Анализатор состава металлов и сплавов

Химический анализ металлов и сплавов является важной процедурой, с помощью которой можно контролировать наличие в том или ином металле каких либо, примесей и включений других металлов.

Физико-химические методы анализа металлов и сплавов позволят определить чистоту материала на предмет содержания в нем нежелательных примесей. Это в свою очередь позволит прогнозировать технические характеристики будущих деталей, которые будут производиться с применением того или иного металла либо сплавов нескольких металлов.

Когда и зачем необходим химический анализ металлов и сплавов

Металлы, а также их сплавы широко используются в разных отраслях промышленности и народного хозяйства. В чистом виде металлы практически не существуют – они обязательно имеют в своем составе природные или технологические примеси.

От их типа и концентрации напрямую зависят эксплуатационные параметры будущей продукции, которая производится из металла. Использование химического анализа позволит установить его качественные и количественные свойства.

В процессе проведения этого анализа можно будет:

• определить количественный состав элементов;
• выявить наличие инородных соединений и их концентрацию;
• провести идентификацию сплавов;
• определять соотношение смесей в металлических сплавах при их маркировке.

В основном анализ проводится для:

• экспертизы качества выпускаемых металлов и сплавов на предмет их соответствия текущим стандартам;
• контроля технологических процессов на этапе производства;
• выполнения входной экспертизы сырья;
• разработки и создания новых сплавов;
• сертификации продукции из металла;
• освидетельствования чистых металлов.

Методы химического анализа металлов

На сегодняшний день существует много разных методов, которые позволяют провести качественный анализ металлов и их сплавов.

Используемые методы должны обеспечивать:

• экспрессность проведения процедуры анализа;
• высокую точность результатов;
• неразрушающий контроль;
• простоту проведения эксперимента;
• возможность использования методик анализа в производственном цикле.

Среди основных методов контроля наиболее часто используется спектральный анализ и эмиссионный химический анализ. Рассмотрим их особенности и преимущества.

Эмиссионный химический анализ

Этот метод исследования металлов позволяет за короткий промежуток времени с высокой вероятностью определить истинный состав исследуемого металлического образца.

На сегодня существует несколько разновидностей этого метода, но наибольшую популярность имеет атомно-эмиссионный спектральный анализ. Именно он используется в научной и промышленной отрасли для экспрессного получения данных о составе исследуемых образцов.

Эти методы анализа металлов и сплавов основаны на том принципе, что кратковременный высокотемпературный нагрев металла приводит к тому, что атомы вещества переводятся в возбужденное состояние и излучают свет в определенном интервале частот. Для каждого химического элемента характерна своя частота, по которой его и можно идентифицировать.

Полихроматическое излучение, которое получается вследствие такого разогрева металлического образца, фокусируется с помощью специальной оптической системы, с последующим раскладыванием в спектр и фиксированием регистратором.

После этого полученные данные обрабатываются с помощью компьютерной техники, на которой установлено специализированное программное обеспечение, позволяющее, используя аналитические инструменты, провести качественный и количественный анализ.

Точность метода

Метод эмиссионного анализа отличается высокими показателями чувствительности, что позволяет определять даже малейшие концентрации примесей в металлах и сплавах.

Показатель чувствительности этого метода находится в пределах 10 -5 …10 -7 %.

Что касается точности, то метод позволяет получить показатель в пределах 5% при небольших концентрациях примесей и до 3% при более высоком содержании примесей.

Преимущества

К основным преимуществам современного эмиссионного анализа относятся:

• возможность параллельного определения сразу 70-ти элементов в составе металла или его сплава;
• высокая скорость проводимого анализа;
• низкий порог обнаружения примесей;
• высокая точность и чувствительность;
• информативность полученных результатов;
• относительная простота проведения эксперимента;
• возможность исследования больших изделий без ущерба их поверхностям.

Спектральный анализ

Спектральный анализ относится к методам качественного и количественного контроля составов металлических объектов. Он основан на проведении изучения спектров взаимодействия металла с используемым излучением.

