激光诱导击穿光谱技术分析岩石和煤样品

本文采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术分别对具有不同成分和紧密度的岩石和煤样品进行分析。由波长为1 064 nm的Nd:YAG脉冲激光器,样品台和分辨率为0.1 nm的微光谱仪等器件组成一个小型激光诱导击穿光谱实验系统,通过计算机对光谱仪采集到的数据进行分析和处理。根据LIBS光谱图的特征谱线,对岩石和煤等样品中部分元素进行了定性分析,并对未知岩石样品进行了简单的分类;选用Si I谱线(251.6 nm),对标准岩石粉末样品的硅元素进行分析,发现谱线的相对强度和元素含量的对数值之间有很好的线性关系,由此可得到Si元素的定标曲线,并用于定量分析Si的含量,同样的方法也可分析样品中的其他元素。实验结果为采用激光诱导击穿光谱技术对物质成分进行快速检测和分析的可行性提供了依据。     

液态炉渣的激光诱导击穿光谱特性分析

液态炉渣的快速在线分析对于提高炼钢过程的稳定性具有重要意义。为探究激光诱导击穿光谱(LIBS)在线测量精炼炉渣的关键影响因素,实验研究了炉渣成分、温度和测量距离对光谱强度和稳定性的影响。其中,温度为1 350、1 400、1 450℃这3个温度,测量距离从53.7 cm至55.7 cm。实验结果表明,测量距离在实验条件下的2 cm范围内变化对光谱强度影响不明显,但熔渣的成分和温度对光谱强度和稳定性有较大影响。熔渣中Fe含量越高,相同温度下熔渣的黏度越低,流动性越好,获得的光谱强度更强,且稳定性更好。同时,温度升高也有利于降低熔渣黏度,进而提高光谱强度和稳定性。此外,对28个熔渣样本在温度为1 450℃时Ca含量进行了定量分析,采用递归特征消除结合偏最小二乘(PLS)的定量建模方法,测试集的均方根误差(RMSEP)为1.47%。     

激光诱导击穿光谱在冶金在线分析中的应用研究进展

化学成分在线直接测量是冶金分析长久以来的追求,也被誉为冶金分析面临的三大难题之一.激光诱导击穿光谱技术因其在无需复杂样品制备、直接快速、非接触等方面展现的独有技术优势,备受研究上的关注.文章综述了激光诱导击穿光谱在选矿、熔融金属在线检测方面的研究进展,总结了当前存在的主要问题,并对未来发展进行了展望.     

激光诱导击穿光谱技术对钢中缺陷的快速表征

激光诱导击穿光谱技术(LIBS)作为一种快速而简单地检查钢表面缺陷的技术,可直接观测到激光脉冲被聚焦于样品之上而感生的等离子体发射物。一个平凸透镜把斑直径大约为1 mm的光量开关Nd:YAG激光器(脉宽:12 ns;重复频率:10 Hz)辐照聚焦于样品表面,用来烧蚀样品的一部分,形成一个微等离子体。等离子体的发射由光纤传送至帕邢-龙校格装置多色仪(焦距:500 mm)。在已被流入和流出的氩气排空的空间里,样品被安装在一个二维移动台上进行两点分析——常规分析和缺陷分析。通过比较两个分析结果,可检测到缺陷部分有显著信号强度的元素。由不同类型的夹杂物可以检测出典型的元素,由氧化铝可检测出铝,由保护渣可检测出铝、钙、镁、硅和钠,由矿渣可检测出铝、钙和镁。经证实,由LIBS分析得到的结果与EPMA(电子探针)研究得到的结果一致。因此,导致缺陷的夹杂物的类型都能通过LIBS技术确定属性。当涂层被激光烧蚀去掉后,镀锌钢也可以被直接分析出来。包括制样,该项技术评定时间不到半小时,因此在炼钢过程中,可以迅速采取合适措施。     

激光诱导击穿光谱法对不规则细小导电样品的分析

经典的火花源原子发射光谱(Spark-OES)及辉光放电原子发射光谱(GD-OES)较难分析不规则导电小样品,实验采用激光诱导击穿光谱(LIBS)法对电路板上的发光二极管(LED)管脚和印刷电路板(PCB)固定螺钉两个不规则细小样品表面的锈蚀进行了深度与成分分析。深度曲线表明发光二极管管脚样品表面镀有Sn、Ni、Cu等元素,螺钉样品表面镀有Ni元素,镀层界面下则是低合金钢材料。采用一套低合金钢GSBH40068-93建立校准曲线,可定量分析界面下铁基样品的C、Mn、P、S、Cu、Ni含量。发光二极管管脚及PCB的螺钉样品很细小,且表面生锈很严重,较难用湿法化学分析,在同样的分析参数条件下,对编号为11278的中低合金钢样品分别采用LIBS及Spark-OES进行准确度和精密度考察,结果表明二者准确度相吻合,但LIBS数据的精密度略逊于Spark-OES,除P、S元素外,其余元素的相对标准偏差(RSD)均在5%以下。     

