آنالیز کربن در فولاد با تکنولوژی پیشرفته LIBS

اهمیت آنالیز کربن در فولاد با طیف سنجی LIBS

کربن به عنوان عنصر اصلی آلیاژی در فولاد، نقش تعیین‌کننده‌ای در خواص مکانیکی آن ایفا می‌کند. میزان کربن موجود در فولاد، به طور مستقیم بر سختی، استحکام، چقرمگی و قابلیت شکل‌پذیری آن تأثیر می‌گذارد. با تعیین دقیق درصد کربن، می‌توان خواص مورد نظر را در فولاد ایجاد کرده و کاربردهای مختلف آن را بهینه نمود. به عبارت دیگر، آنالیز کربن تضمین‌کننده کیفیت و عملکرد مطلوب محصولات فولادی است. از این رو، آنالیز دقیق کربن در فرآیند تولید فولاد از اهمیت بالایی برخوردار است.
طیف‌ سنجی فروشکست القایی لیزری (LIBS) روشی نوین و قدرتمند برای آنالیز عنصری مواد مختلف است. در این روش با تاباندن پالس لیزر به نمونه، پلاسمایی ایجاد می‌شود که طیف نشری آن حاوی اطلاعات دقیقی از عناصر تشکیل‌دهنده نمونه است. سرعت بالا، عدم نیاز به آماده‌سازی پیچیده نمونه، قابلیت آنالیز مستقیم در محل و پوشش گسترده عناصر قابل تشخیص، از جمله مزایای این روش نسبت به روش‌های سنتی هستند. سیستم آنالیز عنصری LIBS به عنوان یک ابزار آنالیزی ارزشمند در صنایع مختلف، از جمله صنعت فولاد به کار گرفته می‌شود. به عنوان مثال، دسته بندی انواع فولاد به کمک طیف سنجی LIBS یک نمونه از این کاربردها است. یکی دیگر از مهمترین کاربردهای LIBS در صنعت فولاد، امکان شناسایی و اندازه‌گیری سریع و دقیق کربن در فولاد است. این روش به دلیل حساسیت بالا به خطوط طیفی کربن و قابلیت آنالیز آنلاین، برای خطوط تولید و کنترل کیفیت ایده‌آل است. همچنین، LIBS با حذف نیاز به آماده‌سازی پیچیده نمونه و توانایی اندازه‌گیری در شرایط دمای بالا، فرآیند آنالیز را ساده‌تر و کارآمدتر می‌کند. این ویژگی‌ها، سیستم LIBS را به ابزاری قدرتمند برای بهینه‌سازی تولید فولاد و تضمین پایداری خواص آلیاژ تبدیل کرده است.

اگر برای خرید سیستم آنالیز عنصری LIBS، به مشاوره یا اطلاعات دقیق‌تر نیاز دارید، می‌توانید همین حالا با ما تماس بگیرید.

آنالیز کربن در فولادهای ضد زنگ و کربنی

برای درک بهتر، در ادامه روشی برای آنالیز مقدار کربن در فولادهای ضد زنگ و کربنی با استفاده از تکنیک طیف‌سنجی فروشکست القایی لیزری (LIBS) ارائه شده است. این روش قادر به آنالیز پرسرعت محتوای کربن در آلیاژها است. در فرآیند اندازه‌گیری از یک لیزر پالس کوتاه با طول موج ۱۰۶۴ نانومتری با توان ۱۰ میلی‌ژول بر پالس و فرکانس تکرار ۵۰ هرتز استفاده می‌شود. سیستم طیف سنجی در این کاربرد به گونه‌ای طراحی شده است که محدوده ۱۷۰ تا ۹۲۰ نانومتر را پوشش می‌دهد. این طیف سنج با رزولوشن (۰/۰۱ نانومتر FWHM) برای این اندازه‌گیری ستاپ شده است.
سیستم لیبز برای اندازه‌گیری عناصر و موارد زیر در کاربرد‌های فولادی توانمندی بالایی دارد:

• پایه فولاد ضد زنگ، کربن و عناصر دیگر Si،Al ،Ti ،V ،Cr ،Mn ،Fe ،Co ،Ni ،Cu ،Nb ،Mo ،Se ،W.
• آلیاژهای پایه آهن برای عناصر شامل Si ،Al ،Ti ،V ،Cr ،Mn ،Fe ،Co ،Ni ،Cu ،Nb ،Mo ،W ،Pb.
• کالیبراسیون کربن از صفر تا یک درصد. همچنین کاربر می‌تواند محدوده کالیبراسیون را گسترش دهد یا کالیبراسیون‌های با درصد بیشتر را برای مثال برای چدن‌ ایجاد کند.
• اعمال فرمول‌های (Carbon Equivalent (CE، نسبت‌های Mn:C و مجموع عناصر باقیمانده.
  همچنین، اپراتور دستگاه لیبز می‌تواند به صورت اختیاری پایه‌های کالیبراسیون اضافی مانند Ni ،Ti ،Al ،Cu ،Co و سایر موارد را در هر زمان تهیه نموده و به نرم افزار دستگاه اضافه کند.

