紹介
鉄鋼プラントは、ステンレス鋼中の炭素が最大4~5%の原料鉄から数ppmまでの全鋼生産過程で炭素含有量の減少を観察します。炭素含有量は、磁性、硬度、弾性などの鉄の材料特性だけでなく、磁性にも影響します。たとえば、鋳鉄(2~4% C)は脆性だが鋳造可能であり、工具鋼(0.4~1.7% C)は弾性で延性があり、炭素鋼(0.4% C)は鍛造可能でシート、チューブ、鋼桁に使用できます(1)。
元素炭素は、鉄マトリックス内で異なる形式で存在し、炭化物として他の元素に結合したり、鉄マトリックスに溶解したり、元素炭素として使用できます(2)。材料特性への影響から、炭素と硫黄の濃度はクロスリファレンスブック「Key to Steel」に記載されています。
炭素・硫黄濃度の測定
だからこそ、炭素や硫黄の含有量を迅速かつ効率的に求めることが重要なのです。鉄鋼や鉄系製品、フェロクロムなどの一般的な鋳造品では、C/S濃度の測定にはさまざまな方法が用いられます。その中には、分光法や特殊な炭素/硫黄分析のような多元素技術もあります。
スパークOESやGDOESのような多元素技術では、表面の一部を取り除き、取り除いた原子を励起します。この励起は光学系で測定できる元素固有の発光を引き起こします。 (CCD検出のローランド円など) この励起原子の放出波長は、その化学的性質に依存し、元素ごとに異なります。したがって、炭素と硫黄だけでなく、マンガンやクロムのような他の元素濃度も同時に測定できます。 成功し、信頼性の高い測定には、平坦でクリーンなサンプル表面が必要です。 炭素や硫黄の元素不純物を含むワイヤー、造粒、粉、試料、あるいはサンプルは、これらの多元素技術では分析できないか、炭素/硫黄分析のプロセスがかなり制限されます。 (3)
I-OESCPのような他の分光技術では、特定の形状に制限されず、特定の試料を溶かすと硫黄濃度が低いと、除去された原子を励起します。 この励起は、光学系で測定できる元素固有の発光を引き起こします。 励起原子の放出波長は、非常に小さい炭素や硫黄濃度を勘定するのに非常に有効です。
励起原子の放出する波長は、炭素と硫黄の化学的な性質に依存し、各元素ごとに異なります。
マンガンやクロムのような他の元素濃度も測定できます。
そのため、炭素や粒子炉のような、電子伝導性分析器で同時に測定するよりも、分析器で測定するほうが効率的です。
炭素や炉の中で、炭素や粒素酸化物の濃度を測定する場合は、粒�子粒������子粒�����子密度を測定するの濃度を測定するのが高くなります。
最新の燃焼分析装置
これらの時代遅れの方法とは対照的に、最近の燃焼分析装置は炭素と硫黄の濃度を数秒で測定します。ELTRAのELEMENTRAC CS-iのような分析装置は、炭素と硫黄の両方の測定に40秒という公称時間しか必要としません。
信頼性が高く高速な元素分析のために、CS-iはインテリジェントなランス管理、加熱ダストトラップ、内蔵触媒を備えた出力制御可能な誘導炉を使用します。最大4つの赤外線セルにより、幅広い測定範囲が得られます。このセットアップにより、炭素と硫黄の含有量を数ppmからパーセント範囲まで測定でき、関連するすべての国際標準(表1)および文献(4)に準拠しています。
この方法での炭素と硫黄の測定は、迅速で簡単で、学術的なスタッフでも非学術的なスタッフでも同じように実行できます。分析プロセスは、セラミックるつぼにサンプルを計量し、ソフトウェアにログインして、加速器を追加し、測定プロセスを開始するなど、わずかな作業ステップで済みます。
さらに詳細な「ブラックボックス燃焼分析装置」を理解するには、分析装置のソフトとハードウェアによって制御されます。
試料調製
燃焼分析のための試料調製には、液体融解物から試料を準備したり、大きな試料(例えば鉄棒)のサイズを小さくしたり、分析の直前に試料を洗浄したり(例えばアセトンで洗浄したり)といった異なるプロセスが含まれます。<br><br>液体鉄や鋼から試料調製の過程は、DIN EN ISO 14284:2002または類似の規格ASTM E1806に記述されています。溶解物のサンプル調製は、分析対象の鉄塩基(例えば銑鉄、鋳鉄、鋼鉄)や好ましい試料採取ツールによって異なります。<br><br>一般的な試料採取手順には、プローブの使用やスプーンによるサンプリング、その後に試料を金型で冷却する手順が含まれます。一部の金型構成では、分光分析用の試料を作成し、元素分析用のいくつかの追加のピンを使用します(ASTM E 1806-09規格の図2を参照)。このような金型は、1回構築するだけで、その後数回使用できます。<br>ピンが入手できない場合は、より大きな固体試料をドリルしてC/S分析用の試料を得ることができます。<br>穴あけの速度と詳細は前述のASTMおよびISO規格に記載されています。<br>鉄試料の調製は通常、分析を開始する直前に洗浄する必要はありません。<br>炭素分析または炭素分析を開始する前に、炭素分析のためには、他の有機溶媒や硫酸塩の濃度を測定する必要があるため、このステップは必須ではありません。<br>他の有機溶媒化分析装置を使用して分析を行うことをお勧めします。