激光诱导击穿光谱发展现状

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是近年来迅速发展的一种新型分析检测手段,它的发展备受关注。从激光诱导击穿光谱技术的发展、仪器设备的发展、应用技术3个方面进行了综述。其中,在激光诱导击穿光谱技术的发展方面,概述了激光诱导击穿光谱技术的发展历程、技术的改进以及数据处理方法的发展情况。在仪器设备发展方面,介绍了仪器设备在国内外的发展现状,主要介绍了便携式仪器的研究进展。在应用技术方面,介绍了激光诱导击穿光谱技术在各领域中的应用,特别是在工业在线分析领域中的应用。最后对激光诱导击穿光谱技术的未来发展趋势做了展望。     

激光烧蚀与ICP—AES及ICP—MS联用对固体试样的快速分析

在炼钢生产控制过程中，急需开发出快速、准确的钢样分析方法来保证和改善其质量。以连续波长-Q开关(cw—Q—switched)、铷-钇铝石榴石(Nd—YAG)激光器作为电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP—AES)和电感耦舍等离子体质谱(ICP—MS)的激光烧蚀(LA)系统，可对钢样进行快速分析。使用LA的不足，可通过下列方式解决，如调整激光器的辐射条件改变产生微粒子的数量、用锆提纯器降低ICP所用氩气中杂质产生的污染。本文建立了快速、准确的分析方法。     

基于便携式激光诱导击穿光谱技术的耐热钢老化等级评估

长期承受高温高压耐热钢的运行状态严重影响着设备系统的安全生产,传统检验手段在时间和操作上存在一定的局限性。将开发的便携式激光诱导击穿光谱(LIBS)设备应用于耐热钢失效分析,结合化学计量学方法实现T91钢老化等级的预测评估。首先对不同老化等级T91样品的光谱特性进行了分析,研究了不同表面状态样品的元素特征谱线随脉冲数变化趋势,获取各样品的典型光谱;然后采用K折叠支持向量机递归特征消除算法(K-SVM-REF)对光谱变量进行特征选择,以提高模型预测性能。结果表明基于特征选择的光谱变量较全谱变量建立的支持向量机(SVM)预测模型测试集的分类准确率从84.38%提升到90.63%。此外还研究了样品表面状态对模型性能的影响,为开发的便携式LIBS设备用于实现金属受热面失效诊断的实际测量提供了有效的依据和方法。     

基于便携式激光诱导击穿光谱技术的耐热钢老化等级评估

长期承受高温高压耐热钢的运行状态严重影响着设备系统的安全生产,传统检验手段在时间和操作上存在一定的局限性。将开发的便携式激光诱导击穿光谱(LIBS)设备应用于耐热钢失效分析,结合化学计量学方法实现T91钢老化等级的预测评估。首先对不同老化等级T91样品的光谱特性进行了分析,研究了不同表面状态样品的元素特征谱线随脉冲数变化趋势,获取各样品的典型光谱;然后采用K折叠支持向量机递归特征消除算法(K-SVM-REF)对光谱变量进行特征选择,以提高模型预测性能。结果表明基于特征选择的光谱变量较全谱变量建立的支持向量机(SVM)预测模型测试集的分类准确率从84.38%提升到90.63%。此外还研究了样品表面状态对模型性能的影响,为开发的便携式LIBS设备用于实现金属受热面失效诊断的实际测量提供了有效的依据和方法。     

激光诱导击穿光谱在金属材料在线分析方面的应用进展

激光诱导击穿光谱(LIBS)由于具有无需样品制备、分析速度快、可远距离在线遥测以及可进行元素的二维表面分布和深度分析等特点,引起光谱化学分析领域研究者的广泛关注。在冶金过程工艺控制领域,金属材料的在线分析以及元素多维信息的获取,对于实时监控金属材料的生产工艺及准确实现金属材料的快速分类方面具有重要的意义。与传统的分析方法相比较,LIBS技术因其众多优势已成为金属材料实时在线分析的最佳手段之一,而且已有多种商品化的仪器推出。论文首先对LIBS在线仪器装置进行介绍,然后对近些年LIBS在熔融金属在线分析、连铸钢坯鉴别、炉渣在线分析、金属材料分类识别、金属材料镀层分析等方面的发展现状及挑战进行论述,最后对LIBS在线分析进行展望。     

钢铁工业冶金渣的X射线荧光分析

本文将报道钢铁中矿渣的高性价比的X射线荧光分析（XRF）方法。与其他分析一样,矿渣分析对高炉或炼钢炉控制十分重要。由于X射线光学和仪器设计的重大进展,灵敏度和可靠性的提高满足了金属工业过程控制的需要。简单、结构紧凑并高性价比的波长色散X射线荧光光谱仪（WDXRF）目前很可能用于钢铁工业的常规分析。本文包括仪器的技术细节、与矿渣有关的应用数据以及简单的在线操作自动化方案等方面的内容。     

