автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Эмиссионный спектральный анализ стали с применением комбинированного источника возбуждения спектров

АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛОРУССКОЙ ССР ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

ДУШЕНИНЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ УДК 543.42 + 669.14 : 537.54

ЭМИССИОННЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТАЛИ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМБИНИРОВАННОГО ИСТОЧНИКА ВОЗБУЖДЕНИЯ СПЕКТРОВ

Специальность 05. 11. 13 —

Приборы и методы контроле природной среды, веществ, материалов и изделии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск — то

|

ации^

Специализированный Совет НПФ АН БССР направляет ам для ознакомления автореферат диссертации ДУШЕНИ-1Л Е. Н., представленной для защиты на соискание ученой гспсии кандидата технических наук.

Работа выполнена па Волгоградском ордена Трудового распого Знамени и ордена Отечественной воины I степени /достроительном заводе.

Научный руководитель — доктор физико-математических

наук, профессор А. А. ЯНКОВСКИЙ

Официальные оппоненты: академик АН БССР, доктор

физико-математических наук 13. С. БУРАКОВ

кандидат фнзико-матем атн ч е-ских паук Л. М. КАГАН

Ведущая организация: Ленинградское оптико-механическое объединение

Просим Вас, сотрудников Вашего учреждения, интересу-ндихся темой диссертации, принять участие в заседании спе-иализнрованного Совета или прислать отзывы (2 экз., заве-сниые печатью, один из них — на бланке учреждения) по ад-есу: 220600, г. Минск, ГСП, ул. Академическая, 16, ИПФ 1Н БССР.

Защита диссертации состоится « » декабря 1990 года а заседании специализированного Совета ИПФ АН БССР.

Автореферат разослан « £ » ноября 1990 года.

С диссертацией можно ознакомиться в технической биб-шотеке ИПФ АН БССР.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО СОВЕТА

КАНДИДАТ ТЕХНИЧЕСКИХ

НАУК В. А. РУДНИЦКИИ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Прогресс современного машинострое-шя предъявляет возрастающие требования к повышению ка-[ества металлургической продукции. Существенную роль при том играет экспресс-контроль химического состава металла.

Наиболее совершенным и универсальным методом опреде-[ения химического состава сталей и сплавов является атом-[ын эмиссионный спектральный анализ.

Основную роль в процессе спектрального анализа играют сточникн возбуждения атомных спектров, определяющие оступление вещества из анализируемого образца и возбуж-,енне его спектра.

Резервы улучшения и совершенствования методов спек-ралыюго анализа в значительной степени заключаются в зучении процессов, протекающих в источниках света, и ис-ользовашш их новых возможностей.

В практике спектрального анализа широко используются сточники света на основе дуговых или искровых электрнче-ких разрядов. Однако эти источники имеют ограниченный иапазон применения.

При анализе сталей с помощью дуговых источников не-озможно определение углерода по линии С III 229.6 нм. Перовые разряды в «жестком» режиме позволяют возбуждать инии ионов, однако при их использовании встречаются труд-ости определения малых концентраций металлических эле-ентов по линиям нейтральных атомов с малыми энергиями озбуждения.

Кроме того, обычные дуговые и искровые разряды не по-золяют получать достаточно стабильные условия поступле-пя вещества анализируемых образцов в облако разряда из-1 влияния состава и структуры пробы на интенсивность 1ектральных линий.

В связи с этим актуальным направлением исследований :точников возбуждения атомных спектров, представляющим аучный и практический интерес, является изучение совмест-эго комбинированного воздействия искровых и дуговых раз-ядов на электропроводные образцы.

В литературе описаны комбинированные источники светг позволяющие получить ряд преимуществ при спектрально: анализе металлических образцов и неэлектропроводиых проС Эти разряды получались, как правило, наложением на дуге вые разряды кратковременных искровых импульсов, что пг. зволпло расширить диапазон условии возбуждения спектров ; увеличить эффективность использования анализируемого во щества.

Цель работы — создание источника возбуждения спектров .характеристики которого позволяли бы разработать универ сальные методики выполнения измерения аналитического сиг нала за короткое время обжига и экспозиции при одновремен ной регистрации химических элементов с широким диапазо ном потенциалов ионизации н возбуждения.