燃焼過程
約 500–1000 mg のサンプルを準備した後、材料をセラミックのるつぼに移し、適切な加速器を追加します。誘導炉は、スムーズな燃焼と結合した炭素と硫黄の完全な放出を確保するために、銅、タングステン、またはタングステンと錫の混合物のような金属加速器を必要とします。
燃焼プロセスは、サンプル/加速器混合物を含むセラミックるつぼを誘導コイル内に移動し、炉を起動します。誘導コイルは、加速器の自由電子と相互作用する電場を作成し、このようにして混合気が最大 2,100 °C まで加熱して溶融します。
燃焼ゾーン内の酸素の強い流れ(たとえば 180 l/h)のため、るつぼ内の結果の温度はさらに2,100 °C よりも高くなります。追加の熱は加速器とサンプルの酸化プロセスから生じます。その結果、モリブデン(融点 2,623 °C)などの耐火物を溶融および酸化するのに十分な温度です。
燃焼プロセスの選択は重要です。タングステンまたは硫黄の混合物が同時に使用できる場所では、異なる測定中にのみ炭素の定量に利用できるため、
燃焼プロセスは、低濃度の炭素加速器の測定に利用し、
炭素の濃度の測定に適した低濃度の硫黄化物を形成することが推奨されます。
抵抗炉とは異なり、誘導炉は一定の温度(例えば2,000℃)に設定できません。るつぼ内の結果の温度は、化学組成、加速器と試料の量、および酸化プロセスの強度に影響されます。しかし、誘導炉の印加電力を減らすことで燃焼温度に影響を与えることができます。さらに、ELEMENTRAC CS-iは位相角コントローラを使用します。さらに、銅やマグネシアのような低融点のサンプルは、低温でより正確に分析されます。この精度の向上は、主にるつぼ内部のスパッタを減らすことで達成されます。<br><br>スパッタリングされたサンプルは通常、燃焼管で凝縮し、結合した炭素や硫黄にアクセスできなくなります。加速器の正しい選択に加えて、炭素/硫黄分析器での完全燃焼を保証するために十分な酸素供給が必要です。 ELEMENTRAC CS-iのインテリジェントランス管理(ILM)は、燃焼プロセス中の酸素供給を強力に制御します。鉄鋼などの固体金属サンプルでは、酸素ストリームに直接焦点を当てて完全な酸素フロー(180 lh)が保証されます。この高度な酸素フロー(180 llh)は、セラミックスのような微細な粉塵やるつぼ状のサンプルに直接粉を吹き出すときにのみ、酸素供給の集中管理が行われます。この高度な酸素フロー(20秒後段の酸素供給)は、完全な燃焼室(後段の酸素供給)に焦点を当てて行われます。
加熱式ダストトラップとダスト管理
金属試料の燃焼は、赤外線セル内の炭素と硫黄の測定に影響を与える可能性のある微細なダストを生成します。分析装置内部のダストの沈殿を防ぐために、ELEMENTRAC CS-iは誘導炉のすぐ後ろにある小さなメッシュ状の金属フィルターを使用します。
加熱ハウジングに配置されたこのフィルターは、低すぎる硫黄濃度の測定につながる可能性のある水の痕跡の凝縮を回避します。燃焼ガスにはサンプルの水分と、より少ない範囲ではサンプルに結合する酸化水素の痕跡があるため、水蒸気の痕跡が見つかります。
加熱ダストトラップがなければ、水蒸気は金属フィルター内で凝縮し、気体の二酸化硫黄を吸収します。形成された硫酸は赤外線セル内で判別できなくなります。
CS-iの加熱ダストトラップは、水蒸気と気体の二酸化硫黄の両方を完全に無水管に移送します。この無水管は、赤外線セル内の二酸化硫黄と測定に悪影響を及ぼさずに水蒸気を完全に除去します。
触媒
燃焼プロセスでは、二酸化炭素と二酸化硫黄が一次反応生成物として生成されます。すべての誘導炉でごく少量の一酸化炭素が生成されます。
標準的な二酸化炭素赤外線セルでは一酸化炭素が検出されず、追加の酸化プロセスがなければ、炭素の決定は予想より低い結果を示します。
一酸化炭素を酸化銅や白金のような触媒活性物質など、異なる化学物質に変換するには、通常使用されます。ELEMENTRAC CS-iは、担体材料にシリカと結合した白金ベースの触媒を使用しています。これにより、安全で信頼性の高い酸化だけでなく、購入価格も手頃です。CS-iの温度制御による触媒長の増加は、炭素分析のための最大限の安全性を保証します。
検出