Исследованию подлежат спектры электромагнитного излучения, спектры распределения элементарных частиц по энергиям и массам, а также спектры акустических волн. Комплексный анализ перечисленных спектров позволит получить детальную картину о составе исследуемого образца.

Спектральный анализ – это современный метод анализа металлов и сплавов, который основан на излучении и поглощении атомами электромагнитных волн при переходе из одного энергетического уровня на другой. Чтобы перевести атомы вещества в возбужденное состояние, в котором они могут излучать характеристическое излучение, в спектральном анализе используются разные источники света.

Общим для всех используемых источников является использование плазмы (высоко- или низкотемпературной), кинетической энергии частиц которой достаточно, чтобы перевести атомы вещества в возбужденное состояние. С помощью специального регистратора фиксируются полученные спектры, которые обрабатываются посредством программного обеспечения на компьютерной технике.

Точность метода

Химический спектральный анализ относится к высокоточным методам, которые также отличаются и высокой чувствительностью к наличию примесей в исследуемых образцах.

Показатель точности для этого метода находится в пределах от 10 -7 до 10 -6 %, а величина относительного стандартного отклонения составляет порядка 0,15…0,3.

Преимущества

• простота проведения контроля исследуемых образцов;
• потребность минимального количества исследуемого вещества;
• возможность определения различных примесей;
• высокая точность и надежность измерений;
• возможность применения метода в условиях технологического процесса.

Заключение

Выполнение химического анализа металлов и сплавов стало необходимым атрибутом в различных отраслях промышленности. Без этой процедуры не проводятся технологические процессы в отрасли производства сталей, она необходима при создании и выпуске новых материалов, а также контроле выпускаемой продукции современными предприятиями.

От правильности и точности проведенного анализа будет зависеть качество и надежность будущей продукции, которая производится с использованием металлов и их сплавов.

Трудоёмкой проблемой на многих пунктах приёма металлолома является процесс сепарирования поступающего сырья по маркам и виду металлов. Иногда сложно отличить медь от сплавов, с высоким содержанием меди, а определить содержание никеля в нержавеющей стали абсолютно невозможно. Поэтому при разнородном характере поступающих металлоотходов применяются анализаторы состава металлов.

Практическое применение получили два вида таких приборов – основанные на использовании явления оптической эмиссии (лазерная), и применяющие рентгеновское излучение.

Оптические анализаторы

Анализаторы металлов и сплавов этого типа позволяют с высокой степенью точности устанавливать наличие и содержание лёгких химических элементов – серы, фосфора, углерода, т.е., тех элементов, которые обязательно присутствуют в химическом составе любой стали.

Оптический анализатор металлов — метод исследования искры

Их действие основано на следующем: исследуемый фрагмент подвергается воздействию искрового разряда на воздухе. Образующаяся искра содержит в себе в ионизированном виде все вышеперечисленные элементы, эмиссия которых улавливается чувствительным элементом прибора, и выводится на дисплей. Оптико-эмиссионным методом удаётся быстро идентифицировать металлолом, не прибегая к его заметному разрушению. Иногда, с целью снижения опасности взрыва или возгорания вместо воздуха используется инертный газ, преимущественно аргон. Смена режима исследования осуществляется простой переустановкой насадки.

Видео — оптический анализатор металлов М5000 — описание, характеристики:

Фиксация химического состава металла производится тремя способами:

• Марочным, когда фактический состав сличается с тем, который указан в эталонной таблице. Метод сравнительно громоздкий, поскольку требует обязательного вмешательства человека;

• По отпечатку, когда сравниваются спектры эмиссии исследуемого металла и эталонные;

• По принципу «да/нет», когда требуется ответить на вопрос, является ли исследуемый образец тем металлом или сплавом, который необходимо определить.