Основные задачи работы:

— исследование условий поступления вещества пробы I возбуждения эмиссионных спектров излучения комбинирован ных разрядов, изучение закономерностей процессов, происходящих под воздействием этих разрядов на поверхности анализируемого образца;

— выбор и оптимизация электрических параметров комбинированного разряда;

— разработка и аттестация методики выполнения измерения массовых долей углерода, кремния и других элементов на квантометре при атмосферном давлении воздуха с применением разработанного источника возбуждения;

— обобщение результатов исследовании, внедрение нового источника возбуждения и методики выполнения измерении, разработка рекомендаций для расширения практического применения их в отраслях народного хозяйства с целью повышения эффективности определения химического состава сталей по ходу плавки;

— оценка экономических показателе!! внедрения нового источника возбуждения и методики определения массовой доли элементов.

Научная новизна работы:

— создание источника комбинированного разряда, имеющего характеристики, отличные от известных в литературе.

представляющего собой чередование двух электрических разрядов: «жесткого» низковольтного искрового в отрицательный полупериод сетевого напряжения и «мягкого» дугового в положительный иолупернод с примерно одинаковой энергией обоих разрядов;

— стабилизация эрозионных процессов, происходящих на поверхности анализируемого образца под воздействием комбинированных разрядов;

— уменьшение ликв!щации легирующих элементов в пятнах эрозии комбинированных разрядов;

— улучшение спектроаналнтических характеристик комбинированного способа возбуждения спектров.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Источник комбинированного возбуждения, обеспечивающий чередование двух электрических разнополярных чисто дуговых и чисто искровых разрядов с примерно одинаковой энергией обоих разрядов.

2. Стабилизация эрозионных процессов на поверхности анализируемого образца при комбинированном способе воз' буждення за счет повышения однородности структуры контролируемой пробы.

3. Исследование закономерностей возбуждения спектральных линий химических элементов с широким диапазоном энергии возбуждения. Улучшение аналитических характеристик спектрального контроля низколегированных и углеродистых сталей.

4. Разработка и аттестация методики выполнения измерений массовых долей легирующих элементов углеродистой и среднелегированной стали на квантометре с применением комбинированного возбуждения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены: на Белорусских республиканских семинарах по спектральному анализу (Гомель, 1986; Минск, 1987; Могилев, 1988; Брест, 1989; Минск, 1990); на Третьей Всесоюзной конференции по новым методам спектрального анализа( Запорожье, 1987); на региональном совещании по состоянию и перспективам развития современ-

пых методов контроля химического состава материалов, применяемых в отрасли (Николаев, 1986); на межзаводских школах передового опыта по прогрессивным методам экспресс-анализа химического состава стального и чугунного литья Министерства судостроительной промышленности (Севастополь, 1987); (Калининград, 1989).

Объем И структура диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (140 наименований) и пяти приложений. Она изложена на 150 страницах основного машинописного текста и содержит 12 таблиц и 34 рисунка. Основной текст дополнен приложениями(30 стр., одной программой, 3 табл.).

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и ее связь с практикой, формулируется основная задача, содержание проведенных исследований и цель работы. Приводится краткое содержание работы по главам. Характеризуется ее метод, научная новизна, а также научная и практическая ценность. Сформулированы основные защищаемые положения. Отражена апробация работы.

В первой главе представлен литературный обзор по тематике диссертационной работы. В обзоре рассматриваются основные характеристики существующих и широко применяемых в спектроаиалитичсской практике источников возбуждения спектров, таких как дуга постоянного и переменного тока, искровые разряды, пламенные источники, индукцнонно-связан-нап плазма, тлеющий разряд и лазерные источники света.

Выполнен анализ работ по созданию и применению комбинированных источников возбуждения спектра за последние 60 лег. По выполненному сравнительному анализу классических н комбинированных источников света сформулированы основные требования к разрабатываемому комбинированному источнику возбуждения спектра, который должен обеспечивать:

— одновременное возбуждение аналитических спектральных линий с различными потенциалами ионизации, такие как углерод, кремний н другие;

— по всем определяемым химическим элементам выполне-

1ПЮ требовании, предусмотренных ГОСТ 18895-81 «Сталь. Методы фотоэлектрического анализа»;

— высокую скорость испарения анализируемого вещества для усреднения состава контролируемой пробы;

— сокращение экспресс-контроля в 2 — 3 раза, по сравнению с традиционно применяемыми источниками возбуждения спектров;

— проведение анализа без применения защитной атмосферы инертного газа;

— высокую эффективность использования энергии накопительного конденсатора с наличием точной стабилизации напряжения источника питания дуговой фазы разряда для каждого ее разрядного импульса.

