktion wird die laserinduzierte Abbruchspektroskopie eingesetzt, um die wichtigsten Elemente einer geschmolzenen Legierung in Echtzeit quantitativ zu analysieren.

Zusammenfassung

Das Schmelzen der Vakuuminduktion ist ein beliebtes Verfahren zur Veredelung von hochreinem Metall und Legierungen. Traditionell umfasst die Standard-Prozesssteuerung in der Metallurgie mehrere Schritte, darunter das Zeichnen von Proben, Kühlung, Schneiden, Transport ins Labor und Analyse. Der gesamte Analyseprozess benötigt mehr als 30 Minuten, was die Online-Prozesssteuerung behindert. Die Laserinduzierte Dispannenspektroskopie ist eine ausgezeichnete Online-Analysemethode, die den Anforderungen des Vakuuminduktionschmelzens gerecht werden kann, da sie schnell und berührungslos ist und keine Probenvorbereitung erfordert. Die Versuchsanlage verwendet einen Lampenpump-Laser, um geschmolzenes flüssiger Stahl mit einer Ausgangsenergie von 80 mJ, einer Frequenz von 5 Hz, einer FWHM-Pulsbreite von 20 ns und einer Arbeitswellenlänge von 1.064 nm abzuschaffen. Ein mehrkanaliges lineares Ladungsgerät (CCD) Spektrometer wird verwendet, um das Emissionsspektrum in Echtzeit zu messen, mit einem Spektralbereich von 190 bis 600 nm und einer Auflösung von 0,06 nm bei einer Wellenlänge von 200 nm. Das Protokoll umfasst mehrere Schritte: Die Standardprobenvorbereitung und die Zutatenprüfung, das Schmelzen von Standardproben und die Bestimmung des Laserabbaurspektrums sowie die Konstruktion der Konzentrationsquantitationen der einzelnen Elemente. grundbestandteil. Um die Konzentrationsanalyse unbekannter Proben zu realisieren, muss auch das Spektrum einer Probe gemessen und mit dem gleichen Verfahren entsorgt werden. Die Zusammensetzung aller wesentlichen Elemente in der geschmolzenen Legierung kann mit einer internen Standardmethode quantitativ analysiert werden. Die Kalibrierkurve zeigt, dass die Grenze der Erkennung der meisten Metallelemente von 20-250 ppm liegt. Die Konzentration der Elemente, wie Ti, Mo, Nb, V und Cu, kann unter 100 ppm sein, und die Konzentrationen von Cr, Al, Co, Fe, Mn, C und Si-Bereich von 100-200 ppm. Die R^{2 einiger} Kalibrierkurven kann 0,94 überschreiten.

Einleitung

Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften, wie Fernerkundung, schnelle Analyse und keine Notwendigkeit für die Probenvorbereitung, bietet die laserinduzierte Abbruchspektroskopie (LIBS) einzigartigeMöglichkeiten zur Online-Konzentrationsbestimmung 1^{,2, 3. Runde} Obwohl der Einsatz der LIBS-Technik in verschiedenen Bereichen um^4,5,6untersucht wurde, wird derzeit ein beträchtlicher Versuch unternommen, seine Fähigkeiten in industriellen Anwendungen zu entwickeln.

