روش های نوین در آنالیز فلزات و کاربرد آنها در صنایع ریخته گری

همانطور که می­دانیم دانستن اندازه آخال­ ها و بویژه توزیع اندازه آنها مهم است، زیرا وجود آخال­ های بزرگ به­ طور معمول مضر بوده و کیفیت فلز را کاهش می­دهد. امروزه تعیین و توزیع اندازه آخال بطور معمول با استفاده از روش­ هایی مانند میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونیانجام می­شود. اما این روش­ ها وقت­گیر و پرهزینه هستند و معمولا 2 الی 4 ساعت برای هر آنالیز و با هزینه­ های بالا در یک آزمایشگاه مجهز به طول می­انجامد. در این تحقیق از الگوریتم­ های پیک و ترکیب برای شمارش آخال­ ها، متعلق به سطح اندازه ­های مختلف (شدت­ های مختلف) استفاده شده است. "روش Spark-DAT" روش نوین و دقیقی است که از سال 2000 در کوانتومترهای نسل جدید شرکت (Thermo Scientific (ARL طراحی و ساخته شده است که قابلیت آنالیز دقیق و سریع آخال­ ها بویژه تعیین مقدار محلول و نامحلول عناصر آلومینیوم، بور، کلسیم، تیتانیم و غیره را دارا می­باشد، همچنین  قادر است تعداد و نوع آخال­ های موجود در فرآیند تولید فولاد را تعیین نماید. علاوه بر این، این روش توانایی تعیین اندازه آخال­ ها و توزیع آن­ها و مقدار کمی اکسیژن با غلظت کمتر از ppm 30 را دارد.

 

در اینجا از "روش Spark-DAT" و نرم افزار آنالیزی OXSAS استفاده شده است. روش Spark-DAT شامل یک مجموعه نرم افزاری و سخت­ افزاری و الگوریتم جمع­ آوری داده­ ها است که با نرم افزار اصلی دستگاه (OXSAS)، مرتبط شده است. در این تحقیق به نمایش اصول این روش پرداختیم. سپس برای مقایسه بین نمونه فولاد تمیز و کثیف، از الگوریتم پیک­ ها استفاده شده است. این الگوریتم، امکان شمارش تعداد پیک­ های شدت روی کانال عنصر مورد نظر را فراهم می­سازد. بدین صورت که یک پیک (معادل IPeak ) مقداریست که از آستانه واقع شده در شدت متوسط عنصر به صورت محلول در بیس (معادل m)، به علاوه سه برابر انحراف استاندارد آن ((SD تعریف می شود:

همچنین برای شمارش آخال از الگوریتم ترکیب نیز استفاده شده است، این الگوریتم امکان شمارش پیک­ های منطبق، یعنی پیک­ هایی که بر روی کانالهای چند عنصر بصورت متوالی در هر جرقه تکی ظاهر می­ شوند را فراهم می­کند. در انتها نیز نمونه­ای از نتایج در صفحه نمایش آورده شده است.

علاوه بر این، در این تحقیق، از الگوریتم کمی­سازی محتوی آخال(QUIC) استفاده شده است که قابلیت آنالیز کمی آخال­ ها از نظر اندازه و توزیع اندازه را تأمین می­کند.

 

در حالت آنالیز کوانتومتری معمولی(OES) جمع­ آوری اطلاعات همه کانال­هابصورت یکپارچه است و به غلظت تبدیل می­شود، در صورتی­که در روش Spark-DAT، شدت نورها به 2000 قسمت تقسیم می­گردد و با ادغام بیش از 32 کانال به طور همزمان امکان­پذیر می­باشد و مقادیر شدت نور ناشی از هر جرقه تکی بطور جداگانه بدست آمده و با استفاده از عملیات ریاضی ویژه ­ای محاسبات انجام شده و سپس مقادیر محاسبه شده و به نرم افزار آنالیتیکی منتقل می گردند (شکل 1).

