เจ็ดวิธีในการหาปริมาณคาร์บอนในเหล็กกล้า

การพัฒนาและการใช้โลหะและวัสดุผสมมักต้องการการควบคุมที่มีประสิทธิภาพและการวัดปริมาณคาร์บอนและกำมะถันที่แม่นยำ คาร์บอนในวัสดุโลหะส่วนใหญ่มีอยู่ในรูปของคาร์บอนอิสระ คาร์บอนที่เป็นสารละลายของแข็ง และคาร์บอนรวม รวมถึงคาร์บอนที่เป็นก๊าซและคาร์บูไรเซชันที่ป้องกันพื้นผิวและคาร์บอนอินทรีย์ที่เคลือบ

 

ในปัจจุบัน วิธีการหลักในการวิเคราะห์ปริมาณคาร์บอนในโลหะ ได้แก่ วิธีการเผาไหม้ วิธีสเปกโทรสโกปีแบบปล่อย วิธีวัดปริมาตรของก๊าซ การไทเทรตสารละลายที่ไม่มีน้ำ วิธีการดูดซับอินฟราเรด และโครมาโทกราฟี เนื่องจากการบังคับใช้วิธีการวัดแต่ละวิธีและอิทธิพลของปัจจัยหลายอย่างที่มีต่อผลการวัด เช่น การมีคาร์บอน คาร์บอนสามารถถูกปล่อยออกมาได้ทั้งหมดหรือไม่ในระหว่างการออกซิเดชัน ค่าว่าง เป็นต้น ความแม่นยำของวิธีการเดียวกันจึงแตกต่างกันไป สถานการณ์. บทความนี้สรุปวิธีการวิเคราะห์ปัจจุบัน การประมวลผลตัวอย่าง เครื่องมือที่ใช้ และสาขาการประยุกต์ใช้คาร์บอนในโลหะ

 

1. วิธีการดูดซับอินฟราเรด

วิธีการดูดซับอินฟราเรดแบบเผาไหม้ที่พัฒนาขึ้นจากวิธีการดูดซับอินฟราเรดเป็นของวิธีการเฉพาะสำหรับการวิเคราะห์เชิงปริมาณของคาร์บอน (และกำมะถัน)

หลักการคือการเผาตัวอย่างในกระแสออกซิเจนเพื่อสร้าง CO2 ภายใต้ความกดดันระดับหนึ่ง พลังงานที่ CO2 ดูดซับไว้ในรังสีอินฟราเรดจะแปรผันโดยตรงกับความเข้มข้นของมัน ดังนั้น ด้วยการวัดการเปลี่ยนแปลงพลังงานก่อนและหลังก๊าซ CO2 ไหลผ่านตัวดูดซับอินฟราเรด จึงสามารถคำนวณปริมาณคาร์บอนได้

 

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีการวิเคราะห์ก๊าซอินฟราเรดได้พัฒนาอย่างรวดเร็ว และเครื่องมือวิเคราะห์ต่างๆ ที่ใช้การเผาไหม้ด้วยความร้อนแบบเหนี่ยวนำความถี่สูงและหลักการดูดกลืนสเปกตรัมอินฟราเรดก็เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วเช่นกัน สำหรับการตรวจวัดคาร์บอนและกำมะถันโดยใช้วิธีการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดความถี่สูง โดยทั่วไปควรพิจารณาปัจจัยต่อไปนี้: ความแห้งของตัวอย่าง ความไวต่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ขนาดทางเรขาคณิต ขนาดตัวอย่าง ชนิด อัตราส่วน ลำดับการเติม และปริมาณของฟลักซ์ ช่องว่าง การตั้งค่า ฯลฯ

ข้อดีของวิธีนี้คือการวัดปริมาณที่แม่นยำและเงื่อนไขการรบกวนที่น้อยลง เหมาะสำหรับผู้ใช้ที่ต้องการความแม่นยำของปริมาณคาร์บอนสูงและมีเวลาเพียงพอสำหรับการทดสอบระหว่างการผลิต

 

