techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университетtechusgu-13Research ArticleХИМИЯCHEMISTRYИзучение условий экспрессного определения элементов, образующих неметаллические включения в марганцовистой стали, на искровом атомно-эмиссионном спектрометре ARL iSpark 8860Study of Conditions for Express Determination of Elements Forming Nonmetallic Inclusions in Manganese Steel on the ARL iSpark 8860 Spark Atomic Emission SpectrometerГерасимоваМ. С.GerasimovaM. S.

Герасимова Маргарита Сергеевна, инженер

пл. Металлургов 2, г. Липецк 398040

Margarita S. Gerasimova, Engineer

Metallurgov sq., Lipetsk 398040

margaritas401@mail.ruЯкубенкоЕ. В.YakubenkoE. V.

Якубенко Елена Всеволодовна, кандидат технических наук, старший инженер

пл. Металлургов 2, г. Липецк 398040

Elena V. Yakubenko, Cand. of Sci. (Engineering), Senior Engineer

Metallurgov sq., Lipetsk 398040

alyenka13@yandex.ruОреховаЮ. Н.OrekhovaYu. N.

Орехова Юлия Николаевна, старший  инженер

пл. Металлургов 2, г. Липецк 398040

Yuliya N. Orekhova, Senior Engineer

Metallurgov sq., Lipetsk 398040

orehofj@mail.ruЩеренковаИ. С.ShcherenkovaI. S.

Щеренкова Ирина Сергеевна, кандидат  технических наук, старший инженер

пл. Металлургов 2, г. Липецк 398040

Irina S. Shcherenkova, Cand. of Sci. (Engineering), Senior Engineer

Metallurgov sq., Lipetsk 398040

Shumdojdya@yandex.ruШацкихТ. С.ShackihT. S.

Шацких Татьяна Сергеевна, студент  кафедры химии; инженер

пл. Металлургов 2, г. Липецк 398040

ул. Московская 30, г. Липецк 398600

Tatyana S. Shackih, Student of the Department  of Chemistry; 

Metallurgov sq., Lipetsk 398040

30 Moskovskaya Str., Lipetsk 398600

t.shatskih@yandex.ruЕрмолаеваТ. Н.ErmolaevaT. N.

Ермолаева Татьяна Николаевна, доктор  химических наук, профессор

ул. Московская 30, г. Липецк 398600

Tatyana N. Ermolaeva, Dr. of Sci. (Chemistry), Professor

30 Moskovskaya Str., Lipetsk 398600

erm1704@gmail.comПАО «Новолипецкий металлургический комбинат»РоссияNovolipetsk Steel CompanyRussian FederationПАО «Новолипецкий металлургический комбинат»; Липецкий государственный технический университетРоссияNovolipetsk Steel Company; Lipetsk State Technical UniversityRussian FederationЛипецкий государственный технический университетРоссияLipetsk State Technical UniversityRussian Federation202320042023131150162Copyright © Герасимова М.С., Якубенко Е.В., Орехова Ю.Н., Щеренкова И.С., Шацких Т.С., Ермолаева Т.Н., 20232023Герасимова М.С., Якубенко Е.В., Орехова Ю.Н., Щеренкова И.С., Шацких Т.С., Ермолаева Т.Н.Gerasimova M.S., Yakubenko E.V., Orekhova Y.N., Shcherenkova I.S., Shackih T.S., Ermolaeva T.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/13Цель

Цель. Изучение условий экспрессного определения Mn, Si, Ca, Al, S, образующих неметаллические включения в марганцовистых сталях, с помощью атомно-эмиссионного спектрометра ARL iSpark 8860 с искровым возбуждением спектров, оценка и улучшение градуировочных характеристик элементов, статистическое подтверждение правильности результатов измерений. 

Методы

Методы. Определение элементов, образующих неметаллические включения, проводили на атомно-эмиссионном спектрометре с искровым возбуждением спектра ARL iSpark 8860 фирмы Thermo Fisher Scientific (США). Подготовку проб монолитных образцов стали к атомно-эмиссионному спектральному анализу проводили с применением фрезерного и шлифовального станков. 