Die Analyse von geschmolzenen Materialinhalten im Rahmen von industriellen Prozessen kann die Produktqualität, die eine vielversprechende Entwicklungsrichtung von LIBS ist, effektiv verbessern. Es wurden experimentelle Befunde über die Anwendung von LIBS im industriellen Bereich berichtet, wie zum Beispiel Befunde über Argon-Sauerstoffflüssigkeitsstahl^{7,8, 9,}10^,11, geschmolzen Aluminiumlegierung¹², geschmolzenes^{Salz 13}und geschmolzenes Silizium¹⁴. Der Großteil dieser Materialien existiert in der Umgebung der Luft oder eines Assistenzgases. Die Vakuuminduktionshmelze (VIM) ist jedoch ein weiteres gutes Anwendungsgebiet von LIBS, um die Verarbeitungssteuerung zu realisieren. Ein VIM-Ofen kann Schmelzen bei Temperaturen von über 1.700 ° C für die Legierungsveredelung realisieren; Es ist das beliebteste Verfahren zur Veredelung von hochreinem Metall und Legierungen wie Eisenbasis oder Nickel-Base-Legierungen, hochreinen Legierungen und sauberen Magnetlegierungen. Während des Schmelzens liegt der Druck in einem Ofen immer im Bereich von 1-10 Pa, und die Zusammensetzung der Luft im Ofen umfasst vor allem die Luft, die auf der Probe oder der Innenwand des Ofens absorbiert wird, und etwas Flockoxid oder Nitridmetall. Diese Arbeitssituationen führen zu ganz unterschiedlichen LIBS-Messsituationen für das Schmelzen in der Luft. Hier berichten wir über eine experimentelle Untersuchung der Analyse der geschmolzenen Legierung im Rahmen der VIM durch LIBS.

Für die Laserablation und Strahlungslichterkennung wird ein optisches Fenster in einen Ofen eingebaut. Als Fenster dient ein Kieselglas mit einem Durchmesser von 80 mm. Ein ausstrahlender Laser und das Sammeln von strahlendem Licht verwenden das gleiche Fenster; Es handelt sich um eine kopaxiale optische Struktur, die sich auf den gleichen Punkt konzentriert. Die Arbeitsfokuslänge beträgt ca. 1,8 m, die Fokussierlänge des Versuchsaufbaus kann von 1,5 auf 2,5 m eingestellt werden.

Aufgrund der Praxistauglichkeit der industriellen Online-Analyse ist Präzision, Wiederholbarkeit und Stabilität wichtiger als die niedrige Grenze der Erkennung (LOD) bei der molzligen Legierungszustandsanalyse. Der technische Weg eines vierkanaligen linearen CCD-Spektrometers wird gewählt, der Spektralbereich des Spektrometers reicht von 190 bis 600 nm, die Auflösung liegt bei 0,06 nm, die Wellenlänge bei 200 nm. Ein im Haus gepolsterter, mit Q-switched gestopfter Laser (im Haus konstruiert) wird verwendet, um geschmolzene Legierungen abzuschaffen, mit einer Ausgangsenergie von 100 mJ, einer Frequenz von 5 Hz, einer FWHM-Pulsbreite von 20 ns und einer Arbeitswellenlänge von 1064 nm. Der verbleibende Teil wird den VIM-LIBS-Analyseprozess und die Live-Messung präsentieren, gefolgt von einer Einführung der Datenverarbeitungsergebnisse.

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Protokoll

1. Zubereitung von Standardbeispielen

NOTE: Dieser Schritt ist nicht wesentlich.

1. Rohmaterial vorbereiten (Tabelle 1). Um eine 100 kg Probe #1 zu machen, 12,82 kg Cr, 3,39 kg Mo, 4,79 kg Al, 1,00 kg Ti, 0,60 kg Cu und etwa 77,4 kg Ni zum Tiegel geben. Während des Schmelzvorgangs werden einige Elemente verbrannt. Die endgültige Zutat wird durch die Schmelztemperatur, die Schmelzdauer und andere Arbeitsparameter bestimmt. Der Zutatentest zeigt die Menge jedes einzelnen Elements in den Legierungen an.
2. Führen Sie das Schmelzen der Vakuuminduktion bei ca. 1.700 ° C für ca. 45 Minuten für jede Standardprobe. Der Ofen, der zur Herstellung von Standardproben verwendet wird, kann für 2 Standardproben jeweils etwa 100 kg Legierungen schmelzen.
3. Alle geschmolzenen flüssigen Stahl in eine klebrige Form gießen, um Standardproben zu machen, und natürlich für mindestens 4 Stunden kühl. Die Größe der Standardproben wird durch den Ofen im Experiment bestimmt. Verwenden Sie in den Experimenten mit einem Stabdurchmesser von 100 mm stotenförmige Standardproben. Die Form des Tiegels im Ofen ist ein Frustumkegel mit einem kupenartigen Behälter. Der Durchmesser der Felge beträgt 150 mm, der Boden 100 mm, die Tiefe 200 mm. Auch gechunkerte Standardproben können verwendet werden.
4. Verwenden Sie eine elektrische Säge, um Standardproben für das Experiment zu schneiden. Die Länge der Standardstangenprobe wird durch den Ofen bestimmt. Verwenden Sie für das Versuchsschmelzsystem eine Länge von 150 mm. Schmelzen Sie ein Stück der Proben für jedes Experiment.
5. Wiederholen Sie diese Schritte und machen Sie alle Standardproben. Zehn Proben werden in diesem Experiment eingesetzt.

