Анализатор углерода в металлах

Обновлено: 13.05.2024

Часть 1. Цена, критерии сравнения, диапазон измеряемых концентраций и нижний предел обнаружения, точность измерений.

Все покупатели, выбирающие спектрометр для экспресс-анализа состава металла, задают сотрудникам нашей компании множество вопросов, среди них помимо вопроса о стоимости можно выделить несколько основных, а именно:

измеряет ли углерод, серу, фосфор?
сколько времени занимает анализ?
внесен ли в ГосРеестр средств измерений?
чем атомно-эмиссионный (АЭ) спектрометр лучше рентгенофлуоресцентного (РФ) «пистолета»?

Цена спектрометров

Начнем ответ с наиболее простого вопроса — с цены. Цены на стационарные отечественные эмиссионные спектрометры в базовой комплектации начинаются от 20 – 25 000 USD . Добавив к базовой цене, стоимость дополнительных методик и стандартных образцов (ГСО, СОП, ОСО и т.п.), мы приблизимся к базовой стоимости младшей модели рентгенофлуоресцентного спектрометра.

Поскольку существенного экономического преимущества от выбора одного или другого типа спектрометра нет, у покупателя возникает непростая дилемма — какой из них купить?

Действительно, на что выгоднее потратить средства — на стационарный спектрометр или на ручной анализатор?

Разобраться в этом вопросе — основная цель этой статьи.

Критерии сравнения спектрометров

При анализе металлов и сплавов основными и наиболее важными параметрами любого «измерительного комплекса» являются:

перечень измеряемых химических элементов,
диапазон измеряемых концентраций и нижний предел обнаружения,
точность (погрешность) измерений,
время анализа (экспрессность),
стоимость одного анализа,
размер, форма и вид анализируемых проб,
сфера применения, универсальность,
безопасность.

Разберемся по порядку.

Перечень анализируемых элементов

Разработчики мобильных «спектрометров-пистолетов» стараются преодолеть это ограничение различными методами, но, увы, физику «обмануть» крайне сложно. Поэтому для повышения привлекательности и продаваемости в ход идут различные ухищрения и реклама. Ярким примером такого подхода является рекламная брошюра рентгенофлуоресцентного «пистолета» одной широко известной компании-производителя таких спектрометров. Определение легких элементов в данном случае предлагается произвести «по паспорту», т.е. измерить доступные элементы, например никель, хром, марганец, медь, подобрать по их концентрациям наиболее близкую марку сплава и приписать неопределенным элементам концентрации из паспорта марки!

Цитата из упомянутой брошюры (отсканированный фрагмент):

Такой подход можно оправдать при сортировке металлолома на шихтовом дворе, но недопустим при выплавке металла или проведении входного контроля на металлообрабатывающих предприятиях.

В противовес рентгенофлуоресцентному, атомно-эмиссионный спектральный анализ позволяет определять с высокой точностью концентрации всех требуемых элементов, причем начиная от 0,0001%

Выбор спектрометра по параметрам

При выборе спектрометра диапазон измеряемых концентраций, нижний предел обнаружения, точность измерений являются вторыми по значимости.

По Российскому законодательству любой прибор становится средством измерения только в том случае если он:

внесен в государственный реестр СИ,
имеет, утвержденную в органах метрологического надзора, Методику Выполнения Измерений (МВИ) для конкретного модели прибора или удовлетворяет требованиям ГОСТ на соответствующие методы анализа.

Например, в нашем случае это

«ГОСТ 28033-89 Сталь. Метод рентгенофлуоресцентного анализа».
«ГОСТ Р 54153-2010 Сталь. Метод атомно-эмиссионного спектрального анализа»

ГОСТ на метод атомно-эмиссионного спектрального анализа регламентирует значительно более жесткие требования к точности измерений, поскольку сам метод и его конкретная реализация в современных приборах позволяет достичь точности и пределов обнаружения на 2. 4 порядка превосходящие возможности метода РФА.

ГОСТ 28033-89 и ГОСТ Р 54153-2010 устанавливают диапазоны концентраций определяемых элементов методами РФА и АЭС анализа:

Следует особо отметить, что в стандарте указаны стационарные рентгенофлуоресцентные спектрометры с высокой мощностью излучения. Именно высокая мощность рентгеновского излучения позволяет анализировать некоторые легкие элементы на стационарных установках.