 

 

 

 

شکل 1- تقسیم ­بندی روش Spark-DAT

 

 

شدت سیگنال در این روش، بستگی به ترکیب نمونه در موقعیت برخورد با جرقه تکی مربوط به آن دارد. اگر غلظت یک عنصر در مواد نمونه جدا شده بطور قابل توجهی بیش از غلظت حالت محلول آن در زمینه باشد، نتیجه آن قله شدت (پیک شدت) است. به عنوان مثال اگر جرقه با سطح نمونه حاوی آخال با پایه آلومینیوم (AL2O3)برخورد کند، چون غلظت آلومینیوم به دلیل سهم آخال بسیار بالاتر از زمینه فلز می باشد، دارای پیک آلومینیوم خواهیم بود. در شکل 2 غلظت آلومینیوم در ذرات (AL2O3) تقریباً %53 است و اگر یک آخال با اندازه قطر معادل کروی 5 میکرون در نمونه جدا شده وجود داشته باشد، یک افزایش ظاهری غلظت %075/0 مشاهده می­شود. نمایش اصول روش Spark-DAT در شکل 2 برای آخال­های AL2O3 در زمینه آهن نشان داده شده است. همانطور که این شکل نشان می­دهد شدت سیگنال پایه متناسب با غلظت اتم­ های آلومینیوم محلول در زمینه است و شدت قله (پیک) بستگی به مقدار اتم­ های آلومینیوم موجود در آخال با آخال­ های جدا شده از آن توسط جرقه تکی دارد. در نتیجه، تعداد پیک­ ها به تعداد چنین آخال­ هایی و شدت آن­ها به عواملی از قبیل اندازه آخال و غلظت آلومینیوم در آخال مربوط است.

 

 

sym2

 

 

شکل 2- نمایش اصول روش Spark-DAT

 

 

 

آنالیز آخال به تنهایی در مدت زمان حدود 7 ثانیه با یک اندازه­ گیری منفرد انجام می­شود. از مزایای اصلی چنین آنالیز کوتاه مدتی می­توان به موارد ذیل اشاره کرد:

1-آنالیز آخال در طی فرآیند تولید فولاد در بسیاری از نمونه­ هایی که بطور معمول با روش معمولی کوانتومتری آنالیز می­شوند.

2-تعیین اندازه کمی آخال

3-تعیین کمی اکسیژن کل در فولادهای آرام شده

4- هزینه سرمایه­ گذاری پایین، دستگاه با همان یک بار جرقه زدن علاوه بر آنالیز غلظت عناصر، آنالیز آخال را نیز به طور هم زمان انجام می­دهد.

5-بدون هیچ هزینه اضافی و زمان اضافی برای انجام این روش در مقایسه با کوانتومتر استاندارد (معمولی)، آماده سازی نمونه برای آنالیز آخال همسان، امکان پذیر می باشد.

بر اساس نتایج حاصل از بکارگیری الگوریتم پیک­ ها در این تحقیق، همانطور که در شکل 3 مشخص شده است، نمونه­ های فولاد را به راحتی می­توان مطابق با تعداد پیک­ های شمارش شده در کانال عناصر آخال، به دو دسته تمیز یا کثیف دسته بندی کرد.

 

 

sym3

 

 

شکل 3- مقایسه نمونه فولاد تمیز و کثیف

 

 

 

همانطور که بیان شد، الگوریتم ترکیب امکان شمارش انطباق پیک­ ها، یعنی پیک­ هایی که بر روی کانال­ های چند عنصر بصورت متوالی بر روی همان جرقه تکی ظاهر می­ شوند را فراهم می­ کند. آنگونه که در شکل 4 نشان داده شده است، انطباق یک پیک بر روی کانال­های کلسیم و گوگرد به این معنی است که این دو عنصر بخشی از یک آخال به صورت آخال سولفید کلسیم هستند. با این الگوریتم انطباق ­های تا چهار لاین را می ­توان شمرد. این الگوریتم قابلیت تعیین فرمول شیمیایی آخال ­های  ترکیبی و یا خوشه­ های آخال را دارد. علاوه بر این، امکان کنترل کردن عدم انطباق­ ها در موارد با انطباق بالا، به رفع ابهامات تعیین آخال­ هایی که عناصر مشترک دارند مانند Al2O3)و(Al2O3-CaOو یا CaO) و(Al2O3-CaO کمک می کند.

