Instrumentanalyse van staal, slakken en grondstoffen

Instrumentanalyse van staal, slak en grondstoffen

Instrumentanalyse wordt veel gebruikt voor de kwalitatieve en kwantitatieve elementaire analyse van grondstoffen, ijzer (heet metaal), staal, slakken, vuurvaste materialen en slibmonsters. Vergeleken met de natte analyse is het voordeel van instrumentanalyse dat het kosteneffectief en multi-elementair is, naast dat het erg snel is. De zorgen die worden veroorzaakt door storende elementen in de natchemische analyse worden geëlimineerd. Instrumentanalyse vermijdt de noodzaak om meerdere uren op bepaalde elementen te wachten, wat een noodzaak is wanneer de natchemische methoden worden gebruikt.

Bovendien biedt instrumentanalyse een vrij uniforme detectielimiet voor een grote lijst van elementen of verbindingen en is toepasbaar op een breed scala aan concentraties, variërend van 100 % tot enkele delen per miljoen (ppm). De instrumentele methoden zijn reproduceerbaar met een kleinere omvang van menselijke fouten vanwege minder menselijk ingrijpen. Ze zijn robuust, betrouwbaar en nauwkeurig, waarbij de nauwkeurigheid afhangt van de kalibratie en de normen die voor de kalibratie worden gebruikt.

De analyse van staal, slakken en grondstoffen is belangrijk en essentieel, niet alleen tijdens het staalproductieproces voor controledoeleinden, maar ook voor het grote aantal monsters dat voor verschillende andere doeleinden moet worden geanalyseerd. De informatie uit een analyse is bruikbaar voor verschillende doeleinden, zoals de inspectie van grondstoffen, tussenproduct en eindproduct, milieubeoordeling, procesbeheersing, storingsanalyse, kwaliteitscontrole van de producten en ten behoeve van onderzoek en ontwikkeling.

Geschiedenis

Terwijl de spectrograaf al geruime tijd in andere gebieden werd gebruikt, werd het eerste instrument dat met succes werd gebruikt voor het beheersen van het smelten van ijzer, in 1935 in een gieterij geïnstalleerd. In 1943 werd in het Timken-laboratorium een ​​Baird-spectrograaf geïnstalleerd voor de analyse van tests van de smelterij. Dit instrument was uitgerust met een brandpuntsafstand van drie meter Wood's rooster, geregeerd 15.000 lijnen per inch, geplaatst in een adelaarsmontage. Monsters voor spectrografische analyse worden gegoten in de vorm van staafjes met een diameter van 5,5 mm, door het vloeibare metaal in een mal te gieten of op te zuigen in een glazen buis. De gegoten pinnen worden door een pneumatisch buistransportsysteem naar het laboratorium gestuurd, waar ze zorgvuldig worden geslepen tot een punt van 140 graden ingesloten hoek en in de elektrodehouders worden geplaatst. Stroom van een hoogspanningsboog of vonkbron wordt toegepast en spectraallijnen van het uitgestraalde licht worden gefotografeerd op Eastman spectrumanalyse nummer 1 platen. De plaat wordt vervolgens ontwikkeld, gewassen, gedroogd en afgekoeld tot kamertemperatuur in een donkere kamer. De dichtheid van de lijn voor het benodigde element wordt afgelezen op een densitometer en berekend tot procenten, waarna het per teautograaf wordt gerapporteerd aan de ovenbediener.

Verdere ontwikkeling in instrumentanalyse was de direct afleesspectrometer. In dit instrument is het fotografische podium volledig vervangen door gevoelige elektronenvermenigvuldigingsbuizen, die het uitgestraalde licht op de verschillende golflengten oppikken en dit als percentage rapporteren op gekalibreerde wijzerplaten binnen 35 seconden nadat een monster in de elektrodehouders is geplaatst. Het gebruik van fotobuizen elimineerde alle mogelijke fouten in verband met platen of film, de ontwikkeling en verwerking in de donkere kamer, densitometermetingen en rekenborden. De eerste spectrometer met directe uitlezing werd in mei 1947 in het controlelaboratorium van Timken geïnstalleerd en was het eerste instrument van dit type dat in de staalindustrie werd gebruikt.

Verdere ontwikkeling vond plaats in de instrumentanalyse en de verschillende soorten instrumentanalyse die momenteel in gebruik zijn, worden hieronder beschreven.

Spark-atomaire emissiespectrometrie (AES)

Atoomemissiespectroscopie is een methode voor chemische analyse waarbij de intensiteit van het licht dat wordt uitgestraald door een vonk bij een bepaalde golflengte wordt gebruikt om de hoeveelheid van een element in een monster te bepalen. De golflengte van de atomaire spectraallijn geeft de identiteit van het element, terwijl de intensiteit van het uitgestraalde licht evenredig is met het aantal atomen van het element.