Область применения анализаторов рассмотренного типа – исследование низкоуглеродистых сталей ферритного класса, а также нержавеющих сталей, содержащих титан, никель, кобальт – элементы, эмиссионный спектр которых является достаточно характерным. Широкого распространения такие приборы не получили, в связи с повышенной чувствительностью к внешним условиям площадки, где они установлены.

Рентгеновские анализаторы металлов

Анализаторы, действующие с использованием рентгеновского излучения, используют явление флуоресценции, при котором атомы химических элементов излучают фотоны строго определённого энергии. В качестве источника рентгеновского излучения используется трубка, которая работает под напряжением 45000 В.

В таких условиях для работы анализатора необходимо выделять специальное помещение, и оборудовать его надёжным свинцовым защитным экраном. Подобным образом действуют стационарные аппараты, которые применяются для химического анализа крупных фрагментов металла, но такие анализаторы — анахронизм, они могут еще использоваться в старых лабораториях, оставшихся с советских времен, но в настоящее время встречаются все реже и реже.

Сейчас распространение получили носимые, компактные приборы — портативные анализаторы металлов, предназначенные для применения непосредственно на точках приёма металлолома. Они не используют радиоизотопы, а потому считаются более безопасными.

Рентгеновский портативный анализатор металлов — может легко делать анализ стружки

При рентгеновском способе определения химического состава металла производится его анализ по 45 позициям, которые определяются различным энергетическим уровнем излучаемых электронов. Соответственно, определяется аналогичное количество элементов, в чём и состоит основное преимущество способа.

Кроме того, такие анализаторы компактны, удобны в применении, а постоянное обновляемое программное обеспечение позволяет совершенствовать обработку получаемых результатов.

Описание работы портативного рентгеновского анализатора

Рентгеновские анализаторы химического состава состоят из флюоресцирующей рентгеновской трубки, детектора, регистрирующего устройства и блока управления. Детекторы адаптированы под твердотельный режим функционирования, в связи с чем очень удобны для использования на крупных пунктах приёма лома чёрных и цветных металлов.

Портативный рентгеновский спектрометр металлов

Технологические возможности рентгеновских анализаторов:

• Метод определения – многокомпонентный (одновременно устанавливается процентное содержание нескольких химических элементов);

• Радиоизотопные источники – отсутствуют;

• Количество одновременно определяемых параметров – до 33 (независимо от атомной массы элемента);

• Вид исходного образца для анализа – любой, в том числе шлако- и пылеобразные фракции до 50 мкм (может быть использовано для определения редких и редкоземельных элементов в отходах производства, стружке и пр.);

• Визуализация результатов исследования – цветной дисплей и регистрация в базовый файл специального компьютера (возможно и подключение к обычному компьютеру через разъём USB).

Такие характеристики позволяют применять анализаторы при определении сорта металла, идентификации марки цветного сплава, технологическом контроле в процессе плавки металлов и т.д.

Рентгеновские анализаторы работают достаточно быстро, поскольку не нуждаются в предварительной настройке прибора. Калибровка выполнятся только при решении специальных задач исследовательского характера.

Лазерные анализаторы химического состава металлов и сплавов

Видео на английском — тест лазерного анализатора Sciaps Laser-Z300

Данные приборы появились сравнительно недавно. Они используют принцип глубинного сканирования образца, используя квантовое лазерное излучение. Поскольку спектр излучения лазера может быть настроен значительно более тонко, чем спектр рентгеновского излучения, то подобного типа анализаторы имеют ряд эксплуатационных преимуществ:

• Существенно возрастает количество определяемых химических элементов (до 90, в связи с чем такие установки рекомендуется использовать для определения химического состава сложных многокомпонентных сплавов);

• Повышается точность фиксирования того или иного химического элемента, что позволяет идентифицировать сплав даже с процентным содержанием элемента менее 0,0005%;

• Прибор пригоден для количественного определении я радиоактивного компонента, что особенно важно для радиационной безопасности оборудования и работающих. Отсекается возможность поступления лома, «грязного» в радиоактивном отношении;

• Приборы лазерного типа потребляют значительно меньше энергии, что позволяет длительное время применять их без подзарядки аккумуляторов;

• Поскольку скорость лазерного сканирования весьма велика, то процесс выяснения химического состава даже многокомпонентного сплава занимает доли секунды.

