سبع طرق لتحديد محتوى الكربون في الفولاذ

غالبًا ما يتطلب تطوير وتطبيق المعادن وموادها المركبة تحكمًا فعالًا وتحديدًا دقيقًا لمحتوى الكربون والكبريت. يوجد الكربون في المواد المعدنية بشكل أساسي في أشكال الكربون الحر ، وكربون المحلول الصلب ، والكربون المشترك ، بالإضافة إلى الكربون الغازي والكربنة المحمية للأسطح والكربون العضوي المطلي.

 

في الوقت الحاضر ، تشمل الطرق الرئيسية لتحليل محتوى الكربون في المعادن طريقة الاحتراق ، والتحليل الطيفي للانبعاثات ، وطريقة قياس الغاز ، ومعايرة المحلول غير المائي ، وطريقة امتصاص الأشعة تحت الحمراء ، والكروماتوغرافيا. نظرًا لقابلية تطبيق كل طريقة قياس وتأثير العديد من العوامل على نتائج القياس ، مثل وجود الكربون ، وما إذا كان يمكن إطلاق الكربون تمامًا أثناء الأكسدة ، والقيم الفارغة ، وما إلى ذلك ، فإن دقة نفس الطريقة تختلف باختلاف مواقف. تلخص هذه المقالة طرق التحليل الحالية ومعالجة العينات والأدوات المستخدمة ومجالات تطبيق الكربون في المعادن.

 

1. طريقة امتصاص الأشعة تحت الحمراء.

إن طريقة امتصاص الأشعة تحت الحمراء التي تم تطويرها بناءً على طريقة امتصاص الأشعة تحت الحمراء تنتمي إلى الطريقة المتخصصة للتحليل الكمي للكربون (والكبريت).

المبدأ هو حرق العينة في تيار الأكسجين لتوليد ثاني أكسيد الكربون. تحت ضغط معين ، الطاقة التي يمتصها ثاني أكسيد الكربون في الأشعة تحت الحمراء تتناسب طرديًا مع تركيزه. لذلك ، من خلال قياس تغيرات الطاقة قبل وبعد تدفق غاز ثاني أكسيد الكربون عبر ماص الأشعة تحت الحمراء ، يمكن حساب محتوى الكربون.

 

في السنوات الأخيرة ، تطورت تقنية تحليل الغاز بالأشعة تحت الحمراء بسرعة ، كما ظهرت بسرعة أدوات تحليلية مختلفة تستخدم احتراق التسخين بالحث عالي التردد ومبادئ الامتصاص الطيفي للأشعة تحت الحمراء. لتحديد الكربون والكبريت باستخدام طريقة امتصاص الأشعة تحت الحمراء عالية التردد ، يجب مراعاة العوامل التالية بشكل عام: جفاف العينة ، والقابلية الكهرومغناطيسية ، والحجم الهندسي ، وحجم العينة ، والنوع ، والنسبة ، وترتيب الإضافة وكمية التدفق ، فارغ ضبط القيمة ، إلخ.

وتتمثل ميزة هذه الطريقة في التحديد الكمي الدقيق وشروط التداخل الأقل. مناسب للمستخدمين الذين لديهم متطلبات عالية لدقة محتوى الكربون ولديهم وقت كاف للاختبار أثناء الإنتاج.

 

2. التحليل الطيفي للانبعاثات

عندما يكون عنصر ما متحمسًا حراريًا أو كهربائيًا ، فإنه ينتقل من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة ، وستعود الحالة المثارة تلقائيًا إلى الحالة الأساسية. في عملية العودة من الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية ، سيتم تحرير الخطوط الطيفية المميزة لكل عنصر ، ويمكن تحديد محتواها وفقًا لقوة الخطوط الطيفية المميزة.

