Rozwój i zastosowanie metali i ich materiałów kompozytowych często wymaga skutecznej kontroli i dokładnego oznaczania zawartości węgla i siarki. Węgiel w materiałach metalowych występuje głównie w postaci wolnego węgla, węgla w roztworze stałym i węgla związanego, a także węgla gazowego, nawęglającego i powlekanego węgla organicznego do ochrony powierzchni.
Obecnie metody analizy zawartości węgla w metalach obejmują głównie metodę spalania, spektrometrię emisyjną, metodę wolumetryczną gazów, metodę miareczkowania roztworów niewodnych, metodę absorpcji w podczerwieni oraz chromatografię. Ponieważ każda metoda pomiarowa ma określony zakres zastosowania, a na wyniki pomiarów wpływa wiele czynników, takich jak forma węgla, czy węgiel może zostać całkowicie uwolniony podczas utleniania, wartość ślepa itp., ta sama metoda ma pewien stopień dokładności w różnych sytuacjach. różnica. W artykule przedstawiono aktualne metody analizy, obróbkę próbek, stosowane instrumenty oraz obszary zastosowań węgla w metalach.
1. Metoda absorpcji w podczerwieni
Metoda absorpcji spalania w podczerwieni, opracowana w oparciu o metodę absorpcji w podczerwieni, jest specjalną metodą do ilościowej analizy węgla (i siarki).
Zasadą jest spalenie próbki w strumieniu tlenu w celu wytworzenia CO2. Pod pewnym ciśnieniem energia promieni podczerwonych pochłaniających CO2 jest proporcjonalna do jego stężenia. Dlatego zmiana energii gazu CO2 przepływającego przez absorber podczerwieni może być obliczona w celu obliczenia ilości węgla.
zdjęcie
Zasada metody absorpcji w podczerwieni
W ostatnich latach technologia analizy gazów w podczerwieni szybko się rozwinęła, a także szybko pojawiły się różne instrumenty analityczne wykorzystujące indukcyjne ogrzewanie o wysokiej częstotliwości i zasady absorpcji widma w podczerwieni. Przy oznaczaniu węgla i siarki metodą absorpcji w podczerwieni przy spalaniu o wysokiej częstotliwości należy zasadniczo wziąć pod uwagę następujące czynniki: suchość próbki, indukcyjność elektromagnetyczna, rozmiar geometryczny, rozmiar próbki, rodzaj, proporcje, kolejność dodawania i ilość strumienia, ustawienie pustej wartości itp.
Zaletą tej metody jest dokładna ocena ilościowa i mniej elementów zakłócających. Jest odpowiedni dla użytkowników, którzy mają wysokie wymagania co do dokładności zawartości węgla i mają wystarczająco dużo czasu na testowanie w produkcji.
2. Spektroskopia emisyjna
Kiedy element jest wzbudzany przez ciepło lub elektryczność, przechodzi ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego, a stan wzbudzony spontanicznie powraca do stanu podstawowego. W procesie powrotu ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego charakterystyczne linie widmowe każdego pierwiastka zostaną uwolnione, a zawartość można określić na podstawie intensywności charakterystycznych linii widmowych.
zdjęcie
Zasada działania spektrometru emisyjnego
W przemyśle hutniczym, ze względu na pilność produkcji, konieczna jest analiza zawartości wszystkich głównych pierwiastków w wodzie paleniskowej w krótkim czasie, a nie tylko zawartości węgla. Spektrometry emisyjne z bezpośrednim odczytem iskry stały się pierwszym wyborem w branży ze względu na ich zdolność do szybkiego uzyskiwania stabilnych wyników. Metoda ta ma jednak określone wymagania dotyczące przygotowania próbki.
Na przykład podczas analizy próbek żeliwa za pomocą spektrometrii iskrowej wymagane jest, aby węgiel na analizowanej powierzchni występował w postaci węglików i nie może być wolnego grafitu, w przeciwnym razie wyniki analizy zostaną zafałszowane. Niektórzy użytkownicy wykorzystują właściwości szybkiego schładzania i wybielania próbek cienkich warstw, a po uformowaniu próbek w cienkie warstwy zawartość węgla w żeliwie jest określana za pomocą analizy spektroskopii iskier.
Podczas analizy próbek liniowych ze stali węglowej za pomocą spektrometrii iskrowej próbki muszą być przetwarzane ściśle, a próbki powinny być umieszczane na stojaku do iskier „pionowo” lub „płasko” z małymi uchwytami do analizy próbek w celu poprawy precyzji analizy.
3. Metoda rentgenowska z dyspersją długości fali
Analizatory rentgenowskie z dyspersją długości fali mogą szybko i jednocześnie oznaczać wiele pierwiastków.
zdjęcie
Zasada działania spektrometru fluorescencji rentgenowskiej z dyspersją długości fali
Pod wpływem promieniowania rentgenowskiego elektrony w warstwie wewnętrznej mierzonych atomów pierwiastków przechodzą przemiany poziomów energetycznych i emitują wtórne promieniowanie rentgenowskie (tzw. fluorescencję rentgenowską). Spektrometr fluorescencji rentgenowskiej z dyspersją długości fali (WDXRF) wykorzystuje kryształ do rozszczepienia światła, a następnie detektor odbiera charakterystyczny ugięty sygnał rentgenowski. Jeśli kryształ spektroskopowy i detektor poruszają się synchronicznie i stale zmieniają kąt dyfrakcji, można uzyskać długość fali charakterystycznych promieni rentgenowskich wytwarzanych przez różne pierwiastki w próbce oraz intensywność promieni rentgenowskich o każdej długości fali, a także przeprowadzić analizę jakościową i ilościową można odpowiednio przeprowadzić. . Instrument ten został wyprodukowany w latach pięćdziesiątych XX wieku i przyciągnął uwagę, ponieważ może jednocześnie mierzyć wiele elementów w złożonych systemach. Szczególnie w dziale geologicznym instrument ten był sukcesywnie wyposażany, a szybkość analiz znacznie się poprawiła, co odegrało ważną rolę.