Как вы могли заметить, в перечне измеряемых элементов отсутствуют углерод, алюминий, мышьяк, цирконий, свинец, олово, цинк, сурьма, бор, висмут, кальций, азот, магний, церий, анализ которых атомно-эмиссионным методом не вызывает трудностей. Измерение концентрации этих элементов методом РФА не доступен даже на мощных стационарных установках, не говоря уже о переносных.

При выполнении измерений, например, по марганцу (Mn), никелю (Ni), хрому (Cr) на стационарных РФ анализаторах допустимы следующие величины погрешностей:

Анализаторы углерода и серы МЕТЭК-200

Анализаторы серии МЕТЭК-200 предназначены для автоматического экспрессного измерения массовой доли углерода и серы в чугунах, сталях и сплавах.

Принцип действия анализатора основан на сжигании образца в электропечи в токе кислорода, и последующем определении содержания газообразных оксидов серы и углерода методом инфракрасной спектроскопии.

С помощью данного оборудования возможно:

Быстро и точно определить марку металла или сплава
Определить элементы, входящие в состав исследуемого металла
Определить вес или количество составных частей, или элементов, в данном металле или сплаве
Определить точный и примесный состав сплава
Провести химический анализ исходных материалов металлургического производства
Провести оперативный производственный анализ химического состава любой изготавливаемой марки металла

ПРЕИМУЩЕСТВА:

Анализ без применения химии
Быстрый и точный анализ
Низкая стоимость расходных материалов
Рекомендации по разработке методики проведения анализов
Низкая стоимость по сравнению с аналогами

Анализатор конструктивно состоит из аналитического блока, содержащего трубки с реагентами и инфракрасные детекторы, электропечи для сжигания образцов с воздушным охлаждением (управление температурой печи производится измерителем-регулятором микропроцессорным, внесенным в Госреестр СИ), персонального компьютера со специальным программным обеспечением, позволяющим осуществлять диагностику технического состояния системы, градуировку анализатора с помощью стандартных образцов, контроль процесса измерений, сохранение результатов измерений и их архивирование.

Режим работы анализатора — круглосуточный.

ВНИМАНИЕ: Производитель рекомендует именно раздельное исполнение аналитического блока и электропечи: данный конструктив обеспечивает надежность работы оборудования, стабильность результатов измерений, исключает перегрев электрорадиоэлементов, безпрепятственный доступ к элементам при техническом обслуживании.

Процесс измерения

Навеска анализируемого вещества (в диапазоне 0,1. 1,5 г) в лодочке для сжигания помещается в электропечь для сжигания в токе кислорода.

Углерод и сера, содержащиеся в анализируемой пробе, окисляются до CO2 и SO2. Затем образовавшиеся газы, транспортируются с помощью побудителя расходы в ИК детекторы. Детекторы обнаруживают газы по изменению поглощения инфракрасного излучения на выделенных длинах волн и вырабатывают электрические сигналы, пропорциональные количествам измеряемых газов. Эти сигналы передаются на персональный компьютер, где производится их регистрация и расчет массовой доли компонента с учетом массы пробы

Анализ выполняется автоматически под управлением программного обеспечения. Процесс измерения включает следующие операции: взвешивание рабочей навески оператором (~20 сек), загрузка навески в электропечь (~15 сек), затем автоматическое определение массовой доли серы и углерода с учетом взятой для анализа массы навески, графическая и цифровая визуализация результатов (~40 сек). Весь процесс анализа занимает не более 90 секунд. Результаты анализа выводятся на монитор персонального компьютера и могут быть распечатаны.

Модификации

МЕТЭК-200	Измерения массовых долей углерода и серы
МЕТЭК-200.1	Измерения массовой доли углерода
МЕТЭК-200.2	Измерения массовой доли серы