 

في الصناعة المعدنية ، نظرًا لإلحاح الإنتاج ، من الضروري تحليل محتوى جميع العناصر الرئيسية في ماء الفرن في فترة زمنية قصيرة ، وليس محتوى الكربون فقط. أصبح مطياف انبعاث القراءة المباشرة من Spark هو الخيار المفضل في الصناعة نظرًا لقدرته على الحصول على نتائج مستقرة بسرعة. ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة لها متطلبات محددة لإعداد العينة.

على سبيل المثال ، عند تحليل عينات الحديد الزهر باستخدام التحليل الطيفي بالشرارة ، يلزم تحليل الكربون السطحي على شكل كربيدات ، بدون الجرافيت الحر ، وإلا فإنه سيؤثر على نتائج التحليل. يستفيد بعض المستخدمين من خصائص التبريد السريع والتبييض الجيد للعينات الرقيقة ، وبعد تحويل العينات إلى شرائح رقيقة ، يتم تحديد محتوى الكربون في الحديد الزهر عن طريق التحليل الطيفي للشرارة.

عند تحليل العينات الخطية المصنوعة من الصلب الكربوني باستخدام التحليل الطيفي بالشرارة ، من الضروري معالجة العينات بدقة واستخدام أداة تحليل عينة صغيرة لوضعها "في وضع مستقيم" أو "مسطح" على مرحلة شرارة لتحليلها ، من أجل تحسين دقة تحليل.

 

3. طريقة الطول الموجي للأشعة السينية المشتتة

يمكن لمحلل الأشعة السينية المشتت ذي الطول الموجي تحديد عناصر متعددة بسرعة وفي نفس الوقت.

تحت إثارة الأشعة السينية ، تخضع الإلكترونات الداخلية لذرات العنصر المقاسة لتحولات مستوى الطاقة وتصدر أشعة سينية ثانوية (أي تألق الأشعة السينية). مطياف الأشعة السينية المشتت ذو الطول الموجي (WDXRF) هو جهاز يستخدم البلورات لفصل الضوء ثم يستقبل إشارات الأشعة السينية المميزة المنعرجة من الكاشف. إذا تحركت البلورة الطيفية ووحدة التحكم بشكل متزامن ومستمر لتغيير زاوية الانعراج ، فيمكن الحصول على الطول الموجي وشدة الأشعة السينية المميزة الناتجة عن العناصر المختلفة في العينة ، والتي يمكن استخدامها للتحليل النوعي والكمي. تم تطوير هذا النوع من الأدوات في الخمسينيات من القرن الماضي واكتسب الاهتمام نظرًا لقدرته على تحديد مكونات متعددة في نفس الوقت في الأنظمة المعقدة. خاصة في القسم الجيولوجي ، تم تكوين هذه الأداة على التوالي ، مما أدى إلى تحسين سرعة التحليل بشكل كبير ولعب دورًا مهمًا.

ومع ذلك ، غالبًا ما يطرح كربون العنصر الخفيف بعض الصعوبات في تحليل XRF للكربون بسبب الطول الموجي الطويل للإشعاع المميز ، وعائد التألق المنخفض ، والامتصاص والتخفيف الكبير للإشعاع المميز للكربون بواسطة المصفوفة في مواد المصفوفة الثقيلة مثل الفولاذ. بالإضافة إلى ذلك ، عند قياس الكربون في الفولاذ باستخدام أداة مضان الأشعة السينية ، إذا تم قياس سطح عينة الأرض باستمرار 10 مرات ، يمكن ملاحظة أن قيمة محتوى الكربون تتزايد باستمرار. لذلك ، فإن نطاق تطبيق هذه الطريقة ليس واسع النطاق مثل الأولين.

 

4. طريقة معايرة المحلول غير المائي

معايرة المحلول غير المائي هي طريقة للمعايرة في المذيبات غير المائية. يمكن لهذه الطريقة أن تعاير بعض الأحماض والقواعد الضعيفة التي لا يمكن معايرتها في المحاليل المائية عن طريق اختيار المذيبات المناسبة لتعزيز حموضتها وقلويتها. حمض الكربونيك الناتج عن ثاني أكسيد الكربون في محلول مائي له حموضة ضعيفة ، ويمكن معايرته بدقة عن طريق اختيار كواشف عضوية مختلفة.