Jednak ze względu na dużą długość fali charakterystycznego promieniowania węgla pierwiastkowego lekkiego i niską wydajność fluorescencji, w ciężkich materiałach osnowy, takich jak stal, absorpcja i tłumienie charakterystycznego promieniowania węgla przez osnowę jest bardzo duża itp., co często powodują pewne problemy w analizie XRF węgla. trudność. Ponadto, podczas pomiaru węgla w stali za pomocą przyrządu do fluorescencji rentgenowskiej, jeśli szlifowana powierzchnia próbki jest mierzona w sposób ciągły 10 razy, można stwierdzić, że wartość zawartości węgla stale rośnie. Dlatego zastosowanie tej metody nie jest tak obszerne jak dwóch pierwszych.
4. Metoda miareczkowania roztworów niewodnych
Miareczkowanie niewodne to metoda przeprowadzania miareczkowania w rozpuszczalniku niewodnym. Dzięki tej metodzie pewne słabe kwasy i słabe zasady, których nie można miareczkować w roztworze wodnym, można miareczkować po wybraniu odpowiedniego rozpuszczalnika w celu zwiększenia ich kwasowości i zasadowości. Kwas węglowy wytwarzany przez roztwór CO2 w wodzie ma słabą kwasowość i można go dokładnie miareczkować, wybierając różne odczynniki organiczne.
Poniżej przedstawiono powszechnie stosowaną bezwodną metodę miareczkowania:
① Próbka jest spalana w wysokiej temperaturze przez elektryczny piec do spalania łukowego dopasowany do analizatora węgla i siarki.
② Gazowy dwutlenek węgla uwalniany podczas spalania jest absorbowany przez roztwór etanolu i etanoloaminy, a dwutlenek węgla reaguje z etanoloaminą, tworząc stosunkowo stabilny kwas 2-hydroksyetyloaminokarboksylowy.
③ Miareczkowanie bezwodne przy użyciu KOH.
Odczynniki stosowane w tej metodzie są trujące, długotrwałe narażenie wpłynie na zdrowie ludzi i jest trudne w obsłudze, zwłaszcza gdy zawartość węgla jest wysoka, roztwór musi być ustawiony, a jeśli nie będziesz ostrożny, węgiel będzie działał daleko, a wynik będzie niski. Odczynniki stosowane w bezwodnej metodzie miareczkowania są w większości łatwopalne, a eksperyment wymaga ogrzewania w wysokiej temperaturze, więc operator musi mieć wystarczającą świadomość bezpieczeństwa.
5. Chromatografia
Detektor atomizacji płomienia sprzężony z chromatografią gazową, próbka jest podgrzewana w wodorze, a następnie wykrywane są uwolnione gazy (takie jak CH4 i CO) za pomocą detektora atomizacji płomienia - chromatografii gazowej. Niektórzy użytkownicy stosują tę metodę do badania śladowych ilości węgla w żelazie o wysokiej czystości, zawartość wynosi 4 ug/g, a czas analizy wynosi 50 minut.
Ta metoda jest odpowiednia dla użytkowników o wyjątkowo niskiej zawartości węgla i wysokich wymaganiach dotyczących wyników badań.
6. Metoda elektrochemiczna
Użytkownik wprowadził wykorzystanie analizy potencjometrycznej do określenia niskiej zawartości węgla w stopie: po utlenieniu próbki żelaza w piecu indukcyjnym, do analizy i pomiaru produktów gazowych użyto elektrochemicznej celi stężenia złożonej ze stałego elektrolitu węglanu potasu, określając w ten sposób stężenie węgla. Metoda jest szczególnie odpowiednia do oznaczania bardzo niskich stężeń węgla, a precyzję i czułość analizy można kontrolować poprzez zmianę składu gazu referencyjnego i szybkości utleniania próbki.
Praktyczne zastosowanie tej metody jest rzadkie, a większość z nich pozostaje w fazie badań eksperymentalnych.
7. Metoda analizy on-line
Podczas rafinacji stali często konieczna jest kontrola zawartości węgla w stopionej stali w piecu próżniowym w czasie rzeczywistym. Naukowcy z branży metalurgicznej przedstawili przykład szacowania stężenia węgla za pomocą informacji o spalinach: wykorzystanie zużycia tlenu w pojemniku próżniowym podczas procesu odwęglania próżniowego, stężeń i prędkości przepływu tlenu i argonu do oszacowania zawartości węgla w stopionej stali.
Są też użytkownicy, którzy opracowali metodę szybkiego pomiaru śladowych ilości węgla w roztopionej stali oraz powiązanych przyrządach i urządzeniach: gaz nośny jest wdmuchiwany do roztopionej stali, a zawartość węgla w roztopionej stali jest szacowana na podstawie utlenionego węgla w nośniku gaz.
Podobne metody analizy online są odpowiednie do zarządzania jakością i kontroli wydajności w procesie produkcji stali.