2. Test-Ingredient der Standard-Alloy-Proben

1. Verwenden Sie eine chemische Analysemethode, um die Zusammensetzung aller Standardlegierungsproben zu testen. Testen Sie alle Elemente in jeder Probe.
   Hinweis: Wir empfehlen dringend, diese Proben an eine Behördenorganisation zu schicken, um die Analyse durchzuführen. Diese Proben werden für den Zutatentest an das Central Iron & Steel Research Institute of China geschickt. Die Testergebnisse für diese Proben sind in Tabelle 2aufgeführt.

3. Smelt Samples

1. Überprüfen Sie die Sicherheit der Schmelzanlage, die die Stromversorgung, die Verfügbarkeit jeder Pumpe, die Vakuumhaltefähigkeit des Experimentierofens, das Kühlwasser und den Strom umfasst.
2. Legen Sie die Standardproben in die Schmelzanlage. Um sicherzustellen, dass eine kleine Menge jeder Probe durch den Laser abgelegt wird, verwenden Sie kleine Proben für das Experiment. Aufgrund der Größe des Tiegel im Ofen, lächelt jeweils etwa 10 kg Proben.
3. Öffnen Sie die Vakuumpumpe, bis der Druck kleiner als 0,1 Pa ist. Verwenden Sie 2 Pumpenstufen, um das Vakuum zu machen: Mechanische Pumpe und Diffusionspumpe. Die mechanische Pumpe kann etwa 1 Pa in 15 Minuten erreichen, die Diffusionspumpe kann nach 40 Minuten 0,01 Pa erreichen.
4. Schmelzproben. Erhöhung des Ofenarbeiters auf ca. 130 A; Dieser Parameter wird durch die Inhaltsstoffe der Proben und die Größe des Ofens bestimmt. Eine Standardprobe benötigt etwa 15 Minuten, um geschmolzen zu werden. Durch Oxidation oder Nitrierung verändern sich die Inhaltsstoffe von flüssigem Stahl im Laufe der Schmelze langsam.
   1. Um die Präzision des Experiments zu gewährleisten, bestimmen Sie das Spektrum innerhalb von 15 Minuten, nachdem die Standardproben geschmolzen sind.