Spark-atomaire emissiespectroscopie wordt gebruikt voor de analyse van metalen elementen in vaste monsters. Voor niet-geleidende materialen wordt het monster gemalen met grafietpoeder om het geleidend te maken. Bij traditionele boogspectroscopiemethoden wordt een monster van de vaste stof normaal gesproken vermalen en vernietigd tijdens analyse. Een elektrische boog of vonk wordt door het monster geleid en het tot een hoge temperatuur verwarmd om de atomen erin te prikkelen. De aangeslagen atomen zenden licht uit met karakteristieke golflengten die met een monochromator kunnen worden verspreid en gedetecteerd. De vonkbron met gecontroleerde ontlading is bedoeld voor kwantitatieve analyse. Zowel kwalitatieve als kwantitatieve vonkanalyses door middel van vonkatoomemissiespectrometrie worden veel gebruikt voor kwaliteitscontrole in staalfabrieken.

AES kan tot 64 elementen tegelijk bepalen in minder dan 20 seconden. De beperking van deze techniek is dat het instrument geen gassen in staal (zuurstof, stikstof en waterstof) kan analyseren. Hoewel sommige moderne instrumenten stikstofanalyse bieden, liggen de reproduceerbaarheids- en detectielimieten onder de verwachtingen van de staalproducenten.

Röntgenfluorescentie (XRF) spectrometrie

Deze spectrometer kan zowel metalen als niet-metalen monsters analyseren. Daarom wordt het veel gebruikt voor de analyse van metalen, slakken, grondstoffen en vuurvaste monsters. Het werkt volgens het volgende principe (getoond in figuur 1).

Wanneer een monster wordt bestraald met röntgenstralen uit een röntgenbuis, genereren de atomen in het monster unieke röntgenstralen die door het monster worden uitgezonden. Dergelijke röntgenstralen staan ​​bekend als 'fluorescerende röntgenstralen' en ze hebben een unieke golflengte en energie die kenmerkend is voor elk element dat ze genereert. Bijgevolg kan kwalitatieve analyse worden uitgevoerd door de golflengten van de röntgenstralen te onderzoeken. Aangezien de intensiteit van de fluorescerende röntgenstraling een functie is van de concentratie, is kwantitatieve analyse ook mogelijk door de hoeveelheid röntgenstraling te meten bij de golflengte die specifiek is voor elk element.

Fig 1 Principe van XRF-spectrometrie

Een röntgenstraal van de buis botst op het monster waar het interageert met een elektron uit een van de binnenschillen van het A-atoom. Het slaat het elektron uit zijn orbitaal. Dit laat een leegte achter die vervolgens onmiddellijk wordt gevuld door een elektron uit een buitenste schil. Dit elektron heeft een hogere energie dan het elektron dat het vervangt. De overtollige energie wordt uitgestoten in de vorm van een röntgenstraal met een golflengte die specifiek is voor het atoom van A. XRF-spectrometers zijn hoofdzakelijk van twee typen.

Energiedispersieve röntgenfluorescentie (EDXRF) spectrometer gebruikt een detector om het volledige spectrum direct te verwerken tot een energiedispersieve schaal. EDXRF-spectrometers bevatten een high-tech detector die gebruikmaakt van een Silicium Lithium (SiLi) drift-kristal dat wordt gekoeld bij lage temperatuur (-90 ° C). Dit kristal kan onderscheid maken tussen röntgenfotonen met verschillende energieën (energiedispersie). De detector pikt alle fotonen op die door het monster worden uitgezonden en de totale telsnelheid van de detector is ongeveer 50 kilotellingen per seconde en is vaak verzadigd. Specifieke filters worden meestal gebruikt om een ​​deel van het spectrum uit te filteren, b.v. de belangrijkste elementen. Secundaire doelen worden normaal gesproken gebruikt om slechts een deel van de elementen van het periodiek systeem beter te prikkelen.

SiLi-kristal van de detector absorbeert een binnenkomend röntgenfoton dat atomen ioniseert en elektronen (-) en gaten (+) paren produceert. De hoeveelheid elektron/gat-paren is evenredig met de energie van het röntgenfoton. Detectoruitgangspulsen worden versterkt, gedigitaliseerd en gesorteerd afhankelijk van hun grootte. Het is noodzakelijk om de detector af te koelen tot min 90 graden C.

Golflengte dispersieve röntgenfluorescentie (WDXRF) spectrometer gebruikt geschikte kristallen om het emissiespectrum te scheiden in discrete golflengten voordat ze worden gedetecteerd. Micro-röntgenfluorescentie dankt zijn naam aan het feit dat deze instrumenten zijn ontworpen om zeer kleine spotgroottes te analyseren. Bij totale reflectie-röntgenfluorescentie (TRXRF) wordt de excitatiebundel volledig gereflecteerd door het substraat en worden alleen deeltjes op het oppervlak geëxciteerd, wat aanleiding geeft tot röntgenfluorescentie-emissies. Op deze manier wordt de achtergrond die normaal gesproken wordt geassocieerd met XRF-metingen veel verminderd, wat leidt tot een hogere gevoeligheid en lagere detectielimieten.

