Передовые спектрометры для точного элементного анализа металлов в литейном производстве

Анализ состава и марки литейных металлов

Спектрохимический анализ — это вид химического анализа, определяющий расположение атомов и электронов в молекулах химических соединений. Он измеряет количество энергии, поглощаемой при изменении движения или структуры. Длина волны и интенсивность электромагнитного измерения используются для получения количественных результатов, 주로 применяемых для оценки качества.

Спектроскопия и спектрометр

Термины «спектроскопия» и «спектрометр» часто встречаются при обсуждении спектрохимического анализа. Простыми словами, спектроскопия — это изучение энергии в отношении образца материала, а спектрометр — прибор, используемый при спектрометрии, самом акте спектроскопического измерения.

Спектроскопия

Спектроскопия изучает взаимодействие излучаемой энергии с образцом материала. Это взаимодействие порождает электромагнитные волны в виде видимого света, обычно наблюдаемого в виде искр. Спектроскопия возникла в XVII веке, когда сэр Исаак Ньютон обнаружил, что белый свет можно разложить на составляющие цвета с помощью призмы, а эти компоненты можно рекомбинировать обратно в белый свет. Он понял, что призма не создаёт цвета, а лишь разделяет компоненты белого света. В начале 1800-х Йозеф фон Фраунхофер провёл эксперименты, доведшие спектроскопию до точного количественного научного метода. Однако только в XIX веке количественное измерение рассеянного света было стандартизировано и признано надежным методом испытаний.

Спектрометр

Спектрометр — прибор спектроскопии, генерирующий спектральные линии и измеряющий их длины волн и интенсивности. Это научный прибор, разделяющий частицы, атомы и молекулы по массе, импульсу или энергии. Спектрометры незаменимы в химическом анализе и физике частиц. Существует два типа: оптические и масс-спектрометры.

Оптический спектрометр

Оптический спектрометр (или просто «спектрометр») разделяет белый свет и измеряет отдельные узкие полосы цвета (спектр). Он показывает интенсивность света как функцию длины волны или частоты; отклонение создаётся преломлением в призме или дифракцией в дифракционной решётке. Оптические спектрометры используют концепцию оптической дисперсии — и поскольку каждый элемент в образце оставляет уникальный спектральный след, спектральный анализ может определить состав образца. Оптические спектрометры широко применяются в астрономии, металлургии, солнечной энергетике и полупроводниковой промышленности.

Масс-спектрометр

Масс-спектрометр измеряет спектр масс атомов или молекул, присутствующих в твёрдом, жидком или газообразном веществе. Он достигает этого, измеряя отношение масса/заряд и изобилие газофазных ионов. Масс-спектрометры используются в фармацевтической науке, биотехнологии и геологии.

Зачем нужна спектрометрия?

Спектроскопические методы находятся на передовых позициях во многих технических областях. Спектрометрия необходима для своей роли в НИОКР, а также для практического анализа материалов в различных отраслях. Наука и технологии всегда опирались на спектрометрию — от ранних исследований до передовых технологий, питания современных исследований.

Радиочастотная спектроскопия привела к магнитно-резонансной томографии (МРТ) — прорывному медицинскому прибору для визуализации мягких тканей. Радио- и рентгеновская спектроскопия открыли путь к астрономическим исследованиям далеких звёзд и межгалактических молекул. Оптическая спектроскопия рутинно применяется в промышленности и экологии для идентификации химического состава вещества. Без этого применения в спектрометрии не существовало бы современных быстрых и эффективных методов идентификации сплавов и инспекции материалов.

Оптическая эмиссионная спектроскопия

Оптическая эмиссионная спектроскопия (ОЭС) — распространённый метод спектроскопии для определения элементного состава твёрдых металлических проб. Она широко используется в литейных цехах и на металлургических заводах, так как позволяет анализировать широкий спектр элементов с высокой точностью. Образцы металлов для ОЭС могут быть взяты из расплава в первичном и вторичном металлопроизводстве, или из обработанных металлов: прутков, листов, проволоки, болтов.

Как работает оптическая эмиссионная спектроскопия?

ОЭС обеспечивает количественный анализ с помощью трёх ключевых компонентов: источника электричества, оптической системы и компьютерной системы.

1) Источник электричества

Для возбуждения атомов в активное состояние в металлической пробе нужен электрический источник. Небольшая часть пробы нагревается до тысяч градусов Цельсия высоковольтным источником в спектрометре через электрод. Электрический разряд возникает из-за разности потенциалов между электродом и пробой. Этот разряд нагревает и испаряет поверхность пробы.

В процессе активированные атомы производят эмиссионные линии, уникальные для каждого элемента. Существует два типа электрических разрядов: электрическая дуга или искра. Дуга даёт непрерывный разряд, подобно молнии. Искра — это внезапный разряд, кратковременная вспышка света, часто сопровождаемая характерным щелчком.

2) Оптическая система

Оптическая система передаёт эмиссионные линии от испарившейся пробы (плазмы) в спектрометр. Дифракционная решётка в спектрометре разделяет входящий свет на элементоспецифические длины волн. Интенсивность света каждой длины волны измеряется соответствующим детектором. Интенсивность пропорциональна концентрации элемента в исследуемом металле. Поскольку каждый элемент излучает специфический набор длин волн, основанный на своей электронной структуре, элементный состав определяется по этим длинам волн.

3) Компьютерная система

Наконец, компьютерная система обрабатывает данные. Измеренные интенсивности обрабатываются через предопределённую калибровку для получения элементных концентраций. Современные технологии усовершенствовали интерфейс, выдавая чёткие результаты с минимальным вмешательством оператора.

ОЭС удобна и широко принята в металлургии. Несмотря на популярность, у неё есть ограничения: незначительное повреждение поверхности пробы и необходимость постоянного обслуживания.

ОПТИЧЕСКАЯ ЭМИССИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
Преимущества
Недостатки

• Быстрое количественное определение элементов (обычно менее минуты).
• Низкие капитальные и эксплуатационные затраты.
• Простая подготовка пробы.
• Быстрый анализ углерода, азота, кислорода, фосфора и серы в стали.
• Расчёт углерода (%) в нержавеющих или низколегированных сталях.
• Различение нержавеющих сталей 304/316 и 304L/316L.
• Предоставление входных данных для расчёта углеродного эквивалента.

• Не полностью «неразрушающая» (возможно незначительное повреждение поверхности).
• Нельзя тестировать мелкие детали (меньше монеты в 10 центов).
• Сложно тестировать в тесных пространствах.
• Требует постоянной калибровки и обслуживания.
• Может потребоваться регулярная третьесторонняя сертификация результатов.

Спектрометры в литейных цехах

Оптическая эмиссионная спектроскопия применима к широкому спектру материалов — от чистых металлов до сплавов. Литейные цеха, а также авиационная, автомобильная и бытовая промышленность получают выгоду от спектрометров для процессного и качественного контроля.

Спектрометры часто являются инструментом выбора для анализа литейных металлов, так как требуют минимального вмешательства операторов при инспекции, контроле качества и идентификации сплавов. Существуют стационарные и портативные версии, обе с высокой точностью. Требуются регулярная калибровка и обслуживание, а также часто третьесторонняя сертификация результатов для сохранения их валидности. Спектрометры позволяют анализ металлов на всём жизненном цикле: от производства и обработки до утилизации на перерабатывающих заводах.