Giới thiệu

Xỉ có nguồn gốc từ các giai đoạn khác nhau trong quá trình luyện gang thép, ví dụ như lò cao, lò chuyển đổi, lò oxy cơ bản, lò hồ quang điện hoặc lò chứa. Trong lò cao, xỉ được hình thành từ các tạp chất trong quặng sắt (gọi là gangue), chất trợ dung và tro cốc; nó là một hỗn hợp phức tạp của silica, alumina, sunfua và oxit canxi và magiê, cũng như một lượng nhỏ mangan và oxit sắt.

Trong lò hồ quang điện, quá trình hình thành xỉ có thể được kiểm soát bằng cách bổ sung oxy, cacbon và các chất tạo xỉ như vôi (CaO) và magie (MgO) vào nóng chảy. Oxy và carbon thúc đẩy sự hình thành CO thay vì MnO và FeO và giữ các nguyên tố này ở dạng kim loại nguyên tố (có giá trị), trong khi các chất tạo xỉ bazơ giúp trung hòa tính axit của xỉ và kéo dài tuổi thọ của gạch chịu lửa (chịu nhiệt) ở lò nung. Việc giám sát đúng cách và kịp thời thành phần xỉ là một yếu tố thiết yếu trong việc kiểm soát quá trình nung chảy hiện đại.

Phương pháp quang phổ huỳnh quang tia X (XRF) đã được chứng minh là phương pháp đặc biệt nhanh và đáng tin cậy để đo xỉ ở trạng thái rắn với yêu cầu chuẩn bị mẫu thấp, kỹ năng vận hành tối thiểu và độ lặp lại tuyệt vời. Tùy thuộc vào loại thiết bị và cấu hình, thời gian đo dao động từ vài phút đến vài giây. Bài viết này trình bày quy trình và các kết quả điển hình thu được bằng Máy quang phổ XRF Thermo Scientific™ ARL™ QUANT’X, được sử dụng để đo Mg (Magiê) và các nguyên tố nặng hơn trong xỉ tại nhiều địa điểm trên khắp thế giới.

Thiết bị phân tích xỉ luyện kim

Máy quang phổ ARL QUANT’X dựa trên nguyên lý Phân tán Năng lượng (EDXRF) cho phép một máy dò có độ nhạy cao duy nhất đo các vạch phát xạ của tất cả các nguyên tố từ Natri (Na, Z=11) đến Uranium (U, Z=92 ). Trong khi EDXRF ngày càng có độ nhạy thấp đối với các nguyên tố nhẹ và hiếm khi được sử dụng để đo Natri (Na) hoặc Magiê (Mg) ở nồng độ dưới 1%, những tiến bộ trong công nghệ hiện nay mở rộng phạm vi của nó vào các ứng dụng truyền thống mà trước đây được phục vụ bởi các máy phổ Wavelength-Dispersive (WDXRF) nhạy hơn và lớn hơn.

Buồng chân không đầy đủ, diện tích hoạt động lớn và đặc tính tiếng ồn và nhiệt độ hoạt động thấp của Máy dò dây silicon (SDD) cho phép Máy quang phổ ARL QUANT’X đạt được độ nhạy và độ lặp lại vượt trội. Không giống như hầu hết các thiết bị cấp phòng thí nghiệm, thiết kế cơ học bền bỉ, diện tích nhỏ gọn và yêu cầu về địa điểm tối thiểu của Máy quang phổ ARL QUANT’X cho phép đặt trong môi trường gồ ghề, ví dụ như bên cạnh lò nung. Phân tích định kỳ có thể được thực hiện bởi nhân viên không có kỹ năng và phần cứng chỉ được điều khiển bằng phần mềm để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu và giảm các biến chứng khi vận hành do các nút hoặc điều khiển cơ học.

Điều kiện kích thích

Trong EDXRF, độ nhạy và độ chính xác đạt được bằng cách kích thích mẫu có mục tiêu để chỉ phát huỳnh quang các nguyên tố quan tâm. Một thiết bị có tính linh hoạt cao hơn và khả năng kiểm soát hiệu suất kích thích và nền thường cho hiệu suất tốt hơn. Máy quang phổ ARL QUANT’X cung cấp sự kết hợp hầu như không giới hạn giữa điện áp kích thích 4-50 kV và nhiều bộ lọc chùm tia sơ cấp để kiểm soát nền tối ưu. Như được trình bày trong Bảng 1, hai quang phổ được thu thập từ mỗi mẫu xỉ, trong tổng thời gian đếm là 180 giây trong môi trường chân không thấp.