Технические характеристики

Диапазон измерения, % масс	углерода	0,005. 5,0
Диапазон измерения, % масс	серы	0,005. 0,4
Предел допускаемого относительного СКО случайной составляющей погрешности измерений массовой доли углерода, %	0,005. 0,5	6,0
	0,5. 2,0	3,0
	2,0. 5,0	2,0
Предел допускаемого относительного СКО случайной составляющей погрешности измерений массовой доли углерода, %	0,005. 0,04	6,0
	0,04. 0,1	3,0
	0,1. 0,4	1,5
Расход газа-носителя в процессе анализа не более, л/мин		3,0
Масса анализируемого образца, мг		0,2. 3,0
Общее время проведения анализа, не более, с		90
Температура анализа, °С		900. 1400
Избыточное давление газа на входе не более, мПа		0,2
Потребляемая мощность, кВА, (мах)	блок аналитический	0,2
	электропечь	3,0
	ПК	0,3
Условия эксплуатации	температура окружающего воздуха, °С	15. 30
Условия эксплуатации	влажность окружающего воздуха, %	30. 80
Габаритные размеры аналитического блока и электропечи (Д×Ш×В), не более, мм		700×600×500
Масса, не более, кг	аналитического блока	30
Масса, не более, кг	электропечи	40

Промышленные гигрометры серии ГигроСкан во взрывозащищённом исполнении предназначены для автоматического определения содержания паров воды с последующим расчетом температуры точки росы по воде (ТТРв) в газовых средах

Компания ООО «Гранат-Е» совместно с итальянской компанией TEAT начала поставлять на рынок РФ электронагреваемые шланги и трубы для широкого спектра применения.

Криостатные приставки 3P Instruments (Германия) для проведения адсорбции любых газов при их нормальной температуре кипения 20. 323 К.

«Гранат» поставляет гелиокс на основе особо чистых компонентов: гелий марки 7.0 (99,99999%) и кислород ОСЧ марки 5,5 (99,9995%).

Анализаторы удельной поверхности и пористости 3P Instruments GmbH (Германия) предназначены для выполнения рутинных анализов и исследовательских работ в лабораториях физико-химического профиля

Аналитическое оборудование

Анализатор поставляется фирмой – изготовителем с первичной поверкой, с обязательным приложением оригинала сертификата о поверке и удостоверяющим знаком поверки - голографической наклейкой. Межповерочный интервал – 12 месяцев.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Анализатор предназначен для автоматического экспрессного измерения массовой доли углерода и серы в чугунах, сталях и сплавах. Принцип действия анализатора основан на сжигании образца в электропечи в токе кислорода, и последующем определении содержания газообразных оксидов серы и углерода методом инфракрасной спектроскопии.

С помощью данного оборудования возможно:

Быстро и точно определить марку металла или сплава.
Определить элементы, входящие в состав исследуемого металла.
Определить вес или количество составных частей, или элементов, в данном металле или сплаве.
Определить точный и примесный состав сплава.
Провести химический анализ исходных материалов металлургического производства.
Провести оперативный производственный анализ химического состава любой изготавливаемой марки металла

ПРЕИМУЩЕСТВА:

Анализ без применения химии;
Быстрый и точный анализ;
Низкая стоимость расходных материалов;
Рекомендации по разработке методики проведения анализов;
Незамедлительная помощь специалистов и сервисное/гарантийное обслуживание;
Низкая стоимость по сравнению с аналогами.

ТЕХНИЧЕСКИЕ И МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ:

Навеска анализируемого вещества (в диапазоне от 0,1 до 1,5 г) в лодочке для сжигания помещается в электропечь для сжигания в токе кислорода. Углерод и сера, содержащиеся в анализируемой пробе, окисляются до CO₂ и SO₂. Затем образовавшиеся газы, транспортируются с помощью побудителя расходы в ИК детекторы. Детекторы обнаруживают газы по изменению поглощения инфракрасного излучения на выделенных длинах волн и вырабатывают электрические сигналы, пропорциональные количествам измеряемых газов. Эти сигналы передаются на персональный компьютер, где производится их регистрация и расчет массовой доли компонента с учетом массы пробы.

Обзор портативного лазерного анализатора металлов SciAps Z

Впервые в мире возможно измерение содержания Углерода и углеродного эквивалента CE в низколегированных, высоколегированных и углеродистых сталях с помощью портативного анализатора. SciAps Z - единственный в мире «лазерный пистолет», способный определять УГЛЕРОД на уровне 0.02% и выше в различных сталях.

Аналитические возможности

Аналитические характеристики по Приложению Углерод (для моделей Z 200 C/С+) представлены в Табл.1. Данные по Углероду были получены с нескольких анализаторов, на образцах нержавеющей и низколегированной стали. Z также измеряет литые чугуны. При правильной зачистке образцов общее время анализа займет 6-12 сек. Время теста для сталей с содержанием 0.1% C и более, не более 6 секунд. Время, требуемое на хорошую подготовку поверхности для нержавеющих сталей – 9 сек.