Отображение результатов лазерного анализатора на экране смартфона Android

Результат работы лазерного анализатора может выводиться на экран монитора, а может фиксироваться встроенной видеокамерой или выводиться через специальное приложение на экран смартфона.

Среднерыночные цены на анализаторы металлов и сплавов

Искровые оптико-эмиссионные спектрометры, пожалуй, самые дорогие, цена на такие анализаторы могут доходить до 50 000$ .

Портативные рентгеновские анализаторы металлов — стоят немного меньше, но цена тоже немаленькая — порядка 20 000 — 30 000 $ .

Лазерные спектрометры — это анализаторы последнего поколения, набирающие все большую популярность, со временем цена будет падать, сейчас стоимость примерно — 30 000- 40 000 $ .

В интернете даже у фирм продавцов на сайте не всегда стоит цена. Т.е. есть товар, есть описание анализатора, представлен большой выбор устройств, но в поле цена стоит «Сделать запрос» или «Узнать цену». Где вы оставляете свои контактные данные и ждете ответа с ценой. Это можно объяснить так — анализатор металлов устройство дорогое, позволить себе может не каждая металлоприемка. Чтобы не потерять клиента и довести продажу до конца — менеджеры предпочитают вести диалог напрямую с клиентом, варьируя ценой и прочими бонусами при покупке анализатора у них. Иначе говоря — это маркетинговый ход, сближающий продавца и покупателя, что делает продажу анализатора металлов проще.

Практически ни одна отрасль промышленного хозяйства не может нормально функционировать и развиваться без точного определения химического состава используемых в производстве материалов. Металлургия, машиностроение, нефтехимическое производство, горнодобывающая и обрабатывающая отрасль, выпуск цемента, а также проведение многочисленных исследовательских работ подразумевает под собой наличие современных анализаторов химического состава металлов и сплавов. ООО «МЕЛИТЭК» предлагает предприятиям, научно-исследовательским центрам, институтам качественное оборудование, предназначенное для проведения высокоточного химического и фазового анализа руд, анализа сплавов, металлов, керамики, почв и жидкостей.

Мы предлагаем оборудование, которое может быть использовано в самых разных сферах промышленности, где необходим анализ структурного и фазового состава или анализ химического состава сплавов, руд или металлов. Например, портативный рентгеновский анализатор сплавов станет незаменимыми помощником там, где есть необходимость экспресс-анализа состава металла. Это может быть сортировка лома металлов, диагностика качества деталей при проведении ремонтно-технических работ, входная экспресс-диагностика качества поставляемого на предприятие сырья.

Для проведения высокоточных исследований, анализа руд и анализа сплавов в лабораториях предприятия, ООО «МЕЛИТЭК» поставляет специальные стационарные оптико-эмиссионные спектральные анализаторы металлов производства фирмы Bruker (Германия) – лидера в области производства оборудования для химического анализа металлов и сплавов, позволяющих определить их структурный и фазовый состав. Данные спектрометры позволяют проводить высокоточный сертифицированный анализ различных металлов и их сплавов. Такое оборудование является необходимым атрибутом на том предприятии, где требуется постоянный контроль качества выпускаемой продукции. Также для этих целей используются рентгеновские спектрометры и дифрактометры фирмы Bruker. Линейка моделей, выпускаемая этим лидером в области рентгеновской спектрометрии, призвана удовлетворить самые различные потребности при проведении высококачественного химического и структурного анализа различных материалов.

Для определения «легких элементов» в твердых материалах, таких как кислород, водород, азот, сера и углерод, компания ООО «МЕЛИТЭК» предлагает современные анализаторы газообразующих элементов фирмы Bruker.

Все это оборудование позволит Вашему предприятию непрерывно контролировать качество поступающего сырья и улучшать уровень выпускаемой продукции.