4. Ermittlung des Laser-Breakdown-Spektrums von Standardproben

1. Prüfen Sie die Verfügbarkeit von Laserfokussierungs-und Frequenzsammelsystem, Lasergenerator und Spektrometer.
2. Stellen Sie das Spektrometer und den Lasergenerator so ein, dass es synchron funktioniert. Verwenden Sie ein Spektrometerausgabesußsignal und eine passive Lasermethode im System. Zur Steuerung des Lasergenerators und des Spektrometers kann auch die Methode des Lasergenerator-Synchronisierungssignals oder die Methode der Synchronisationssynchronisierungssignale eingesetzt werden.
3. Öffnen Sie den Lasergenerator und das Spektrometer; Bereiten Sie sich auf die Generierung des Pulslasers vor. Die Pulsbreite beträgt 20 ns, die Frequenz 5 Hz, und die Energie jedes Pulses beträgt 90 mJ.
4. Verwenden Sie die Spektrumablager-Software, um die Laserausgabe auszulösen und das Spektrum zu erfassen. Stellen Sie die Integrationszeit des Spektrometers auf 10 ms ein, und jeder Laserpuls erzeugt einen Rahmen des Spektrums. Ist die Integrationszeit zu kurz, wird die Frequenzsignalintensität zu schwach. Ist die Integrationszeit zu lang, werden weitere Hintergrundsignale gesammelt.
5. Passen Sie die Laserfokussierungsposition an und schneiden Sie die Probe effektiv ab. Optimieren Sie die Fokussierposition, bis das stärkste Spektralsignal erreicht ist. Mit diesem Verfahren wird der Fokussierpunkt angepasst. Die spektrometer numerisch geteilte Signalintensität reicht von 0 bis 65.535. In den meisten Fällen sollte die Intensität eines Signals 15% des Sättigungssignals übersteigen, was darauf hindeutet, dass die höchste Spitzenintensität 10.000 überschreiten sollte. Ist die Signalintensität zu gering, wird die quantitative Analyse nur wenig präzise sein.
6. Optimieren Sie die Verzögerung Zeit. Wählen Sie die Verzögerung nach der Bremsstrahlung, und die Festigkeit des Signalbedarfs mit der optimierten Verzögerungszeit sollte ausreichend sein.
7. Verwenden Sie das Spektrometer, um ein Spektrum für die Analyse zu sammeln. Sammeln Sie 20 Rahmen des Spektrums und erhalten Sie den Durchschnitt für die LIBS-Analyse.
8. Den Arbeitsstrom des Ofens abschalten und die Proben abkühlen lassen. Die Verfestigung der Proben erfordert ca. 15 min.
9. Zum Eindringen des Vakuums wird Stickstoff in den Versuchsofen injiziert.
10. Öffnen Sie den Deckel des Experimentierofens und entfernen Sie die Erstarrungsproben.
11. Wiederholen Sie den Schritt 3.3 bis 4.10, bis alle Proben gemessen sind.

5. Konstruieren Sie Kalibrierkurve der quantitativen Analyse

1. Frequenzvorbehandlung
   1. Hintergrundkorrektur. Löschen Sie den durch Bremsstrahlen verursachten Hintergrundeffekt. Die Methode der Basiskorrektur wird im Experiment angewendet.
   2. Spectrum-Peak Suche. Verwenden Sie eine Methode der Zwei-Boräne-Derivate, um die Spitzen jedes Elements zu identifizieren; Die lokalen Mindestpunkte werden gewichtet.
   3. Spektrumausstattung. Tragen Sie ein Lorentz-Spektralüberlagerungsverhältnis auf die ausgewählten Spitzen auf, um Selbstkorrosion oder Überlappung zu vermeiden. Die spektrale Spitzensteitensität, der Dehnungszustand und die Mittelwellenlänge werden durch einen passenden Algorithmus erreicht.
2. Importieren Sie die Ergebnisse der chemischen Inhaltsstoffanalyse aller Standardproben.
3. Konstruieren Sie die Kalibrierkurve.
   1. Wählen Sie eine innere, relativ normale Wellenlänge. Die Hauptelemente Spektrallinien werden immer ausgewählt.
   2. Wählen Sie eine Kalibrierungswellenlänge. Wählen Sie aus der NIST-Spektrumdatenbank¹⁵.
   3. Fit die Kurve. Verwenden Sie lineare Passform oder quadratische Montage.
4. Die Genauigkeit der Analyse. Berechnen Sie nach dem Einbau den Einbaufaktor und den relativen Standardfehler. Ein Programm wird verwendet, um automatisch die beste relative Standard-Wellenlänge und Kalibrierwellenlänge von der Wellenlängenbasis von NIST¹⁵auszuwählen.