Во второй главе рассмотрены физические аспекты разработанного разряда и модели процесса через интенсивность линий элементов, которая пропорциональна — количеству атомов элемента, поступающих в единицу объема дугового разряда, и — средней продолжительности их пребывания в зоне возбуждения, согласно формуле: ёг

=е I /7 , где

/2 — количество атомов, поступающих в единицу объема дуги;

2Т — продолжительность пребывания атомов в зоне возбуждения;

У — коэффициент использования;

— коэффициент соответствует атомной или ионной линии;

£1 —энергия возбуждения атома (иона);

7* — температура разряда;

— вероятность спонтанного излучения атома (иона);

— энергия квантов излучения.

Параметры/2 и Т, входящие в данную формулу, пе являются строго постоянными, а зависят от воздействия электрического. разряда на пробу и протекающих соответствующих процессов окисления и испарения элементов.

Под действием дугового разряда поверхностный слон

стальной пробы теряет характерные свойства твердой фазы, приближается к расплаву. При этом развивается высокотемпературное окисление железа и легирующих элементов. Вероятнее всего, происходит рост окпсной_ пленки сложного состава, состоявшей шр-сО) Ре^&ч} •

Высокая температура способствует большой скорости окисления железа и других элементов. После воздействия анодной дуги в микрорельефе пятен эрозии образуются бесформенные расплавы, покрытые толстой окалиной.

Отрицательные энтальпии образования окислов элементов, например, железа (для —1116 кДж/моль) говорят об

устойчивой тенденции атомов перейти в окисел. Тем самым уменьшается количество атомов элемента (/2. ), поступающих в плазму разряда и потенциально способных к возбуждению спектральных линий, а также время их пребывания в плазме (Г ).

Для стабилизации скорости испарения и времени пребывания атомов в плазме разряда, а также уменьшения влияния окисления используется униполярная катодная искра. Во время кратковременных искровых разрядов поток положительных ионов попадает на окисленную поверхность стальной пробы, производит электрический пробой окисной пленки, а возникающие электродинамические и газодинамические эффекты способствуют диспергированию пленки.

Физико-химические процессы на поверхности пробы и в плазме сдвигаются в сторону меньшего влияния избирательного окисления и стабилизации параметров /2 и 2Г . Это способствует повышению сходимости, воспроизводимости и точности результатов спектрального анализа.

Кроме того, повышение температуры плазмы разряда за счет искровой фазы позволяет одновременно возбуждать на воздухе аналитические линии химических элементов с различными потенциалами ионизации, например, таких как углерод и другие.

Представлена элкетрическая схема разработанного комбинированного источника света, состоящая из параллельной зарядной цепи накопительного конденсатора, предназначенной для раздельной зарядки его в дуговой и искровой фазе разряда и обеспечивающей изменение частоты разряда искровых импульсов. Разрядная цепь в один полупериод сетево-

го напряжения обеспечивает чисто дуговую фазу разряда, при прохождении разряда накопительного конденсатора через сопротивление, а в другой полупериод — чисто искровой разряд, при прохождении разряда через диод. Характерная особенность данной схемы — это единый источник энергии для дуговой и искровой фазы разряда, которым является накопительный конденсатор. Это позволяет обеспечивать точную стабилизацию напряжения дугового разряда. В разрядную цепь искрового контура после диода может включаться индуктивность. Поэтому разработанный источник позволяет изменить условия возбуждения спектров в широком диапазоне за счет вариаций сопротивления разрядного и зарядного контура, индуктивности и других параметров, получать разряды с заданными характеристиками для решения различных епектроаналитиче-ских задач.