داده‌های آنالیز کربن به وسیله لیبز، بر روی فولادهای ضد زنگ و فولادهای آلیاژی در ادامه ارائه شده است. زمان‌های تست عنصری لیبز در حدود چند ثانیه است. به‌طور کلی برای فولادهای کربنی تا ۰/۱ درصد کربن، زمان تست چند ثانیه‌ای کافی است. روش آنالیز نیاز به آماده‌سازی نمونه با پولیش دارد. پس از آن آزمایش با لیبز انجام می‌شود. برای این منظور، از یک پولیشر دستی با سرعت کار ۵۰۰۰ دور در دقیقه با حداقل ۵۰ گریت Al_۲O_۳ یا ZrO_۲ استفاده شده است. برای هر آزمایش، لیزر به شش مکان مختلف روی ماده آلیاژی کانونی می‌شود و نرم افزار هر یک از شش مکان را در تبدیلات آماری خود لحاظ می‌کند و در نهایت یک مقدار را گزارش می‌دهد. این فرآیند حدود ۳ ثانیه طول می‌کشد. هدف از شش آزمایش، میانگین کردن هر حوزه ناهمگنی محلی در ترکیب آلیاژ است.

داده‌های کالیبراسیون و دقت برای مواد پایه فولاد ضد زنگ

● کالیبراسیون برای فولاد ضد زنگ گرید L

کالیبراسیون استاندارد فولاد ضد زنگ در حال حاضر با انواع مختلف استانداردهای ۳۰۴، ۳۰۴L ،۳۱۶ ،۳۱۶L ،۳۱۶H ،۳۴۷ و ۳۱۷L با غلظت‌های کربن تا ۰/۱۵ درصد کربن انجام می‌شود. یک منحنی کالیبراسیون برای این منظور در شکل ۲ نشان داده شده است. آزمایشگر می‌تواند در صورت تمایل ماتریس کالیبراسیون را برای پایه‌های مختلف توسعه دهد یا کالیبراسیون‌های نوع خاصی همچون فولاد ضد زنگ نیکل بالا مانند ۲۸۶A و ۹۰۴L را برای اندازه‌گیری ایجاد نماید.

این داده برای کالیبراسیون کربن جهت جداسازی گریدهای L و H با توجه به استاندارد جهانی قابل قبول است. برای مواد با محتوای کربن بسیار نزدیک به مقدار آستانه ۰/۰۳ درصد نیز، می‌توان مجددا کالیبراسیون را انجام داد. شکل ۳، مقادیر عنصری در چند تست لیبز را نشان می‌دهد.

● داده‌های تکرارپذیری برای گریدهای L و مستقیم

یک آزمایش برای تکرارپذیری و بازتولید (r & R) نتایج در تست‌های لیبز با استفاده از چندین آنالیزور و اپراتور، بر روی طیف وسیعی از فولادهای ضد زنگ و کربنی انجام شده است. برای این مطالعه، “r” به معنای تکرارپذیری با همان آنالیزور و “R” به معنای بازتولید نتایج با اپراتورها و آنالیزورهای مختلف است. مقادیر دقت برای تکرارها بر روی یک دستگاه و تکرارها توسط اپراتورها و آنالیزورهای مختلف در جدول ۲ نشان داده شده است. کالیبراسیون استاندارد فولاد ضد زنگ/کربن برای این نتایج استفاده شده است. این جدول بخشی از داده‌های تکرارپذیری و قابلیت بازتولید نتایج (“r & R”) را برای مواد گرید ۳۱۶L و ۳۴۷H نشان می‌دهد. آنالیزور استفاده شده توسط اپراتور A متفاوت است، که در آن حد تشخیص ۰/۰۱۰ درصد کربن است. سه خط پایین جدول میانگین، انحراف استاندارد و انحراف استاندارد نسبی را نشان می‌دهند.

داده‌های کالیبراسیون و دقت برای فولادهای کربنی

● کالیبراسیون جهانی کربن و زمان استفاده از آن

کالیبراسیون استاندارد کربن، زمان استفاده در پایه آهن در شکل ۴ نشان داده شده است. این منحنی طیف وسیعی از فولادهای مختلف از جمله فولادهای کربنی ۱۰XX و ۱۱۱۷، فولادهای کم آلیاژی از جمله ۴۱XX ،۴۳۴۰ ،۴۶۲۰ ،۴۸۲۰ ،۸۶۲۰، برخی از فولادهای Cr-Mo و چندین گرید فولادی دیگر را پوشش می‌دهد. این روش یک انتخاب عالی برای تفکیک فولادهای کربنی مثل ۴۱۳۰ از ۴۱۴۰ یا ۱۰۱۰ از ۱۰۲۰ است که به اندازه ۰/۱ درصد کربن یا بیشتر متفاوت هستند.