2. การปล่อยสเปกโทรสโกปี

เมื่อองค์ประกอบถูกกระตุ้นด้วยความร้อนหรือไฟฟ้า มันจะเปลี่ยนจากสถานะพื้นเป็นสถานะกระตุ้น และสถานะกระตุ้นจะกลับสู่สถานะพื้นโดยธรรมชาติ ในกระบวนการกลับจากสถานะตื่นเต้นไปยังสถานะพื้น เส้นสเปกตรัมลักษณะเฉพาะของแต่ละองค์ประกอบจะถูกปลดปล่อยออกมา และเนื้อหาขององค์ประกอบเหล่านั้นสามารถกำหนดได้ตามความแข็งแกร่งของเส้นสเปกตรัมลักษณะเฉพาะ

 

ในอุตสาหกรรมโลหะวิทยา เนื่องจากความเร่งด่วนของการผลิต จึงจำเป็นต้องวิเคราะห์เนื้อหาขององค์ประกอบหลักทั้งหมดในน้ำจากเตาเผาในช่วงเวลาสั้นๆ ไม่ใช่แค่ปริมาณคาร์บอนเท่านั้น สเปกโตรมิเตอร์การปล่อยก๊าซเรือนกระจกแบบอ่านค่าโดยตรงแบบ Spark กลายเป็นตัวเลือกที่ต้องการในอุตสาหกรรมเนื่องจากความสามารถในการรับผลลัพธ์ที่เสถียรอย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้มีข้อกำหนดเฉพาะสำหรับการเตรียมตัวอย่าง

ตัวอย่างเช่น เมื่อวิเคราะห์ตัวอย่างเหล็กหล่อโดยใช้สเปกโทรสโกปีแบบสปาร์ค จำเป็นต้องวิเคราะห์คาร์บอนที่พื้นผิวในรูปของคาร์ไบด์ โดยไม่มีกราไฟต์อิสระ มิฉะนั้นจะส่งผลต่อผลการวิเคราะห์ ผู้ใช้บางรายใช้ประโยชน์จากลักษณะเฉพาะของการเย็นตัวอย่างรวดเร็วและการฟอกสีที่ดีของตัวอย่างบาง และหลังจากทำให้ตัวอย่างเป็นชิ้นบางๆ แล้ว ปริมาณคาร์บอนในเหล็กหล่อจะถูกกำหนดโดยการวิเคราะห์สเปกโทรสโกปีแบบจุดประกาย

เมื่อวิเคราะห์ตัวอย่างเชิงเส้นของเหล็กกล้าคาร์บอนโดยใช้สเปกโทรสโกปีแบบสปาร์ค จำเป็นต้องดำเนินการกับตัวอย่างอย่างเข้มงวดและใช้ฟิกซ์เจอร์วิเคราะห์ตัวอย่างขนาดเล็กเพื่อวาง "ตั้งตรง" หรือ "แบน" บนเวทีจุดประกายสำหรับการวิเคราะห์ เพื่อปรับปรุงความแม่นยำของ การวิเคราะห์.

 

3. วิธีการเอ็กซ์เรย์แบบกระจายความยาวคลื่น

เครื่องวิเคราะห์เอ็กซ์เรย์แบบกระจายความยาวคลื่นสามารถระบุองค์ประกอบต่างๆ ได้อย่างรวดเร็วและพร้อมกัน