Выбор электронных компонентов п их параметров осуществляется путем исследования зависимости изменения интенсивности аналитических линии углерода, кремния, марганца, хрома, никеля, молибдена, ванадия и титана от емкости накопительного конденсатора (в диапазоне 10—18 мкф), тока дуговой фазы разряда (0,5 — 21 А), частоты искровых импульсов (50— 150 имп/с) и полярности, включения дугового и искрового разрядов. Это позволило определить оптимальные условия одновременного возбуждения аналитических линий углерода, кремния и других химических элементов — при разрядном напряжении накопительного конденсатора (40 мкф) 260 В, дуговом сопротивлении 40 Ом, остаточной индуктивности и частоте искровых разрядных импульсов 250 пмп/с. Включение дугового разрядного импульса в положительный полупериод сетевого напряжения, а искрового — в отрицательный увеличивает интенсивность аналитических линий по всем определяемым элементам в 3 раза, чем при обратной полярности включения.

Кривые обжига углеродистых сталей в комбинированном разряде показали, что интенсивности излучения элементов стабилизируются не более, чем через 10 секунд за счет стабильного поступления вещества анализируемой пробы в плазму разряда.

Технические характеристики и производственно-лабораторные испытания разработанного источника света выполнялись

с использованием низковольтного искрового контура генераторов ИВС-28 УГЭ-4. Определены режимы устойчивости работы комбинированного разряда.

В третьей главе содержится описание результатов исследования процессов эрозии и изменения структуры на поверхности анализируемого образца углеродистой стали, обработанной униполярными — анодной дугой, катодной искрои и комбинированным дуго-нскровым разрядами. Процессы эрозии протекающие при этом, влияют на результаты измерения массовых долей определяемых элементов.

Частота разрядов составила 50 ими/с при униполярном и 100 ими/с при комбинированном возбуждении.

Пятно эрозии, образованное комбинированным разрядом по площади в 2,8 раза, а но глубине в 1,2 раза и по объему в 3.2 раза больше пятна эрозии, образованного дуговым разрядам. Влияние времени воздействия разряда на выход вещества г, межэлектродиое пространство и плазму имело линейный характер. Тангенсы углов наклона прямых для комбинированного источника, дуги и искры относятся как 10:7:2 (что соответствует отношению масс.Р'*« , то есть наибольшая скорость расхода массы наолюдалась под воздейст-снем комбинированного разряда. Указанные тангенсы углов наклона коррелируют с энергиями активации перехода твердой фа:ы в жидкую, а жидкой фазы в парообразную и, в конечном счете, с переходом вещества пробы в межэлектродпое пространство.

Металлографическое исследование микроструктуры трансформированного поверхностного слоя углеродистой стали (ГС0138-5) под воздействием разрядов проводилось на поперечных и косых к пятнам эрозии шлифах с использованием оптического микроскопа к /(/ерр/>о± '2 / "

Химическое травление поперечных шлифов выявило на поверхности образца наличие белого слоя, который образовался после обжига дуговым и комбинированным разрядами. Образование этого слоя обусловлено высокой скоростью теплоот-вода, которая способствовала кристаллизации расплава с образованием пысокоднспсрсиых структур.

При одинаковой длительности воздействия белый слой при -комбинированном воздействии на 35% больше, чем после дугового обжига. Кроме того, в первом случае он располагается

на поверхности более равномерно. На поперечных шлифах после обработки искровым разрядом наблюдалась только перлитная составляющая.

Измерение микротвердости поверхностного слоя на поперечном шлифе иод зоной воздействия разрядов на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 50 грамм показало, что на глубине 10 мкм и более, после искрового разряда, микротвердость не меняется, у дугового пятна она составляет 880 ± 50 кг/мм2, комбинированного/С50 ± 50 кг/мм2. Известно, что наибольшая мнкротвердость закаленной углеродистой стали У7 соответствует 1000 кг/мм2 и обеспечивается наличием в микроструктуре мелкоигольчатого мартенсита. Микротвердость от 800 до 900 кг/мм2 соответствует наличию наряду с мартенситом некоторого количества остаточного аустенита или продуктов распада высокоуглеродистого твердого раствора.

Экстраполирование прямой мнкротвердостп па меньшие глубины от Поверхности образца позволяет полагать, что при комбинированном разряде мнкротвердость па поверхности образца будет вЫше 1100 кг/мм2, что может быть вызвано амор-физацией пли столбчатой кристаллизацией расплавленного металла.

Электронно-микроскопическое исследование проводилось на просвечивающем электронном микроскопе ЭМВ-100Л прп увеличениях 5000, 10000 и 20000 раз.

В исходной структуре методом углеродных реплик с поперечных шлифов наблюдались перлитные колонии.