Table 1. Analytical settings

Máy quang phổ	kV	Bộ lọc	Thời gian (s)	Chất phân tích
1	4	Không có	120	Mg, Al, Si, P
2	12	Al	60	Ca, Ti, Mn, Fe

Hình 1 cho thấy một ví dụ về ba mẫu xỉ rất khác nhau trong hai điều kiện kích thích. Nồng độ của các xỉ này được cho trong Bảng 3

Chuẩn bị mẫu Để phân tích định tính, XRF có thể được sử dụng mà không cần chuẩn bị mẫu, bất kể hình dạng hoặc kích thước mẫu. Tuy nhiên, để phân tích định lượng có ý nghĩa, các mẫu xỉ thường được nghiền và nghiền trong máy nghiền để tạo ra kích thước hạt dưới 50 micron, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của kích thước hạt. Mặc dù bột có thể được phân tích trực tiếp, nhưng độ chính xác và khả năng lặp lại từ mẫu này sang mẫu khác sẽ được cải thiện nếu bột được ép thành dạng gọi là “viên” bằng cách sử dụng máy ép thủ công hoặc tự động ở mức 15-20 tấn.

Hiệu chuẩn

Hầu hết các ứng dụng của XRF trong kiểm soát quy trình công nghiệp đều được hiệu chuẩn bằng cách sử dụng hiệu chuẩn thực nghiệm trên cơ sở các tiêu chuẩn sơ cấp hoặc thứ cấp. Các kết quả được báo cáo dưới đây thu được bằng cách sử dụng đường hồi quy đa biến dựa trên 20 tiêu chuẩn xỉ thứ cấp. Tất cả các chức năng hiệu chuẩn, hiển thị đường cong và đánh giá mức độ phù hợp đều được bao gồm trong gói phần mềm tiêu chuẩn được cung cấp cùng với Máy quang phổ ARL QUANT’X.

Bảng 2 thể hiện Sai số ước tính tiêu chuẩn (SEE) của tất cả các oxit quan tâm trong xỉ lò hồ quang. SEE là chênh lệch trung bình giữa nồng độ được chứng nhận và nồng độ tính toán của một chất phân tích nhất định.

Table 2. Summary of calibration accuracy.

Chất phân tích	Máy quang phổ	Khoảng hiệu chuẩn (%)		SEE %
		Min	Max
Fe2O3	2	1.6	34	0.23
Al2O3	1	0.5	20	0.26
MgO	1	1	22	0.49
P2O5	1	0.01	16.7	0.09
SiO2	1	4.9	34.4	0.55
CaO	2	2.2	59	0.65
MnO	2	1.2	18.6	0.18
TiO2	2	0.09	0.73	0.02

Độ lặp lại

Các thử nghiệm về độ lặp lại đã được thực hiện để cho thấy độ chính xác điển hình mà Máy quang phổ ARL QUANT’X đạt được trong tổng thời gian đếm là 3 phút. Tóm tắt thống kê của mười phép đo của ba mẫu xỉ được trình bày trong Bảng 3.

Trong một số trường hợp, sự khác biệt giữa thành phần danh nghĩa (đã cho) và kết quả đo trung bình lớn hơn nhiều so với sai số 3-sigma. Ở đây, sự khác biệt thực sự là do quá trình chuẩn bị mẫu (dạng viên) và nhiều loại xỉ được sử dụng trong thử nghiệm này. Vì lý do này, độ chính xác tối ưu cho phép đo xỉ sẽ đạt được bằng cách nung chảy các mẫu với lithium tetraborat, loại bỏ kích thước hạt và các ảnh hưởng khoáng vật.

Kết luận

Máy quang phổ ARL QUANT’X EDXRF đã được sử dụng để phân tích tối ưu các thành phần khác nhau trong xỉ. Mặc dù hiệu suất của EDXRF về tốc độ, độ lặp lại và độ nhạy với các yếu tố ánh sáng không bằng WDXRF, nhưng kích thước nhỏ gọn, tính cơ học đơn giản và giá trị phân tích hiệu quả của Máy quang phổ ARL QUANT’X khiến nó trở thành một lựa chọn hợp lý cho nhiều môi trường công nghiệp.

Nguồn:

Minh Khang là nhà phân phối và nhập khẩu trực tiếp các thiết bị X-ray hãng Thermo Fisher.