Результаты

Результаты. Обоснована актуальность разработки экспресс-методики проведения количественной оценки уровня элементов, образующих неметаллические включения и подтверждена перспективность использования искрового атомно-эмиссионного спектрального метода для определения концентрации неметаллических включений в металлопродукции. Установлены метрологические характеристики определения элементов, образующих неметаллические включения в марганцовистых сталях: уравнения градуировочных функций, коэффициенты корреляции, пределы обнаружения и количественного определения. Показана необходимость корректировки градуировочных графиков с применением стандартных образцов состава марганцовистых сталей. Подтверждено улучшение метрологических характеристик спектрального анализа с использованием стандартных образцов состава марганцовистых сталей УГ-90 и УГ-102 производства ЗАО «ИСО» в рабочем диапазоне концентраций определяемых элементов, снижение пределов обнаружения Mn, Al и погрешности определения Mn, Si, Ca, Al.

Вывод

Вывод. Улучшены метрологические характеристики определения массовых долей Mn, Si, Ca, Al, составляющих основную номенклатуру неметаллических включений марганцовистых сталей. Статистически подтверждена высокая прецизионность измерения концентрации элементов, входящих в состав включений типов: Al2O3, Al2O3-CaO-MgO, Al2O3-MgO, Al2O3-MnS, Al2O3-MnS-CaS, Al2O3-MnS-MgO, CaS, MnS, с применением теста Стьюдента. Показано отсутствие систематической погрешности результатов и правильность определения Mn, Si, Ca, общего и растворимого Al, составляющих неметаллические включения. 

Purpose of research

Purpose of research. Study of the conditions for the express determination of Mn, Si, Ca, Al, S forming nonmetallic inclusions in manganese steels using the ARL iSpark 8860 atomic emission spectrometer with spark excitation of spectra, evaluation and improvement of the calibration characteristics of the determination of elements, statistical confirmation of the correctness of measurement results.

Methods

Methods. Determination of elements forming nonmetallic inclusions  was carried out on an atomic emission spectrometer with spark excitation of spectra ARL iSpark 8860 manufactured by Thermo Fisher Scientific (USA). The preparation of samples for atomic emission spectral analysis was carried out using semi-automatic milling and flat-grinding machines. 

Results

Results. The relevance of the development of an express methodology for the quantitative assessment of the level of non-metallic inclusions is substantiated and the prospectivity of using the spark atomic emission spectral method to determine the concentration of non-metallic inclusions in metal products is confirmed. Metrological characteristics of determination of mass fractions of Mn, Si, Ca, Al, S forming nonmetallic inclusions in manganese steels, equations of calibration functions and correlation coefficients, limits of detection and quantitative determination are established. The necessity of adjustment of calibration charts with the use of standard samples of the composition of manganese steels is shown. The improvement of the metrological characteristics of spectral analysis using standard samples of the composition of manganese steels UG-90 and UG-102 produced by ISO CJSC in the operating range of concentrations of the defined elements, reduction of the detection limits of Mn, Al and the error of determination for Mn, Si, Ca, Al was confirmed.

Conclusion

Conclusion. The metrological characteristics of determining the mass fractions of Mn, Si, Ca, Al, which make up the main nomenclature of nonmetallic inclusions (NMI) of manganese steels, have been improved. The high precision of measuring the concentration of elements included in the inclusions of the following types has been statistically confirmed: Al2O3, Al2O3-CaO-MgO, Al2O3-MgO, Al2O3-MnS, Al2O3-MnS-CaS, Al2O3-MnS-MgO, CaS, MnS. Using a simple Student's test, the absence of a systematic error in the results and the correctness of the determination of Mn, Si, Ca, total and soluble Al, which make up non-metallic inclusions, are shown. The successfully completed first stage of the study, in turn, will allow a high degree of reliability to assess the level of inclusions by spark atomic emission spectrometry in manganese steels.