После обработки образца катодной низковольтной искрой я поверхностном слое существенной трансформации перлитной структуры ^ёрез аустенит и мартенсит не обнаружено. Однако наблюдалось некоторое увеличение дисперсности перлита, а также ушнрепие границ ме>Кду зернами.

На репликах, снятых с зонь! воздействия катодной дугой, наблюдались- бб'лее тонкие йластины перлита, чем в матрице, а также глобулярный цементит.

После обработки' комбинированным разрядом в зоне термического йлпяння на фоне игольчатой мартенситной микроструктуры обнаруживаются высокоднсперсиыс карбиды диаметром. 500^ , а дакже более крупные глобулы размером около 2500 4 . • Образование последних, возможно, связано с тем, что граничная зона, разделяющая карбидные ча'стицы от

распадающегося мартенсита, обладает отличной химической активностью. Поэтому в этих зонах выявляются образования, передающиеся на электронных микрофотографиях в виде сферических глобул.

Рентгеноструктурное исследование выполнялось на диф-рактометре ДРОН-3. Съемка образцов проводилась в течение 1 — 10 с. Дифрактограммы снимались при углах Вульфа-Брэгга ( & ) в интервале 50 — 60°. Глубина проникновения рентгеновских лучей в металл составляла при этих углах около 10 мкм.

Обработка поверхности углеродистой стали низковольтной искрой не привела к большим изменениям кристаллической структуры, распространяющимся на значительную глубину. Положение и форма линии (ИО)сС — раствора на дифракто-граммах, снятых с пятен эрозии, соответствовало линии (ИО)с^ — феррита отожженной стали. Наблюдалось небольшое увеличение ширины линии — 3 — 5%, по сравнению с линией от матрицы. Это могло быть вызвано небольшим дополнительным растворением углерода в ^ — твердом растворе железа при некоторой диссоциации эвтектоидного цементита искровыми разрядами.

Под воздействием дугового разряда оплавление и разогрев металла распространялись на большую глубину. Вследствие этого произошли более значительные изменения в кристаллической структуре твердого раствора. Наблюдалось увеличение размытости линии; ее ширина возросла на 40%, а высота уменьшилась почти в 2 раза в сравнении с исходной матрицей. Размытость линии, в данном случае, в большей степени вызвана неоднородностью структуры, т. е. наличием кристаллов или областей твердого раствора с различным содержанием углерода.

Наибольшие изменения в кристаллической структуре поверхностного слоя образца произошли под воздействием комбинированного разряда, Резко возросла размытость линии (110), которая сопровождалась уменьшением высоты и увеличением ширины линии. Перегибы на правой ветви дифракто-метрической кривой характеризуют дублетное разделение на линии (011) М. и (110) М тетрагональной решетки мартенсита. Перегиб на левой ветви дифрактометрической кривой связан, по-видимому, с наличием линии (111) остаточного аустенита

(небольшой объемной доли), образующегося при ускоренном охлаждении разогретого металла.

Следовательно, под действием комбинированного разряда образуется оС. — твердый раствор, характеризующийся намечающимся дублетным расщеплением дифракционных линий. Возникновение такого <£ — твердого раствора обуславливает наличие более однородной структуры с более гомогенным (равномерным) распределением химических Элементов.

Топография и микрорельеф пятен эрозии исследовались на растровом электронном микроскопе РЭМ-200 при ускоряющем напряжении 30 киловольт.

В отличие от высоковольтной искры, с помощью которой .разрушаются прежде всего границы зерен с образованием характерного сотового микрорельефа, при воздействии катодного режима низковольтной искры, разряды располагаются на поверхности образца неупорядоченно. При малом времени обыскривания (5 с.) разрядом поражаются малоустойчивые к эрозии участки с образованием сферических кратеров-лунок. С увеличением времени обыскривания образуются кратеры с острыми краями. Дальнейшее протекание процесса основано на опоре плазмы разряда на острые края кратеров, углублении разряда в образец с образованием лунок большей величины.

При воздействии дуговым разрядом в анодном режиме на поверхности образца протекают интенсивные процессы плавления, испарения, окисления и т. д., которые приводят к образованию крупноочаговых сильно окисленных зон локального расплава металла в местах опоры положительного столба плазмы на исследуемый образец.