燃焼分析装置用の最新の電子検出器は赤外線または熱伝導セルです。ASTM E 1019-11 で説明されているように、熱伝導セルを持つ分析装置は炭素しか決定できません。一方、ELEMENTRAC CS-i は最大 4 つの赤外線セルを使用して、広い濃度範囲で同時に炭素と硫黄の分析を安全に行うことができます。熱伝導セルとは対照的に、IR セルは元素選択性があるため、たとえば硫黄の決定は、多量の二酸化炭素の存在の影響を受けません。赤外線セルは、二酸化炭素や二酸化硫黄分子の特定波長吸収を使用します。これは、対応する波長の IR 放射が適用されると、前述の分子内の化学結合がスイングし始めることを意味します。燃焼ガスが IR セルを通過する前に、エミッタと検出器は一定の電気信号を提供します。燃焼ガスのエントリにより、放出された光が二酸化炭素または二酸化硫黄分子との相互作用によって減少する量しか受け取れません。その結果、検出器の電気電圧の変化はピークとして表示されます。これは数学的積分に使用できる典型的なピークを示します。<br>付録の CS-i は、異なるマトリックスに対して異なる硫黄の測定データを提供します。<br>赤外線セルは、短い波長のガス経路で調整されるため、顧客の要求に適しており、ガス経路の損傷や損傷を避けることができます。 一般的に、これらのガス経路は、低濃度のガス経路での使用に適しています。
キャリブレーション
ELEMENTRAC CS-iのような燃焼分析装置は、重量測定やガス量測定のような古典的な測定技術とは対照的に、正しい元素濃度を測定するための較正プロセスを必要とします。分光法と同様に、燃焼分析は炭素または硫黄の測定のピーク面積を元素濃度と相関させる必要があることを意味する相対的な測定方法です。結合した炭素と硫黄の完全な放出を保証するサンプルの誘導燃焼により、C/S分析装置は認定標準物質(CRM)またはCaCO3やBaSO4のような一次物質で較正できます(表2)。CRMの使用は日常慣行ですが、一次物質の使用はラウンドロビン試験で分析されるサンプルに対してより安全です。
まとめ
ELEMENTRAC CS-iによる炭素と硫黄の濃度測定は、サンプルの計量、加速器の適用、およびサンプルのソフトウェアへのロギングを行うだけで、迅速かつ簡単に行うことができます。これらのわずかな作業ステップで、さまざまなサンプルやマトリックスに対して、正確で堅牢な炭素と硫黄の測定が可能です。これらの測定データを次に示します。
参照
(1) Hollemann Wiberg, Inorganic Chemistry, 33nd edition, 1993, p 1133ff
(2) Handbuch für das Eisenhüttenlaboratorium; 2nd edition, 2013; Part (1) classic method ; Volume (2): Analysis of metals
(3) ASTM E 1806-09; page 13
(4) Handbuch für das Eisenhüttenlaboratorium; 2nd edition, 1998; Part (2) new method ; Volume (2): Analysis of metals
(5) ASTM E 1941-10; page 2, Note 7
ELEMENTRAC CS-iの測定データ
スチールサンプル
鋼試料は、500または1000mgのサンプル重量と1.5gのタングステンを加速器として分析することができます:
参考資料: ECISS EURONORM - ZRM 079-2 マシニングスチール ( ※ )
(*)認定値:
C:0.596%±0.006
S:0.192%±0.006
参考資料: アルファ・リソーシズ AR 875 (LOT 1216F) スチールリング ( ※ )
(*)認定値:
C:0.799%±0.017
S:0.0125%±0.0034
参考資料: EURONORM - CRM 281-1 高合金鋼 (*)
(*)認定値:
C:0.048%±0.002
S:0.016%±0.001
鋳鉄
鋼試料は500mgのサンプル重量で、1.5gのタングステンと0.7gの高純度鉄を加速器として分析できます:
参考資料: エルトラ鋳鉄 92400-3100 (LOT1014C ) ( * )
(*)認定値:
C:4.20%±0.06(1.42%)
S:0.023%±0.002(8.69%)
純鉄
鉄試料は500または1000mgのサンプル重量と1.5gのタングステンを加速器として分析することができます。最高の精度を得るには、キャリアガス精製炉の使用をお勧めします。
参考資料: ELTRA 88600-0013 (LOT 716C ) ( *)
(*)認定値:
C:6ppm ±4ppm
S:11ppm ±4ppm
フェロクロム
フェロクロム試料は、試料重量約150mgで、1.5gのタングステンと0.7gの高純度鉄を加速器として分析できます。
参考資料: ユーロノーム585-2(*)
(*)認定値:
C.5.488%±0.02(0.4%)
S:0.032%±0.0012(3.75%)
製品仕様
* 構成による。他の作業範囲にも適応可能。ガス線量分析とブランク測定で検出限界を測定。選択した用途に応じた異なる値が可能。