● کالیبراسیون نوع‌های فولاد کربنی و زمان استفاده از آن

برای مرتب‌سازی دقیق‌تر فولادهای کربنی بهتر است منحنی کالیبراسیون و محدوده آن را به خانواده‌ای از آلیاژها که فولادهای مورد نظر را در بر می‌گیرند محدود کنید. این روش برای فولادهایی استفاده می‌شود که به اندازه ۰/۰۵ درصد یا کمتر در کربن متفاوت هستند.
به عنوان مثال برای جدا کردن یک سری فولادهای کربنی مانند ۱۰۱۰، ۱۰۱۵ و ۱۰۲۰، منحنی کالیبراسیون کلی را با در نظر گرفتن فولادهای کربنی که در این محدوده غلظت هستند اصلاح می‌کنیم. نتایج برای همان منحنی کلی، محدود شده به فولادهای کربنی تا ۰/۵ درصد در شکل ۵ نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می‌کنید، این منحنی جداسازی قابل اعتمادی از این فولادهای کربنی را ارائه می‌دهد.

● داده‌های دقت تست مواد مورد استفاده در خطوط لوله

مطالعه r & R که پیش‌تر توضیح داده شد، برای برخی از آلیاژهای رایج خط لوله نیز در چند تست مورد بررسی قرار گرفت. اندازه‌گیری‌ها با آزمایش‌های تکرار شونده در طول چند ساعت انجام شده است. هدف در اینجا این بود که هر گونه انحرافی از تغییرات دما در آنالیزور بدون انجام تصحیح انحراف، در نتایج گنجانده شود. نتایج با کالیبراسیون‌های کربن به دست آمده است و بایاس‌های کوچک را توضیح می‌دهد.
یادآوری می‌کنیم در این تست‌ها کالیبراسیون کربن انجام شده، فولادهای کربنی، طیف وسیعی از فولادهای کم آلیاژ و همچنین فولادهای Cr-Mo تا ۵ درصد Cr و ۱ درصد Mo را پوشش می‌دهد. این نتایج با دو اپراتور برای یک فولاد API 5L و ۱۰۱۸ در جدول ۳ نشان داده شده است. این جدول محتوای کربن و عدد CE را نشان می‌دهد که CE با استفاده از فرمول AWS محاسبه شده است. سایر عناصر تشکیل دهنده CE شامل Mn، Si، Cr، Mo، V، Cu و Ni نیز اندازه‌گیری شده‌اند.

دقت کربن و CE هر دو در محدوده خوبی هستند. اندازه‌گیری کربن برای فولاد خط لوله برای هر دو مجموعه حدود ۰/۱ درصد است که با دقتی بهتر از ۰/۰۱ درصد است.

نتیجه گیری و مقایسه روش کوانتومتری و LIBS در آنالیز کربن

۱. اصل عملکرد و دقت: کوانتومتری بر اساس تحلیل طیف نشر نوری حاصل از یک تخلیه جرقه‌ای (Spark Discharge) در نمونه جامد کار می‌کند. این روش دقت خوبی دارد و برای عنصری از جمله کربن، قابل اعتماد است. از سوی دیگر، LIBS (طیف‌سنجی نشر لیزری) با استفاده از پالس لیزر پرانرژی برای ایجاد پلاسما در سطح نمونه و تحلیل طیف نشر آن عمل می‌کند. دقت LIBS در آنالیز کربن نیز بالاست. همچنین به دلیل قابلیت تحلیل سریع و بدون نیاز به آماده‌سازی پیچیده نمونه، جایگاه ویژه‌‌تری نسبت به کوانتومتری دارد.
۲. کاربردها و انعطاف‌پذیری: کوانتومتری عمدتا برای آنالیز مواد فلزی در محیط‌های آزمایشگاهی و صنعتی ثابت به‌کار می‌رود و نیاز به تجهیزات تخصصی و محیط کنترل‌شده دارد. در مقابل، LIBS انعطاف بیشتری داشته و علاوه بر مواد فلزی، برای مواد غیر فلزی و در شرایط آنلاین و میدانی نیز کاربرد دارد. این ویژگی، LIBS را برای پایش مواد اولیه در صنایع فولاد و معدن ایده‌آل می‌سازد.
۳. هزینه و نگهداری: کوانتومتری به تجهیزات گران‌قیمت و هزینه‌های نگهداری بالا نیاز دارد، اما برای کاربردهای دقیق و درازمدت مقرون‌به‌صرفه‌تر است. LIBS از نظر هزینه اولیه متنوع است و بسته به نوع دستگاه و کاربرد، می‌تواند گزینه اقتصادی‌تری باشد. علاوه بر این، عدم نیاز به مواد مصرفی خاص در LIBS، هزینه‌های جاری را کاهش می‌دهد.
در مجموع، انتخاب بین این دو روش به نیازهای خاص کاربردی، دقت مورد انتظار، شرایط محیطی، و بودجه اختصاص داده شده بستگی دارد. اگر در حوزه فولاد و صنایع فلزی فعالیت دارید، حتما به دنبال یک سیستم آنالیزی قدرتمند هستید. برای دریافت مشاوره تخصصی رایگان و معرفی سیستم‌های LIBS مختلف متناسب با نیازتان، تنها کافی است با کارشناسان شرکت تکسان در تماس باشید.