ภายใต้การกระตุ้นด้วยรังสีเอกซ์ อิเล็กตรอนภายในของอะตอมของธาตุที่วัดได้จะผ่านการเปลี่ยนระดับพลังงานและปล่อยรังสีเอกซ์ทุติยภูมิ (เช่น การเรืองแสงของรังสีเอกซ์) เอ็กซ์เรย์ฟลูออเรสเซนซ์สเปกโตรมิเตอร์แบบกระจายความยาวคลื่น (WDXRF) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้คริสตัลเพื่อแยกแสง จากนั้นรับสัญญาณรังสีเอกซ์ที่มีลักษณะเฉพาะที่เลี้ยวเบนจากเครื่องตรวจจับ หากสเปกโทรสโกปีคริสตัลและตัวควบคุมเคลื่อนที่พร้อมกันและเปลี่ยนมุมเลี้ยวเบนอย่างต่อเนื่อง จะสามารถรับความยาวคลื่นและความเข้มของรังสีเอกซ์ที่มีลักษณะเฉพาะซึ่งเกิดจากองค์ประกอบต่างๆ ในตัวอย่าง ซึ่งสามารถใช้สำหรับการวิเคราะห์เชิงคุณภาพและเชิงปริมาณ เครื่องมือประเภทนี้ได้รับการพัฒนาในทศวรรษที่ 1950 และได้รับความสนใจเนื่องจากความสามารถในการกำหนดองค์ประกอบหลายส่วนพร้อมกันในระบบที่ซับซ้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแผนกธรณีวิทยา เครื่องมือนี้ได้รับการกำหนดค่าอย่างต่อเนื่อง ปรับปรุงความเร็วในการวิเคราะห์อย่างมีนัยสำคัญและมีบทบาทสำคัญ

อย่างไรก็ตาม คาร์บอนของธาตุเบามักจะก่อให้เกิดปัญหาบางอย่างในการวิเคราะห์ XRF ของคาร์บอน เนื่องจากความยาวคลื่นที่ยาวของรังสีลักษณะเฉพาะ ผลผลิตของการเรืองแสงต่ำ และการดูดซับและลดทอนของรังสีลักษณะเฉพาะของคาร์บอนโดยเมทริกซ์ในวัสดุที่มีเมทริกซ์หนัก เช่น เหล็ก นอกจากนี้ เมื่อตรวจวัดคาร์บอนในเหล็กกล้าโดยใช้เครื่องเอ็กซ์เรย์ฟลูออเรสเซนซ์ หากพื้นผิวตัวอย่างภาคพื้นดินถูกวัดอย่างต่อเนื่อง 10 ครั้ง จะสังเกตได้ว่าค่าปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นขอบเขตการใช้งานของวิธีนี้จึงไม่ครอบคลุมเท่าสองวิธีแรก

 

4. วิธีการไทเทรตสารละลายที่ไม่มีน้ำ

การไทเทรตสารละลายที่ไม่มีน้ำเป็นวิธีการไทเทรตในตัวทำละลายที่ไม่มีน้ำ วิธีนี้สามารถไทเทรตกรดและเบสอ่อนบางชนิดที่ไม่สามารถไทเทรตในสารละลายที่เป็นน้ำได้โดยการเลือกตัวทำละลายที่เหมาะสมเพื่อเพิ่มความเป็นกรดและด่าง กรดคาร์บอนิกที่เกิดจาก CO2 ในสารละลายที่เป็นน้ำมีค่าความเป็นกรดอ่อนๆ และสามารถไทเทรตได้อย่างแม่นยำโดยการเลือกรีเอเจนต์อินทรีย์ต่างๆ

ต่อไปนี้เป็นวิธีการไทเทรตแบบไม่มีน้ำที่ใช้โดยทั่วไป:

① ตัวอย่างถูกเผาไหม้ที่อุณหภูมิสูงในเตาอาร์คไฟฟ้าที่ติดตั้งเครื่องวิเคราะห์กำมะถันคาร์บอน

② ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ปล่อยออกมาจากการเผาไหม้จะถูกดูดซับโดยสารละลายเอธานอลเอทานอลเอมีน และคาร์บอนไดออกไซด์ทำปฏิกิริยากับเอทานอลเอมีนเพื่อสร้าง 2-กรดไฮดรอกซีเอทิลเอมีนคาร์บอกซิลิกที่ค่อนข้างเสถียร

③ ใช้ KOH สำหรับการไทเทรตสารละลายที่ไม่มีน้ำ

รีเอเจนต์ที่ใช้ในวิธีนี้เป็นพิษ การสัมผัสเป็นเวลานานอาจส่งผลต่อสุขภาพของมนุษย์ และใช้งานยาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อปริมาณคาร์บอนสูง จำเป็นต้องตั้งค่าสารละลายล่วงหน้า และความประมาทเพียงเล็กน้อยอาจทำให้เกิดการรั่วไหลของคาร์บอนและผลลัพธ์ที่ต่ำกว่า รีเอเจนต์ที่ใช้ในการไทเทรตสารละลายที่ไม่มีน้ำเป็นส่วนใหญ่มักติดไฟได้ และการทดลองเกี่ยวข้องกับการดำเนินการให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูง ผู้ปฏิบัติงานควรมีจิตสำนึกด้านความปลอดภัยเพียงพอ

