Изучение условий экспрессного определения элементов, образующих неметаллические включения в марганцовистой стали, на искровом атомно-эмиссионном спектрометре ARL iSpark 8860

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. 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. 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. 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. 

1. Снижение 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.

2. Новые 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.

3. 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.

4. Неметаллические включения и дефекты в электрошлаковом слитке / С. Е. Волков, А. Е. Волков, Ю. И. Забалуев, А. М. Буряковский. М.: Металлургия, 1979. 136 с.

5. 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.

6. 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.

7. 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, no. 1. P. 14–21. http://dx.doi.org/10.2355/isijinternational.46.14.

8. Application 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.

9. Применение 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.

10. Григорович К. В. Фракционный газовый анализ – новое направление в контроле качества материалов // Аналитика и контроль. 2000. № 4(3). С. 244–251.

11. 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.

12. Григорович 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.

13. Григорович К. В. Новые возможности современных методов определения газообразующих примесей в металлах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. № 73(1). С. 23–34.

14. 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.

15. Böhlen 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.

16. 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.

17. Черникова 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.

18. Троицкий 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.

19. 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.

20. Дурнова 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.