Табл 1. Аналитические характеристики для анализатора Z 200 C/С+ по Углероду

Параметр	Величина	Комментарий
Предел обнаружения	0.008 %	3 сигма
Точность для Z 200 С+ для содержаний> Углерода от 0,02% Точность для Z 200 С для содержаний Углерода от 0,2%	+/-0.002% (абсолютн.) +/-0.01% (абсолютн.)
Время теста для сталей на основе железа или нержавеющих сталей (правильно подготовленные образцы, время теста включает зачистку лазером и продувку аргоном)	7-10 сек	Усредненное значение из 3 -5 последовательных тестов, в зависимости от уровня C

Калибровка лазерного анализатора металлов SciAps

Предел обнаружения углерода для данного анализатора – 0.08% (Z 200С) и 0.008% (Z 200C+) на уровне трех сигм. Типичная воспроизводимость (повторяемость), полученная для каждого отдельного уровня концентрации C ± 0.002% и ± 0.01% абсолютных, таким образом, Ст30 с содержанием углерода 0.30% преодолевает стандартное отклонение 0.035% С. Глобальная калибровка для нержавеющей стали выполняется с использованием различных стандартов 08Х18Н10 (304), 03Х18Н11(304L), 08Х16Н11М3 (316), 03Х16Н15М3 (316L), 10Х17Н13М2Т (316H), 08Х18Н12Б (347) и 03Х19Н13М3 (317L) с содержанием углерода от малых концентраций до 0,15% C.

Типичная калибровочная кривая показана на Рис.1. Пользователи могут расширить калибровочную матрицу, если это необходимо, или создать дополнительные калибровки по типу, например, для нержавейки с высоким никелем, например A286 и 06ХН28МДТ (904L). Точность на Рис.2 показана для глобальной калибровки, охватывающей углеродистые и хромисто-молибденовые стали. Глобальная калибровка по Углероду подтвердила возможность разделения низколегированных и высоколегированных углеродистых сталей.

Для сталей с содержанием Углерода, близких к пороговому значению 0,03%, операторы могут выбрать опцию Типовой калибровки (ТК). Например, если материал должен содержать 0,033% Углерода, то оператор может сделать калибровку по образцам с аналогичным содержанием Углерода. ТК исключает смещение калибровочной кривой, и, любые отклонения результатов или погрешности связаны только с повторяемостью (воспроизводимость). Если важно проанализировать Углерод с более высокой точностью, мы рекомендуем добавить ТК для представительного сертифицированного стандарта и затем использовать эту калибровку. Этот подход распространен для искровых ОЭС и также хорошо работает для LIBS.

Чем шире диапазон калибровки, тем меньше точность для определенного типа стали. Для тех измерений, где воспроизводимость более важна чем точность, можно построить специфические калибровочные кривые, для каждого типа, учитывающие матрицу. Или, если, к примеру, необходимо разделять стали с содержанием C 0.1%, пользователь может ограничить диапазон калибровки, включая в него стали только одного типа. Например, пользователь может создать калибровку, в которую только входят углеродистые стали Ст.10, Ст.20, Ст.30, Ст.50, для того что бы разделить Ст.20 от Ст. 30 и т.д. или легированные стали 41XX, 4340 и 4820 , ( последние XX две цифры указывают содержание углерода, выраженное в сотых процента, от 0.18 до 0.50). Программное обеспечение Z поддерживает множество калибровок для различных типов стали. Создание уникальных калибровок для каждого типа стали значительно увеличивает точность результатов.

Общая калибровка по Углероду, охватывающая нержавеющие стали с высоким и низким содержанием Углерода

Глобальная калибровка по Углероду для низколегированных и Cr-Mo сталей

Углерод в низколегированной стали, сходимость с химическим анализом

SciAps Laser Z-200С/С+ - это портативные лазерные анализаторы LIBS, которые способны измерять содержание Углерода в углеродистых, нержавеющих сталях и чугунах. Метод требует предварительной зачистки образца и последующего 9-12-сек. теста. Время теста включает предварительный обжиг и обдув аргоном. При условии соблюдения операторами указанных выше рекомендаций, Z будет надежно анализировать углеродистые нержавеющие стали, включая низкий уровень Углерода с пределом обнаружения 0,008% C для высоколегированных сталей.