 

5.โครมาโทกราฟี

เครื่องตรวจจับการทำให้เป็นละอองด้วยเปลวไฟจะรวมกับแก๊สโครมาโตกราฟีเพื่อให้ความร้อนแก่ตัวอย่างในก๊าซไฮโดรเจน จากนั้นจึงตรวจจับก๊าซที่ปล่อยออกมา (เช่น CH4 และ CO) โดยใช้วิธีแก๊สโครมาโตกราฟีของเครื่องตรวจจับการทำให้เป็นละอองด้วยเปลวไฟ ผู้ใช้บางรายใช้วิธีนี้เพื่อทดสอบปริมาณคาร์บอนในเหล็กที่มีความบริสุทธิ์สูง โดยมีปริมาณ 4 μ G/g ใช้เวลาในการวิเคราะห์ 50 นาที

วิธีนี้เหมาะสำหรับผู้ใช้ที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำมากและต้องการผลการตรวจจับสูง

 

6. วิธีการทางเคมีไฟฟ้า

ผู้ใช้แนะนำการใช้วิธีการวิเคราะห์ที่เป็นไปได้เพื่อกำหนดปริมาณคาร์บอนต่ำในโลหะผสม: หลังจากออกซิเดชันของตัวอย่างเหล็กในเตาเหนี่ยวนำ ผลิตภัณฑ์ก๊าซได้รับการวิเคราะห์โดยใช้เซลล์ความเข้มข้นทางเคมีไฟฟ้าที่ประกอบด้วยอิเล็กโทรไลต์ของแข็งโพแทสเซียมคาร์บอเนตเพื่อกำหนดความเข้มข้นของคาร์บอน วิธีนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวัดปริมาณคาร์บอนที่มีความเข้มข้นต่ำมาก และความแม่นยำและความไวของการวิเคราะห์สามารถควบคุมได้โดยการเปลี่ยนองค์ประกอบของก๊าซอ้างอิงและอัตราการเกิดออกซิเดชันของตัวอย่าง

วิธีนี้มีการใช้งานจริงเพียงเล็กน้อยและส่วนใหญ่ยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัยเชิงทดลอง

 

7. วิธีวิเคราะห์ออนไลน์

เมื่อทำการกลั่นเหล็กกล้า มักจำเป็นต้องควบคุมปริมาณคาร์บอนในเหล็กกล้าหลอมเหลวในเตาสุญญากาศตามเวลาจริง นักวิชาการบางคนในอุตสาหกรรมโลหการได้แนะนำตัวอย่างการใช้ข้อมูลของก๊าซไอเสียเพื่อประเมินความเข้มข้นของคาร์บอน: ปริมาณคาร์บอนในเหล็กหลอมเหลวประมาณโดยใช้ปริมาณการใช้ออกซิเจนและความเข้มข้นในภาชนะสุญญากาศและอัตราการไหลของออกซิเจนและ อาร์กอนในกระบวนการแยกคาร์บอนในสุญญากาศ

นอกจากนี้ยังมีผู้ใช้ที่พัฒนาวิธีการและเครื่องมือที่เกี่ยวข้องสำหรับการระบุปริมาณคาร์บอนเล็กน้อยในเหล็กหลอมเหลวอย่างรวดเร็ว: ก๊าซพาถูกเป่าเข้าไปในเหล็กหลอมเหลว และปริมาณคาร์บอนในเหล็กหลอมเหลวประเมินจากคาร์บอนออกซิไดซ์ในก๊าซพา

วิธีการวิเคราะห์แบบออนไลน์ที่คล้ายกันนี้ใช้ได้กับการจัดการคุณภาพและการควบคุมประสิทธิภาพในกระบวนการผลิตเหล็กกล้า