При использовании комбинированного разряда искровой импульс воздействует на разогретую зону образца, подготовленную дуговым импульсом. В этих условиях не наблюдалось значительных сильно окисленных локальных зон расплава. В этом случае отдельные искровые разряды более равномерно и плотно располагаются па поверхности пробы, образуя округлые лунки с равномерной и глубокой выработкой пробы.

Рентгеноспектральный микроанализ пятен эрозии на микроанализаторе «Камебакс-микро» показал, что в случае воздействия на образец комбинированного разряда средний уровень концентраций для всех элементов ближе к исходному по

сравнению с обработкой низковольтной искрой или дугой. Кроме того, однородность распределения элементов в зоне воздействия комбинированного разряда значительно лучше.

В четвертой главе изучен вклад дугового и искрового импульсов в интенсивность линий комбинированного разряда Выполнено исследование возбуждения аналитических линий углерода С III 229,6 им (Е = 18,09 эВ) н кремния I 228,1 нм (Е = 5,08 эВ), представляющие две группы элементов с существенно различным диапазоном потенциалов ионизации, а также линии железа Fe, 259,9 нм (Е = 4,77 эВ), являющейся внутренним стандартом при определении массовых долен элементов в углеродистых и среднелегированных сталях. Характер возбуждения аналитических линий от одиночных импульсов разрядов источника возбуждения изучался по изменению интенсивностей спектральных линий в течении этих импульсов. Одновременно с регистрацией аналитических сигналов, пропорциональных интенсивностям спектральных линий, получали временные развертки разрядного тока путем записи электрических сигналов, осциллографом HI 17.

Анализ осциллограмм результатов исследований показал, что интенсивность аналитического сигнала линии углерода в отрицательный полупериод низковольтного искрового разряда па 20 — 30% выше, чем в положительный. Изменение частоты разрядов искровых импульсов с 50 до 150 нмп/с приводит к увеличению интенсивности аналитического сигнала углерода на 25 — 40%.

Для отражения фактического поведения аналитических линий элементов в комбинированном источнике света в сравнении с искровым и дуговым разрядами и для выявления суммарного влияния основных действующих факторов гомологнч-ность аналитических линий изучалась путем исследования корреляционных связей сигналов.

Исследования выполнены с использованием фотографического метода регистрации спектров. Для исследования взяты аналитические линии элементов с разностью потенциалов ионизации от —3,98 до +0,86 эВ, приведенные в ГОСТ 18895-81.

Коэффициент корреляции дает возможность оценивать степень корреляции между двумя выбранными аналитическими линиями. Кроме того, он позволяет судить, насколько хорошо

выбраны экспериментальные условия, методы количественного спектрального анализа.

При дуговом возбуждении четыре пары аналитических линии для марганца, хрома, никеля и железа имеют коэффициент корреляции меньше 0,5, пять других — от 0,62 до 0,74.

Диалогично для искрового возбуждения шесть пар аналитических линии имеют коэффициент корреляции в интервале 0.50 — 0,71.

При комбинированном возбуждении эти же линии имеют коэффициент корреляции в интервале 0,84 — 0,92, т. е. являются весьма хорошими для количественного спектрального анализа в диапазоне рассматриваемых концентраций элементов.

Выполнен сравнительный анализ спектроаналптическнх характеристик разработанного источника света в составе фотоэлектрической системы МФС-8. Результаты измерений сравнивались с базой данных, полученных на фотоэлектрических системах ДФС-51 и ДФС-36 Ленинградского ЦНИИКМ «Прометей» с применением их рабочих методик контроля низко- и средиелегпрованных сталей. Проверка этих методик осуществлялась по комплекту ГСО УГ06-УГ96 на всех трех системах.

Градуировочныс графики, полученные на установке МФС-8 : комбинированным разряд ом, и на вакуумном спектрометре ДФС-51 для определения химических элементов в диапазоне массовых долей, таких как углерод (0,02—1,0%), кремнии (0,25—1,25%), марганец (0,05 — 1,20%), хром (0,10—1,45%), никель (0,20— 1,90%), молибден (0,05 — 0,90%), ванадий (0,05 — 0,65%) и титан (0,02 — 0,50%) имели тангенсы угла наклона, близкие к оптимальному (к единице).