искровая атомно-эмиссионная спектрометриянеметаллические включенияпробоподготовкастандартные образцыпредел количественного определенияградуировочный графикspark atomic emission spectrometrynonmetallic inclusionssample preparationstandard samplesquantitative determination limitlinearity range of the calibration chartReferencesСнижение содержания неметаллических включений в коррозионностойкой азотсодержащей стали / С. А. Крылов, А. И. Щербаков, А. А. Макаров, О. А. Тонышева // Труды ВИАМ. 2017. № 5(53). С. 3–13. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2017-0-5-1-1.Krylov S. A., Shcherbakov A. I., Makarov A. A., Tonysheva O. A. Snizhenie soderzhaniya nemetallicheskih vklyuchenij v korrozionnostojkoj azotsoderzhashchej stali [Reduction of nonmetallic inclusions in the nitrogen-containing corrosion-resistant steel]. Trudy VIAM = Proceedings of VIAM, 2017, vol. 5 (53), pp. 3–13. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2017-0-5-1-1Новые типы неблагоприятных неметаллических включений на основе MgO-Al2O3 и металлургические факторы, определяющие их содержание в металле. Часть I. Причины и механизмы образования в стали неметаллических включений на основе алюмомагниевой шпинели / А. И. Зайцев, И. Г. Родионова, Г. В. Семернин, Н. Г. Шапошников, А. Ю. Казанков // Металлург. 2011. № 2. С. 50–55.Zaytsev A. I., Rodionova I. G., Semernin G. V., Shaposhnikov N. G., Kazankov A. Yu. Novye tipy neblagopriyatnyh nemetallicheskih vklyuchenij na osnove MgO-Al2O3 i metallurgicheskie faktory, opredelyayushchie ih soderzhanie v metalle. CHast' I. Prichiny i mekhanizmy obrazovaniya vstali nemetallicheskih vklyuchenij na osnove alyumomagnievoj shpineli [New types of unfavourable nonmetallic inclusions on basis of MgO–Al2O3 and metallurgical factors determinative their content in metal. Part I. Reasons and mechanisms of formation of nonmetallic inclusions based on alumomagnesium spinel]. Metallurg' = Metallurgist, 2011, vol. 2, pp. 50–55.Игнатов М. Н., Игнатова А. М., Канина А. Е. Идентификация и изучение свойств неметаллических включений в сварных соединениях // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2013. № 2(26). С. 140–148.Ignatov M. N., Ignatova A. M., Kanina A. E. Identifikaciya i izuchenie svojstv nemetallicheskih vklyuchenij v svarnyh soedineniyah [Identification amd properties of nonmetallic inclusions in welded joints]. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Povolzhskij region. Tekhnicheskie nauki = University proceedings. Volga region. Technical sciences, 2013, vol. 2(26), pp. 140–148.Неметаллические включения и дефекты в электрошлаковом слитке / С. Е. Волков, А. Е. Волков, Ю. И. Забалуев, А. М. Буряковский. М.: Металлургия, 1979. 136 с.Volkov S. E., Volkov A. E., Zabaluev Yu. I., Buryakovskij A. M. Nemetallicheskie vklyucheniya i defekty v elektroshlakovom slitke [Non-metallic inclusions and defects in electroslag ingot]. Moscow, Metallurgy Publ., 1979. 136 p.Селиванова Е. С., Полякова М. А. Особенности применения анализатора THIXOMET PRO для определения чистоты высокоуглеродистой катанки по неметаллическим включениям // Теория и технология металлургического производства. Общие вопросы по металлургии. 2017. № 4(23). С. 41–45.Selivanova E. S, Polyakova M. A. Osobennosti primeneniya analizatora THIXOMET PRO dlya opredeleniya chistoty vysokouglerodistoj katanki po nemetallicheskim vklyucheniyam [Peculiarities of application the image analyzer Thixomet Pro for determination the high carbon steel wire rod on non-ferrous inclusions]. Teoriya i tehnologiya metallurgicheskogo proizvodstva = The theory and process engineering of metallurgical production, 2017, vol. 23(40), pp. 41–45.Karasev A.V., Suito H. Analysis of size distributions of primary oxide inclusions in Fe-10 mass pct Ni-M (M=Si, Ti, Al, Zr and Ce) alloy // Metallurgical and Materials Transactions B. 1999. Vol. 30, no. 2. P. 259–270. https://doi.org/10.1007/s11663-999-0055-0.Karasev A.V., Suito H. Analysis of size distributions of primary oxide inclusions in Fe-10 mass pct Ni-M (M=Si, Ti, Al, Zr and Ce) alloy. Metallurgical and Materials Transactions B, 1999, vol. 30(2), pp. 259–270. https://doi.org/10.1007/s11663-999-0055-0Ohta H., Suito H. Characteristics of particle size distribution of deoxidation products with Mg, Zr, Al, Ca, Si/Mn and Mg/Al in Fe10 mass % Ni alloy // ISIJ International. 