6. Elementare Kompositionsanalyse von geschmolzenem Alloy

Hinweis: Das Versuchsaufbau wurde in zwei Teile unterteilt, nämlich den Detektorkopf und den Schaltschrank, wie in Abbildung1 gezeigt. Die gleichen Laser-und Spektrometer-Parameter, Form-und Frequenzsammelprozeß, die im vorherigen Prozess eingesetzt wurden, werden eingesetzt, um genaue quantitative Analyseergebnisse zu gewährleisten.

1. Legen Sie die unbekannte Probe in die Schmelzanlage.
2. Vakuum das Versuchssystem.
3. Erhöhen Sie den Schmelzstrom, bis die Probe geschmolzen ist. Die Schmelztemperatur liegt bei ca. 1.700 ° C, die Schmelzzeit bei ca. 45 min.
4. Öffnen Sie den Lasergenerator und realisieren Sie den Puls-Laserausgang. Verwenden Sie die folgenden Laserparameter: Die Pulsbreite beträgt 20 ns, die Frequenz 5 Hz und die Energie jedes Pulses bei 90 mJ.
5. Öffnen Sie das Spektrometer und die Frequenzablager-Software, um das Spektrum zu bestimmen. Verwenden Sie das gleiche Spektrometer mit einem Spektralbereich von 190 bis 600 nm und einer Auflösung von 0,06 nm bei einer Wellenlänge von 200 nm. Die Integrationszeit des Spektrometers beträgt 10 ms. Das Spektrometer wird verwendet, um den Laser auszulösen und das Spektrum zu bestimmen.
6. Passen Sie die Position der Laserfokussierung an. Optimierung der Fokussierposition, bis das stärkste Spektralsignal erreicht ist; Der Wert des höchsten Gipfels sollte 10.000 überschreiten.
7. Laserabbruchspektrum ermitteln. Jeder Laserpuls erzeugt einen Rahmen des Spektrums; 20 Rahmen des Spektrums werden für die Analyse gewonnen und im Durchschnitt erstellt.
8. Frequenzvorbehandlung. Führen Sie Hintergrundkorrektur durch, wie zum Beispiel das Löschen des durch Bremseinstrahlung verursachten Hintergrundeffekts, wie in 5.1.3 erwähnt, um die Frequenzanpassung durchzuführen.
9. Elementarkonzentration. Die Elementarkonzentration der Analyse wird durch die interne Standardmethode aus der Kalibrierkurve durchgeführt.

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Ergebnisse

Zehn nickelbasierte Legierungsmuster (#1-#10) werden für die Konstruktion von Kalibrierkurven im Innenstandard verwendet. Die Kompositionen aller Samples sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Elementarkonzentrationen dieser Proben sind orthogonal so ausgelegt, dass Signalstörungen vermieden werden. Die Konzentration jedes einzelnen Elements in allen Proben wird mit chemischen Analysemethoden gemessen.

Nickel ist ...

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Diskussion

Für die Elementaranalyse sind die populären Methoden die Röntgenfluoreszenz (XRF), die optische Emissionsspektrometrie (SD-OES), die atomare Absorptionsspektroskopie (AAS) und das induktive Paar-Plasma (ICP). Diese Methoden eignen sich vor allem für eine Labor-und industrielle Online-Anwendung für geschmolzene Legierungen, die durch die Merkmale dieser Technologien bestimmt wird, ist schwierig. XRF verwendet Röntgenstrahlen, um Proben zu schockieren, und SD-OES macht Funken auf den Proben. Der Arbeitsabstand dieser...

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Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Laser source	Gklaser Co.,Ltd.
Molten alloy to be measured
Smelting furnace	Tianyu Co.,Ltd.
Spectrometer	Avantes
standard samples			Well known of its composition