Массивы измерений на обоих приборах давали линейную зегрессшо между относительной интенсивностью элемента и чопцентрацией с коэффициентами корреляции, близкими к едн-тце, и стандартными отклонениями точек измерения того же юрядка.

Градуировочные графики, полученные на установке 0,ФС-36 для определения тех же химических элементов, кроме /глерода, кремния и ванадия, которые па данном приборе не определялись, при аналогичном коэффициенте корреляции шели меньший тангенс угла наклона и больший разброс то-¡ек измерений около линии регрессии.

Сравнительный анализ градуировочных .характеристик дл>; кваитометров ДФС-51, ДФС-ЗЬ и МФС-8 с комбинированным разрядом показал, что комбинированный источник света обеспечивает одновременное возбуждение аналитических линий химических элементов с различными потенциалами ионизации без применении защитной атмосферы. При этом результаты измерений удовлетворяют требованиям ГОСТ 188У5-81. Кроме того, время контроля химического состава одной пробы на приборе МФС-8 в 5 раз меньше, чем у системы ДФС-Зб с режимом возбуждения в высоковольтной искре.

Разработана методика выполнения измерений химического состава низко- и среднелегированных сталей с применением комбинированного источника возбуждения спектров и выполнена се метрологическая аттестация. На базе фотоэлектрической установки МФС-8 с комбинированным источником возбуждения спектра разработана и создана автоматизированная система экспресс-контроля химического состава углеродистых и среднелегированных сталей по ходу технологического процесса плавки. Ьта система обеспечивает управление, измерение, обработку и передачу результатов контроля на видеотерминал сталевару. Для автоматизированной системы создан комплекс программ методического обеспечения, состоящего из управляющей программы, написанной на языке Бейсик, и внешних подпрограмм.

Автоматизированная система контроля, методика выполнения измерении химического состава сталей и комплекс программ методического обеспечения внедрены в производство на Волгоградском судостроительном заводе. Годовой экономический эффект от внедрения темы составил 65 тыс. руб., а срок окупаемости — 1,26 лет.

Рассмотрены перспективы совершенствования разработанного источника возОуждсиия спектров и методики. Так, комплектное размещение источника непосредственно в разрядной камере уменьшит остаточную индуктивность и сопротивление разрядного контура, что благоприятно повлияет на условия возоуждения аналитической линии углерода. Раздельное управление режимами работы генератора в процессе обжига и экспозиции от ЭВМ и раздельная регистрация аналитических линий значительно сократят общее время проведения анализа. Применение защитной атмосферы с одновременным уве-

лНченпсм частоты разрядных искровых импульсов должно снизить влияние состава и сфуктуры пробы на результат анализа.

ВЫВОДЫ

Разработан и исследован нсгочиик спета для возбуждении атомных спектров па основе низковольтного комбинированного разряда. С использованием металлографических, электрон-но-мнкроскопических, рентгеноструктурных, рентгенографических и мпкрорентгеноспектральных методов контроля исследованы пятна эрозии и изучены процессы изменения микроструктуры, процессы разрушения, окисления и ликвации химических элементов в поверхностном слое образцов из углеродистой стали после воздействия электрических разрядов. Выполнены исследования спектрально-аналитических возможностей комбинированного источника возбуждения спектров. Изучены его метрологические характеристики по определению массовых долей основных легирующих элементов, входящих в состав углеродистых и средпелегированных сталей. Исследованы возможности его использования ' для эмиссионного спектрального анализа низко- н средпелегированных сталей по ходу плавки.

Результаты исследований показали:

1. Возбуждение спектральных линий осуществляется за счет новой комбинации двух типов электрических разрядов, поочередно следующих в одном аналитическом промежутке, т. е. в положительный полупериод сетевого напряжения при разряде накопительного конденсатора через резистор протекает дуговая фаза разряда, а в отрицательный полупериод — искровой импульс. Это обеспечивает одновременное наличие в спектре дугогзых и искровых линий химических элементов с различными потенциалами ионизации и возбуждения. Источник обеспечивает эффективное использование энергии накопительного конденсатора за счет наличия точной стабилизации напряжения источника питания дуги каждого разрядного импульса, так как источником энергии для дугового и искрового разрядов является общий накопительный конденсатор (40мкф). Разработанный комбинированный источник света позволяет изменять условия возбуждения спектров в широком диапазоне за счет вариаций индуктивности, сопротивления и других параметров разрядного контура и получать раз-

ряды с заданными характеристиками для решения различных спектроаналитических задач.