2006. Vol. 46, no. 1. P. 14–21. http://dx.doi.org/10.2355/isijinternational.46.14.Ohta H., Suito H. Characteristics of particle size distribution of deoxidation products with Mg, Zr, Al, Ca, Si/Mn and Mg/Al in Fe10 mass % Ni alloy. ISIJ International, 2006, vol. 46(1), pp. 14–21. http://dx.doi.org/10.2355/isijinternational.46.14Application of extreme value analysis for two- and three-dimensional determinations of the largest inclusion in metal samples / Y. Kanbe, A. Karasev, H. Todoroki, P. G. Jönsson // ISIJ International. 2011. Vol. 51, no. 4. P. 593–602. https://doi.org/10.2355/isijinternational.51.593.Kanbe Y., Karasev A., Todoroki H., Jönsson P. G. Application of extreme value analysis for two- and three-dimensional determinations of the largest inclusion in metal samples. ISIJ International, 2011, vol. 51(4), pp. 593 – 602. https://doi.org/10.2355/isijinternational.51.593Применение метода фракционного газового анализа для контроля технологии производства стали 22ГЮ / А. О. Морозов, А. С. Шуянов, А. С. Лукин, С. Б. Румянцева, О. А. Комолова, К. В. Григорович, А. Ю. Ем, А. А. Жемков, А. М. Погодин // Металлы. 2022. № 4. С. 67–73. http://dx.doi.org/10.1134/S0036029522070084.Morozov A. O., Shuyanov A. S., Lukin A. S., Rumyantseva S. B., Komolova O. A., Grigorovich K. V., Em A. Yu., Zhemkov A. A., Pogodin A. M. Primenenie metoda frakcionnogo gazovogo analiza dlya kontrolya tekhnologii proizvodstva stali 22GYU [Application of Fractional Gas Analysis to Control the Production of 22GYu Steel]. Metally = Russian Metallurgy, 2022, vol. 4, pp. 67–73. http://dx.doi.org/10.1134/S0036029522070084Григорович К. В. Фракционный газовый анализ – новое направление в контроле качества материалов // Аналитика и контроль. 2000. № 4(3). С. 244–251.Grigorovich K. V. Frakcionnyj gazovyj analiz – novoe napravlenie v kontrole kachestva materialov [Fractional gas analysis is a new direction in the quality control of materials]. Analitika i kontrol = Analytics and control, 2000, vol. 4(3), pp. 244–251.Изменение содержания различных типов неметаллических включений в процессе внепечной обработки низкоуглеродистой стали класса IF / Д. В. Горкуша, К. В. Григорович, А. В. Карасев, О. А. Комолова // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. 2019. № 62(5) С. 345–352. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-5-345-352.Gorkusha D. V., Grigorovich K. V., Karasev A. V., Komolova O. A. Izmenenie soderzhaniya razlichnyh tipov nemetallicheskih vklyuchenij v processe vnepechnoj obrabotki nizkouglerodistoj stali klassa IF [Content modification of different types of nonmetallic inclusions during low-carbon IF steel ladle treatment]. Izvestiya vuzov. Chernaya Metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy, 2019, vol. 62(5), pp. 345–352. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-5345-352Григорович К. В. Современные методы определения газообразующих примесей в металлах, сплавах и градиентных материалах – новые аналитические возможности // XX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии: тезисы докладов: в 5 т. Екатеринбург: Уральское отд-ние РАН, 2016. С. 181.Grigorovich K. V. [Modern methods for the determination of gas-forming impurities in metals, alloys and gradient materials - new analytical possibilities]. XX Mendeleevskii s"ezd po obshchei i prikladnoi khimii. Tezisy dokladov [XX Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry. Abstracts]. Yekaterinburg, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 2016, p. 181. (In Russ.)Григорович К. В. Новые возможности современных методов определения газообразующих примесей в металлах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. № 73(1). С. 23–34.Grigorovich K. V. Novye vozmozhnosti sovremennyh metodov opredeleniya gazoobrazuyushchih primesej v metallah [New opportunities of modern methods of gas-forming impurities in metals determination]. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov = Industrial laboratory. Diagnostics of materials, 2007, vol. 73(1), pp. 23–34.Determination of steel cleanliness in ultra low carbon steel by pulse discrimination analysis optical emission spectroscopy technique / M. M. Pande, M. Guo, R. Dumarey, S. Devisscher, B. Blanpain // ISIJ International. 2011. Vol. 51(11). P. 1778–1787. https://doi.org/10.2355/isijinternational.51.1778.Pande M. M., Guo M., Dumarey R., Devisscher S., Blanpain B. Determination of steel cleanliness in ultra low carbon steel by pulse discrimination analysis optical emission spectroscopy technique.  ISIJ International, 2011, vol. 51(11), pp.  1778–1787. https://doi.org/10.2355/isijinternational.51.1778Böhlen J.