فيما يلي طريقة معايرة غير مائية شائعة الاستخدام:

① تخضع العينة للاحتراق بدرجة حرارة عالية في فرن القوس الكهربائي المزود بمحلل كبريت الكربون.

② يتم امتصاص غاز ثاني أكسيد الكربون المنبعث من الاحتراق بواسطة محلول إيثانول إيثانول ، ويتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الإيثانولامين لتكوين حمض كربوكسيل 2- هيدروكسي إيثيل أمين ثابت نسبيًا.

③ استخدم KOH لمعايرة المحلول غير المائي.

الكواشف المستخدمة في هذه الطريقة سامة ، والتعرض طويل الأمد يمكن أن يؤثر على صحة الإنسان ، ويصعب تشغيله. خاصة عندما يكون محتوى الكربون مرتفعًا ، من الضروري ضبط المحلول مسبقًا ، وقد يتسبب الإهمال الطفيف في تسرب الكربون ونتائج أقل. الكواشف المستخدمة في معايرة المحلول غير المائية قابلة للاشتعال في الغالب ، وتتضمن التجربة عمليات تسخين بدرجة حرارة عالية. يجب أن يكون لدى المشغلين وعي كاف بالسلامة.

 

5. اللوني

يتم دمج كاشف الانحلال باللهب مع كروماتوغرافيا الغاز لتسخين العينة في غاز الهيدروجين ، ثم يتم اكتشاف الغازات المنبعثة (مثل CH4 و CO) باستخدام طريقة كروماتوغرافيا الغاز في كاشف الانحلال باللهب. يستخدم بعض المستخدمين هذه الطريقة لاختبار كميات ضئيلة من الكربون في حديد عالي النقاء ، بمحتوى 4 ميكرو جرام / جرام ، ووقت التحليل 50 دقيقة.

هذه الطريقة مناسبة للمستخدمين الذين لديهم محتوى منخفض للغاية من الكربون ومتطلبات عالية لنتائج الكشف.

 

6. الطريقة الكهروكيميائية

قدم أحد المستخدمين استخدام طريقة التحليل المحتملة لتحديد محتوى الكربون المنخفض في السبائك: بعد أكسدة عينات الحديد في فرن الحث ، تم تحليل منتجات الغاز باستخدام خلية تركيز كهروكيميائية مكونة من إلكتروليت صلب كربونات البوتاسيوم لتحديد تركيز الكربون. هذه الطريقة مناسبة بشكل خاص لتحديد الكربون منخفض التركيز للغاية ، ويمكن التحكم في دقة وحساسية التحليل عن طريق تغيير تركيبة الغاز المرجعية ومعدل أكسدة العينة.

هذه الطريقة لها تطبيقات عملية قليلة وتبقى في الغالب في مرحلة البحث التجريبي.

 

7- طريقة التحليل عبر الإنترنت

عند تكرير الفولاذ ، غالبًا ما يكون من الضروري التحكم في محتوى الكربون في الفولاذ المصهور في فرن التفريغ في الوقت الفعلي. قدم بعض العلماء في الصناعة المعدنية مثالًا على استخدام معلومات غاز العادم لتقدير تركيز الكربون: يتم تقدير محتوى الكربون في الفولاذ المصهور باستخدام استهلاك الأكسجين وتركيزه في حاوية التفريغ ومعدل تدفق الأكسجين و الأرجون في عملية إزالة الكربون بالفراغ.

هناك أيضًا مستخدمون طوروا طرقًا وأدوات ذات صلة لتحديد سريع لتتبع الكربون في الفولاذ المصهور: يتم نفخ الغاز الحامل في الفولاذ المصهور ، ويتم تقدير محتوى الكربون في الفولاذ المصهور من الكربون المؤكسد في الغاز الحامل.

تنطبق طرق التحليل المماثلة عبر الإنترنت على إدارة الجودة ومراقبة الأداء في عملية إنتاج صناعة الصلب.