2. Зона воздействия разряда па образец по площади и глубине больше, чем сумма этих величин классических вариантов дугового н искрового воздействия, но имеет более однородную структуру. Повышенный расход анализируемого вещества в плазме комбинированного разряда обеспечивает существенное усреднение вещества пробы в плазме разряда за меньшее время обжига. При этом снижается влияние состава пробы на результаты измерений. Выход кривых обжига на линейный участок для всех определяемых элементов в углеродистых сталях происходит не более чем за 10 е., что указывает на установление стабильного поступления вещества анализируемого образца в плазму разряда. Это позволяет сократить время анализа за счет сокращения предварительного обыскривания.

3. Спектральный анализ с применением разработанного комбинированного разряда имеет несомненные преимущества перед дуговыми н искровыми источниками света по таким спсктроаналитичсским характеристикам, как сходимость, воспроизводимость н точность. Амплитуда аналитического сигнала линии углерода на 60%, а его длительность па 40% больше, чем в режиме низковольтной искры, такой же емкости и полярности накопительного конденсатора.

В комбинированном возбуждении аналитические линии всех рассматриваемых элементов имеют более высокие коэффициенты корреляции, чем в случае дугового или искрового разрядов.

На корреляционную связь аналитических пар линий не влияют ни разность потенциалов возбуждения, ни изменение массовых долей химических элементов в образцах. Условия поступления и возбуждения в плазме комбинированного разряда близки к оптимальным.

За счет совмещения дуговых и искровых разрядов в одном аналитическом промежутке, рационального использования энергии накопительного конденсатора уменьшается влияние структуры, улучшается воспроизводимость, обеспечивается возможность использования негомологичных спектральных линий, сокращается время проведения полного анализа пробы углеродистой или конструкционной стали в 4 раза.

4. Спектроаналптические характеристики комбинированного разряда реализованы в методике выполнения измерении химического состава низко- и среднелсгированных сталей по ходу плавки, с одновременным определением углерода и других элементов. •

Метрологическая аттестация методики выполнения измерений показала, что она соответствует требованиям, предъявляемым ГОСТ 18895-81 по сходимости и воспроизводимости результатов измерений. Точность определения элементного состава сталей не хуже, чем у вакуумного квангометра ДФС-51, и выше, чем у фотоэлектрической системы ДФС-36.

Разработана и создана автоматизированная система с комплексом методического и программного обеспечения для экспресс-контроля химического состава сталей по ходу технологического процесса плавки, которая обеспечивает управление, измерение, обработку и передачу результатов контроля па видеотерминал сталевару.

5. Разработанная тема является рентабельной, так как общие затраты на приобретение оборудования и разработку методического и программного обеспечения составляют 82 тыс. руб., а годовой эффект за счет увеличения числа злементооп-ределений и снижения их себестоимости составил 65 тыс. руб. и срок окупаемости разработки 1,26 лет.

Основные материалы по теме диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Душенин Е. Н. Применение комбинированных электрических разрядов для анализа стали // Применение спектрального анализа в народном хозяйстве и научных исследованиях. — Минск: АН БССР, 1986. — С. 58 — 60.

2. Душенин Е. Н. Электрический комбинированный источник света для одновременного определения химических элементов с резкоразличимыми потенциалами 'возбуждения// III Всесоюзная конференция по новым методам спектрального анализа: Тез. докл. — М.: АН БССР. 1987. — С. 124.

3. Душенин Е. Н. Спектральный анализ сталей с применением фотоэлектрических установок // Технология судостроения. — 1987. — 11. — С. 87.

4. Душенин Е. Н., Кудюкнн В. Н. Способ возбуждения эмне-

сионных спектров /У Положительное решение по заявке па изобретение № 4460412 от 27. 03.90 г.

5. Душепин Е. Н. Дееятиканальнын оптический кванто-ыстр ПАУ-1 с автоматической обработкой результатов измерений /( Информационный листок — М., ВИМИ, 1988. № 88-2526.

6. Душенин Е. Н. Определение фосфора в черных сплавах // Информационный листок — Волгоград, ЦНТИ, 1990, № 121-90,

Тип. ВгСЗ. 881 — 100