激光诱导击穿光谱技术对钢中夹杂物表征的研究进展

钢铁材料中不同类型夹杂物的存在,破坏了金属基体连续性,使其塑韧性、疲劳及耐腐蚀等物理化学性能变差,生产中会严格控制夹杂物的大小以及总量,因此,夹杂物的评定也成为了钢质量分级的一项重要指标。文章介绍了激光诱导击穿光谱技术对钢中夹杂物表征的基本原理,综述了其在不同类型夹杂物分布、粒度以及含量表征方面的国内外研究进展,讨论了当前表征中存在的不足和难点,并对其发展前景进行了展望。     

冶金分析表征支撑冶金与材料工程科技高质量发展

40年来《冶金分析》聚焦冶金与材料工程的科学技术进步,刊载论文展现了问题导向性、技术引领性、对象多样性、内涵丰富性、学科交融性、论文可参考性等鲜明特色,已成为冶金分析领域最具影响力的专业学术刊物,有力地支撑了冶金与材料工程科技的高质量发展。     

The dissolution of nitrogen in metallurgical slags

Abstract

Nitrogen is soluble in CaO-SiO₂-Al₂O₃ slags under a variety of highly reducing conditions. With graphite as reducing agent, the solubility increases with increasing CaO and decreasing SiO₂ contents, dropping off, however, at very low SiO₂. At 1550°C and 1 atmos. N₂, it lies between 0.25 and 2.5 wt.%. It is steeply temperature dependent, and reaction is slow. Equilibrium-constant calculations for possible dissolution reactions indicate that there is no single mode of dissolution covering all compositions. However, it appears that at intermediate CaO and SiO₂ contents, carbon participates directly, probably forming CN^? ions, whereas in SiO₂-rich melts, nitrogen enters the silicate network. In the absence of graphite, using excess Si or Al as reductants, nitrogen pick-up of the same order of magnitude is observed, but with less marked composition and temperature dependence. Reaction is rapid. Large quantities (> 3 wt.%) can be dissolved via Si₃N₄, and the presence of CaC₂ also promotes appreciable dissolution.

Résumé

L'azote peut se dissoudre dans les laitiers du type CaO-SiO_2? Al₂O₃ lorsque les conditions sont réductrices. En présence de graphite, la solubilité croît en fonction de la teneur en CaO et en fonction inverse de la teneur en SiO₂. Elle retombe, cependant, aux teneurs très faibles en SiO₂. La solubilite de l'azote, à 1550°C et 1 atm de N₂, s'établit entre 0.25 et 2.5% en poids. Les valeurs obtenues varient fortement en fonction de la température. La vitesse de réaction est lente. Le calcul de la constante d' équilibre correspondant à diverses réactions hypothétiques montre qu'on ne peut pas appliquer une réaction de dissolution unique à toutes les compositions. Il n'en demeure pas nloins que le carbone, aux teneurs moyennes en CaO et en SiO₂, affecte le processus de dissolution en formant des ions CN^? alors que dans les laitiers riches en SiO₂, l'azote s'associe au réseau d'ions silicate. L'absorption d'azote, en l'absence de graphite mais en présence d'un excédent d'agent réducteur, Si ou Al, demeure du même ol'dre de grandeur avec, toutefois, un effet moins prononcé de la température ou de la composition du laitier. La réaction de dissolution est alors rapide. La dissolution par l'intermédiaire du composé Si₃N₄ permet de dissoudre une grande quantité d'azote (>3% en poids). La présence de CaC₂ favorise aussi la dissolution d'une quantite appreciable. d'azote dans le laitier.     

Chemical behaviour of nitrogen in metallurgical slags

According to previous experimental work, nitride capacity C_N, in opposition to sulfide capacity C_S, decreases with increasing optical basicity of metallurgical slags. This tendency is also confirmed by the contradictory behaviour of the free energy changes of oxide-nitride and oxide-sulfide transformation reactions as a function of basicity. From the present metal-slag equilibrium studies, denitrogenation potentials P_N = %(N)/{%[N] · %[Al]} were obtained characterizing denitrogenation efficacy of slags at given compositions and temperatures. From these potentials, factors were derived which mark the effects of individual slag components. It was found that these factors feature the same basicity dependence as nitride capacities C_N and denitrogenation potentials P_N. The factors are increased, e.g., as less basic oxides are increasingly present in the slag phase in the order BaO → SrO → CaO → MgO.     

激光诱导击穿光谱法分析表面氧化钢铁样品中的碳硅锰磷硫铬镍铜铝

利用激光诱导击穿光谱法对中低合金钢中的碳、硅、锰、磷、硫、铬、镍、铜、铝九种元素进行了定量分析。采用铁基体作参比、信号积分平均的数据处理方法,考察了样品台高度、激光聚焦位置、积分延迟时间、低压充氩等因素对激光光谱信号的影响。通过反复试验,确定了焦点位于样品表面之下4 mm、氩气氛围为4 000 Pa等最佳分析条件。在优化条件下,中低合金钢标准样品GSBH40068-93中9种元素线性相关系数均大于0.99。所建立的方法可应用于存在表面氧化钢铁样品的直接测定。实验表明,本法在不进行样品处理条件下测定值与火花光谱测量结果相吻合。