-M., Yellepeddi R. Применение оптической эмиссионной спектрометрии для комбинированного количественного анализа и сверхскоростного анализа неметаллических включений в металлургии // Литье и металлургия. 2012. № 1(64). С. 115–120.Böhlen J.-M., Yellepeddi R. Primenenie opticheskoj emissionnoj spektrometrii dlya kombinirovannogo kolichestvennogo analiza i sverhskorostnogo analiza nemetallicheskih vklyuchenij v metallurgii [Application of optical emission spectrometry for combined quantitative analysis and ultrafast analysis of nonmetallic inclusions in metallurgy]. Lit'yo i metallurgiya = Casting and metallurgy, 2012, vol. 1(64), pp. 115–120.Бокк Д. Н., Лабусов В. А. Определение неметаллических включений в металлических сплавах методом атомно-эмиссионной спектрометрии с искровым возбуждением (обзор) // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. № 84(12). С. 5–12. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2018-84-12-5-19.Bock D. N., Labusov V. A. Opredelenie nemetallicheskih vklyuchenij v metallicheskih splavah metodom atomno-emissionnoj spektrometrii s iskrovym vozbuzhdeniem (obzor) [Determination of non-metallic inclusions in metal alloys by spark atomic emission spectrometry (review)]. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov = Industrial laboratory. Diagnostics of materials, 2018, vol. 84(12), pp. 5–12. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2018-84-12-5-19Черникова И. И., Фурсова С. С., Ермолаева Т. Н. Анализ медных сплавов методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой и искровым пробоотбором // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. № 86(3). С. 11–19. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-3-11-19.Chernikova I. I., Fursova S. S., Ermolaeva T. N. Analiz mednyh splavov metodom atomno-emissionnoj spektrometrii s induktivno-svyazannoj plazmoj i iskrovym probootborom [Analysis of copper alloys by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry with spark sampling]. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov = Industrial laboratory. Diagnostics of materials, 2020, vol. 86(3), pp. 11–19. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-3-11-19Троицкий Д. Ю., Медведев Н. С., Сапрыкин А. И. Возможности установки искрового пробоотбора для анализа металлических образцов методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2017. № 83(1–2). С. 77–81.Troitskiy D. Yu., Medvedev N. S., Saprykin A. I. Vozmozhnosti ustanovki iskrovogo probootbora dlya analiza metallicheskih obrazcov metodom atomno-emissionnoj spektrometrii s induktivno-svyazannoj plazmoj [Analytical Capabilities of Spark Sampling Device for ICP-AES Analysis of Metal Samples]. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov = Industrial laboratory. Diagnostics of materials, 2017, vol. 83(1–2), pp. 77–81.On the comparative inclusion analysis in steels: Spark-DAT, ASCAT and optical microscopy / S. T. P. Passigatti, M. S. de Oliveira, J. R. de Oliveira, R. M. de Souza, E. A. Vieira // Journal of material research and technology. 2022. No. 19. P. 4745–4755. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.06.155.Passigatti S. T. P., Oliveira de M. S., Oliveira de J. R., Souza de R. M., Vieira E. A. On the comparative inclusion analysis in steels: Spark-DAT, ASCAT and optical microscopy. Journal of material research and and technology, 2022, no. 19, pp. 4745–4755. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.06.155Дурнова И. А., Алексашина О. В., Ковалев И. Б. Особенности метода рекалибровки при анализе сталей на оптико-эмиссионном спектрометре // Инновационное развитие техники и технологий в промышленности: cборник материалов Всероссийской научной конференции молодых исследователей с международным участием. М.: Российский государственный университет имени А. Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство), 2021. С. 150–154.Durnova I. A., Aleksashina O. V., Kovalev I. B. [Features of the recalibration method in the analysis of steels on an optical emission spectrometer]. Innovacionnoe razvitie tekhniki i tekhnologij v promyshlennosti. Sbornik materialov Vserossiiskoi nauchnoi konferentsii molodykh issledovatelei s mezhdunarodnym uchastiem [Innovative development of machinery and technologies in industry. Collection of materials of the All-Russian Scientific Conference of Young Researchers with International participation]. Moscow, Kosygin Russian State University (Technologies. Design. Art), 2021, pp. 150–154. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.