Atomaire emissiespectrometrie met inductief gekoppeld plasma (ICP/AES)

Inductief gekoppelde plasma-atomaire emissiespectrometrie is een analytische techniek die wordt gebruikt voor de detectie van sporenelementen. Het gebruikt het inductief gekoppelde plasma om aangeslagen atomen en ionen te produceren die elektromagnetisch uitzenden op golflengten die kenmerkend zijn voor een bepaald element. De intensiteit van deze emissie is indicatief voor de concentratie van het element in het monster.

De ICP-AES bestaat uit twee delen, namelijk (i) de ICP en (ii) de optische spectrometer. De ICP-toorts bestaat uit 3 concentrische kwartsglazen buizen. De uitgang van de radiofrequentiegenerator (RF) omringt een deel van deze kwartsfakkel. Argon (Ar) gas wordt meestal gebruikt om het plasma te maken.

Het door RF gegenereerde en onderhouden Ar-plasma, waarvan delen zo heet zijn als 10.000 graden K, wekt de elektronen op. Het plasma wordt gebruikt om de elementen in het monster te vernevelen en te ioniseren. Wanneer de elektronen op een bepaalde ruimtelijke positie in het plasma terugkeren naar de grondtoestand, zenden ze energie uit bij de specifieke golflengten die eigen zijn aan de elementaire samenstelling van het monster. Licht dat door het plasma wordt uitgezonden, wordt door een lens gefocusseerd en door een ingangsspleet in de spectrometer geleid. Er zijn twee soorten spectrometers die worden gebruikt in ICP-AES-analyse, namelijk (i) sequentieel (monochromator) en (ii) gelijktijdig (polychromator).

Inductief gekoppelde plasma-massaspectrometrie (ICP-MS) is een zeer krachtig hulpmiddel voor elementanalyse van sporen (ppb, delen per miljard ppm) en ultrasporen (ppq, delen per quadrillion-ppb).

Atoomabsorptiespectrometrie (AAS)

Atoomabsorptiespectrometrie (AAS) is een analytische techniek die de concentraties van elementen meet. Atoomabsorptiespectrometrie wordt normaal gesproken gebruikt om de concentratie van meer dan 62 verschillende metalen in een oplossing te analyseren en is zo gevoelig dat het kan meten tot in delen per miljard gram in een monster. De techniek maakt gebruik van de golflengten van licht die specifiek door een element worden geabsorbeerd. Ze komen overeen met de energieën die nodig zijn om elektronen van het ene energieniveau naar het andere, hogere energieniveau te brengen.

Een atoomabsorptiespectrofotometer bestaat uit een lichtbron, een monstercompartiment en een detector. Bij deze methode wordt licht van een bron door het monster naar een detector geleid. De lichtbron is een lamp waarvan de kathode is samengesteld uit het te meten element. Elk element vereist een andere lamp.

De techniek maakt gebruik van absorptiespectrometrie om de concentratie van een analyt in een monster te beoordelen. Het vereist normen met een bekend analytgehalte om de relatie tussen de gemeten absorptie en de analytconcentratie vast te stellen en vertrouwt daarom op de wet van Beer Lambert die hieronder wordt uitgelegd.

A =eBC

Waar A de absorptie is [geen eenheden, aangezien A =log10 (Io / I1)], is e de molaire absorptie met eenheden van L mol¯¹ cm¯¹, B is de weglengte van het monster in centimeters – dat wil zeggen de optische weglengte, en C is de concentratie van de verbinding in oplossing, uitgedrukt in mol L¯¹.

Het diagram (Fig 2) toont een bundel monochromatische straling met stralingsvermogen I?, gericht op een monsteroplossing. Er vindt absorptie plaats en de stralingsbundel die het monster verlaat heeft stralingskracht I1.

Fig 2 diagram met monochromatische straling

Kortom, de elektronen van de atomen in de verstuiver kunnen gedurende korte tijd (nanoseconden) naar hogere orbitalen (aangeslagen toestand) worden gepromoveerd door een bepaalde hoeveelheid energie (straling van een bepaalde golflengte) te absorberen. Deze hoeveelheid energie, d.w.z. golflengte, is specifiek voor een bepaalde elektronenovergang in een bepaald element. In het algemeen komt elke golflengte overeen met slechts één element, en de breedte van een absorptielijn is slechts in de orde van enkele picometers (pm,10¹² m), wat de techniek zijn elementaire selectiviteit geeft. De stralingsflux zonder monster en met een monster in de verstuiver wordt gemeten met een detector en de verhouding tussen de twee waarden (de absorptie) wordt omgezet in analytconcentratie of massa met behulp van de wet van Beer-Lambert.