 

 

sym4

 

 

شکل 4- نمونه ای از شمارش آخال با الگوریتم­های پیک و ترکیب

 

 

همانطور که می­ دانیم دانستن اندازه آخال­ ها و به ویژه توزیع اندازه آنها مهم است، زیرا آخال­ های بزرگ بطور معمول از نظر کیفیت فلز جز مضرترین­ ها هستند. از الگوریتم­ های پیک و ترکیب می­توان برای شمارش آخال­ ها، متعلق به سطح اندازه­ های مختلف (شدت­ های مختلف) استفاده کرد، به همین دلیل تنظیم آستانه 3SD بالاتر از شدت عنصر در زمینه، امکان شمارش تمام آخال­ هایی را که برای شناسایی به اندازه کافی بزرگ هستند را فراهم می کند. تنظیم بالاتر آن برای مثال در 9SD یا 15SD مانند شکل 5 قابلیت شمارش آخال ­های با اندازه بزرگتر را فراهم می­سازند. در واقع محاسبه آخال­ ها بین مقادیر آستانه متوالی، تعداد آخال­ ها در کلاس اندازه ­ای که آنها تعیین می­ کنند را می­ دهد. در این مثال، تعداد پیک ها و انطباق­ ها بین 9SD) و(3SD با آخال­ های اندازه کوچک، بین 15SD) و(9SD با آخال­ های اندازه متوسط و بیشتر از(15SD) با آخا ل­های اندازه بزرگ منطبق هستند. انجام چنین محاسباتی با بیش از سه کلاس اندازه امکان­ پذیر است. این محاسبات امکان تهیه نمودارهای توزیع اندازه آخال را که کیفی هستند، می­ دهند. به عنوان نمونه می­ توان از این محاسبات، به منظور مقایسه توزیع آخال در نمونه­ های مختلف ذوب­ استفاده نمود.

 

 

sym5

 

 

شکل 5- نمونه از شمارش آخال­ها با استفاده از مقادیر آستانه مختلف

 

  

با استفاده از الگوریتم کمی­سازی، ESD متوسط آخال­ های متعلق به چند کلاس اندازه­ گیری را می­ توان محاسبه کرد. شکل 6 نمونه­ای از نمودار توزیع اندازه، براساس استفاده از الگوریتم کمی­سازی محتوی آخال در روش محاسبه اندازه برای چند نمونه تولیدی را ارائه می­دهد. در شکل 7 نمونه ای از ارائه نتایج در صفحه نرم افزار آنالیزی نشان داده شده است.

 

 

sym6

 

شکل6- نمونه­ ای از توزیع اندازه Al2O3 برای سه نمونه فولاد آلیاژی

 

 

 

sym7

 

شکل7- نمونه­ای از ارائه نتایج در صفحه نمایش

 

 

 

آخال­های درون­زاد و برون­زاد مختلف را می­توان بطور مستقیم یا غیر­مستقیم در فولاد با استفاده از کوانتومتر 4460 شرکت Thermo Scientific تشخیص داد. بعنوان مثال می­توان از اکسیدها (SiO2, TiO2, MnO, CuO, MgO, Al2O3) اسپینل­ ها (Al2O3-MgO,Al2O3-CaO)و سولفیدها (AlS, MnS, CaS) نام برد. تشخیص نوع آخال عمدتاً توسط حساسیت خطوط آنالیتیکی مورد استفاده، اندازه آخال و غلظت عناصر آخال بصورت عناصر محلول در زمینه محدود می­ شود.

 

روش Spark-DAT در کوانتومتر  4460 شرکت (Thermo Scientific (ARL تنوع کاری این دستگاه را از استفاده عادی تا پژوهشی افزایش داده است. این گزینه، راه­ حل­ های سریع، ساده و مقرون به صرفه­ ای را برای آنالیز آخال­ ها در صنعت فولاد فراهم می­­ کند. از میان همه روش­ های آنالیز قابل دسترس امروزی، روش­ های مبتنی بر Spark-DAT سریع ترین می­ باشد و این روش امکان شمارش و شناسایی فوق­ العاده سریع آنلاین آخال­ ها، تعیین اندازه آنها و اکسیژن کل، در مدت چند ثانیه را امکان­ پذیر می­ سازد، و آن را برای کنترل آخال­ ها و تمیزی فولاد در طی تولید بسیار تأثیرگذار می­ کند، در ضمن این روش در مقایسه با دستگاه­ های دیگر مانند EDX, SEM روش بسیارکم­ هزینه و سریعی می­ باشد که اطلاعات مربوط به آنالیز عناصر و آخال تنها با یک کوانتومتر معمولی قابل انجام می باشد.

 

 

© Control System Abzar Novin . All Rights Reserved

طراحی سایت و بهینه سازی سایت