Лазерный анализатор металлов "Z" предлагает как ручную, так и автоматическую отбраковку тестовых результатов в зависимости от опыта Пользователя. Хорошая подготовка образца и продувка аргоном имеют решающее значение для анализа Углерода с портативными LIBS анализаторами. SciAps также предлагает адаптер для подключения внешнего баллона с аргоном, если для применения не требуется портативность.

SciAps Z серия

Лазерные искровые эмиссионные спектрометры металлов

Единственный в мире портативный анализатор – способный определять Углерод на уровне от 0,008% в любых сталях
Анализирует все типы сплавов
Специализирован для Углерода (Z 200 C, Z 200 C+)
Контроль коррозии по низким содержаниям Кремния (0.05% ) и Хрома в сталях
Лучший выбор для наиболее быстрого и точного анализа алюминиевых сплавов.
Определяет элементы, недоступные для РФА: Li, Be, C, B.
ЕДИНСТВЕННЫЙ вариант, если вы хотите избежать приборов с рентгеновской трубкой, контроля соответствия требованиям СанПина и пр.
Недорогое обслуживание – отсутствие дорогостоящих компонентов, таких как детектор и трубка, срок службы лазера не менее 10 лет.
Горячие трубы и резервуары, рекомендован ведущими нефтяными компаниями, Shell, Valero, Shevron, Aramco, Total и др.

SciAps X серия

Портативный анализаторы металлов на базе трубки - РФА

Широкая линейка для любых задач и бюджета.
Идеальное решение для нержавейки, жаропрочных и стружки, сплавов на любой основе.
Любые задачи по Алюминию – от грубой сортировки по типам до точного разделения марок, непревзойденные характеристики по Mg, Si, Al за счет уникальной геометрии и параметров трубки. Мощная (до 10 Вт) Турбо Трубка с изменяемой силой тока до 500 мкА позволяет определять Si, Mg, S, P на уровне сотых за 3 секунды. Максимально приближенная геометрия обеспечит непревзойденные характеристики по легким элементам.
Самый компактный, легкий и точный рентгенофлуоресцентный анализатор на рынке.
Двойная защита детектора: металлический затвор + углеволокно, упрочненная конструкция трубки.
Горячие трубы и резервуары без дополнительных насадок до +500°С
Прекрасно сбалансированный корпус, устойчив на столе, эргономичная ручка

SciAps ONE BOX 200

Предлагаем One BOX: XRF X серия РФА и LIBS Z серия ЛИЭС. Это идеальное решение для экспресс-анализа любых сплавов и сталей, элементов всей Периодической Таблицы с портативными анализаторами X и Z за секунды.

Лазерный Z можно использовать только для сталей и алюминия, поскольку он обеспечит анализ суперлегких элементов, недоступных для рентгена, таких как Литий, Бериллий, Бор, Кальций, УГЛЕРОД, а рентгеновский X для всех остальных сплавов и анализ серы и фосфора. Также в программу рентгеновского анализатора можно добавить режимы Почвы. Геохим для анализа руд, керна и прочих образцов горно-химического сырья.

X и Z поддерживают марочники ASTM, UNS, ГОСТ.
X и Z сертифицированы в РФ и внесены в Реестр средств измерений Росстандарта
Фотокамера, фокусированный луч, WiFi, Bluetooth, программа для ПК, режим качественного анализа в базовом комплекте.
X и Z работают на базе ОС Андроид и имеют одинаковый интерфейс, аккумуляторы и пр. принадлежности. Оператор любого уровня быстро освоит оба прибора. Программа на русском языке. Подключение любых сторонних приложений.

Что возможно для такого комплекта

Комплект включает лазерный анализатор Z-200 C+ для всех без исключения задач по Углероду (предел обнаружения от 0.008%) - стали, высоколегированная нержавейка, и пр. Комплект включает рентгеновский X-200 с превосходной воспроизводимостью по легким элементам Mg, Al, Si, P и S. Сверхскоростной X-200 определяет S и P в сплавах, и обеспечит высокоточный анализ нержавейки, жаропрочных сплавов, таких как никелевые, кобальтовые или титановые сплавы. Лазерный Z или рентгеновский X-200 применимы также для контроля сульфидной коррозии.

Что не делают анализаторы SCiAPs

Кислород или Азот. Ни Z-200 C+ ни X-200 не анализируют N или O на достаточно низком уровне для использования для задач по контролю металла и подтверждению марок.

Читайте также: