Способ определения содержания легких элементов в стали и сплавах



Способ определения содержания легких элементов в стали и сплавах
Способ определения содержания легких элементов в стали и сплавах
Способ определения содержания легких элементов в стали и сплавах

 


Владельцы патента RU 2473074:

ПЕТРОЛЕО БРАЗИЛЕЙРО С.А.-ПЕТРОБРАС (BR)
УНИВЕРСИДАД ФЕДЕРАЛЬ ДА БАИЯ (BR)

Использование: для определения содержания легких элементов в стали и сплавах. Сущность: заключается в том, что выполняют качественное и количественное прямое определение содержания элементов с молярной массой меньше чем 23 в неорганических материалах при помощи ассоциации анализа многомерных данных, наложенных на спектры, полученные за счет облучения материалов рентгеновским излучением, а в особенности с использованием спектрального диапазона между 5 кэВ и 22 кэВ. Технический результат: обеспечение возможности анализа, позволяющего надежно и точно производить прямое определение содержания углерода в сталях и сплавах в режиме неразрушающего контроля, без необходимости отключения оборудования и с возможностью использования в условиях эксплуатации (в полевых условиях). 5 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

 

Область применения изобретения

Настоящее изобретение имеет отношение к способу определения содержания легких элементов, то есть элементов с молярной массой меньше чем 23, в неорганических материалах, при помощи анализа спектров, полученных при облучении указанных материалов рентгеновским излучением. В частности, в соответствии с настоящим изобретением предлагается прямое определение содержания углерода в стали и сплавах. В соответствии с заявленным способом, неорганические материалы подвергают воздействию рентгеновского излучения, полученные спектры организуют в виде матрицы данных и используют математические модели с надлежащим образом выбранными хемометрическими инструментами.

Уровень техники

Определение и квантификация легких элементов в условиях эксплуатации за счет испытания без разрушения образца связано с предъявляемыми технологическими требованиями. В частности, определение содержания углерода в стали и в сплавах является достаточно трудным, но неизбежным в некоторых процессах.

Существуют различные спектроскопические способы, в которых изменяют тип облучения (среди прочего, свойства источника, элементарные частицы, энергетический интервал, способ облучения), систему воздействия облучения на образец (среди прочего, физическое состояние, методику подготовки, положение, зону облучения), тип обнаружения (среди прочего, излучение, элементарные частицы или их комбинации, энергетический интервал, тип синхронизма, наличие одной или нескольких частиц, локально или дистанционно, в заданном угле или в объединенном угле). В данном описании, все спектроскопические способы, которые предусматривают использование энергии облучения в рентгеновском диапазоне, вне зависимости от типа облучения, от типа воздействия облучения на образец или от типа обнаружения, называют "рентгеновской спектроскопией".

Одним из типов рентгеновской спектроскопии является рентгеновская флуоресцентная спектроскопия, которая основана на внешнем фотоэффекте поглощения-излучения и содержит фотоны и электроны, причем обнаружение может быть абсолютным или относительным за счет потери энергии.

Обычно, рентгеновская флуоресцентная спектроскопия при низких энергиях показывает линии и/или полосы, которые называют характеристическими спектральными линиями испускания. При более высоких энергиях получают линии и/или полосы, которые называют линиями рассеяния источника. [X-Ray Fluorescence Spectrometry, 2d edition, R.Jenkins, Wiley-Interscience, New York, 1999, ISBN 0-471-29942-1].

Квантовый выход фотоэлектрического процесса поглощения-излучения зависит от перехода и от атомного номера и, при одном и том же переходе, обычно возрастает с возрастанием атомного номера [X-Ray Fluorescence Spectrometry, 2d edition, R.Jenkins, Wiley-lnterscience, New York, 1999, ISBN 0-471-29942-1]. Таким образом, эффективность обнаружения элементов будет выше для элементов с более высокой массой. Традиционные аналитические процессы обеспечивают хорошее определение элементов с атомного номера 11, то есть начиная с натрия.

Рассеяние излучения создает различные эффекты. Релеевский эффект - упругое рассеяние (когерентное, без изменения энергии и с направленной памятью) и комптоновский эффект - неупругое рассеяние (некогерентное, многонаправленное использован потерями энергии) хорошо изучены.

Указанные выше взаимодействия зависят от состава материалов. Неупругое рассеяние повышается при уменьшении средней молярной массы образца. Таким образом, материалы с элементами малой молярной массы имеют низкий фотоэлектрический эффект и высокое комптоновское рассеяние.

Таким образом, определение легких элементов с использованием характеристических линий требует использования процессов, которые повышают квантовый выход за счет повышения интенсивности источника излучения или за счет повышения сложности и эффективности инструментов и техники обнаружения, среди прочего, таких как синхротронное излучение, совмещение излучения частиц, синхронное обнаружение. Тем не менее, обычным недостатком этих процессов является низкая точность и большая погрешность. [Potts PJ et al., Journal of Analytical Atomic Spectrometry 18 (10): 1297-1316, 2003] [Alvarez M et al., X-Ray Spectrometry 20 (2): 67-71, 1991]. Кроме того, их конкурентным недостатком также является необходимость длительного времени облучения, чтобы получить удовлетворительные соотношения сигнал-шум, и дороговизна. Более того, использование некоторых единиц такого оборудования для облучения становится непрактичным, принимая во внимание их большой вес, требуемое пространство для размещения и невозможность их перемещения.

Текущий контроль закаленной стали за счет рентгеновской дифракции при высоких температурах уже используют для определения микроструктуры во время термообработки [Wiessner М et al., Particle & Particle Systems Characterization 22 (6): 407-417, 2006]. Параметры аустенитной и мартенситной сетки определяют для того, чтобы сделать вывод об изменении содержания углерода за счет разностей между количествами двух фаз и изменений микронапряжений. Тем не менее, это определение не является прямым и не предусматривает определение нескольких элементов с атомным номером меньше чем 11. Кроме того, оно не касается определения содержания углерода в сталях, что требует точного определения элемента с атомным номером 6, а не его косвенного определения за счет разностей между количествами двух фаз и изменений микронапряжений.

Хемометрический или многомерный анализ содержит математическую обработку химических данных и их матриц с использованием адекватных алгоритмов. В качестве некоторых не ограничительных примеров такого анализа можно привести, среди прочего, анализ основных компонентов (РСА), метод частичных наименьших квадратов (PLS), регрессию основных компонентов (PCR), параллельный факторный анализ (PARAFAC) и анализ Тюкера (Tucker), методы, которые основаны на расстоянии, такие как иерархический кластерный анализ (НСА), а также виды анализа, основанные на искусственном интеллекте, например, с использованием нейронных сетей и генетических алгоритмов, логические виды анализа, например, с использованием нечеткой логики, которые вот уже в течение десятилетий используют для обработки сложных данных. В качестве не ограничительных примеров можно привести обработку спектров, полученных при помощи различных спектроскопических и спектрометрических исследований, в том числе, среди прочего, при спектроскопии в ближней длинноволновой ИК-области спектра [Arvanitoyannis IS et al., Critical Reviews in Food Science and Nutrition 45 (3): 193-203, 2005], при определении динамического межфазного натяжения при помощи возбужденной лазером флуоресцентной деполяризации [Quintella, С.М. et al., Journal of Physical Chemistry В, USA, v.107, n.33, p.8511-8516, 2004.], при масс спектрометрии [Aeschliman DB et al., Analytical Chemistry 76 (11): 3119-3125, 2004] и рентгеновской спектрометрии [Pereira FMV et al., Journal of Agricultural and Food Chemistry 54 (16): 5723-5730, 2006].

В настоящее время в продаже имеются несколько пакетов программ для обработки матриц при помощи многомерного анализа данных. Пользователь сам должен построить матрицы данных и определить, для каждой специфической ситуации, вид используемой обработки данных. Само по себе наличие этих пакетов программ не позволяет производить анализ и прогнозировать результаты, однако эти пакеты являются мощным инструментом в руках экспертов и исследователей, позволяющим решать различные задачи.

Другие родственные виды анализа

Легкие элементы внутри органических жидких матриц определяют с использованием обратного рентгеновского излучения [Molt К et al., X-Ray Spectrometry 28 (1): 59-63, 1999]. В этой публикации описано определение C, H и O в органических жидкостях с использованием ковариантного способа основных компонентов и DXRS спектров.

Ранее уже было проведено одновременное определение содержания свинца и серы при помощи рентгеновской диспергирующей спектрометрии с использованием многомерных способов калибровки и нейронных сетей [Facchin I et al., X-Ray Spectrometry 28 (3): 173-177, 1999]. Математические ковариантные методологии были использованы для коррекции спектральных взаимных влияний и взаимных влияний между элементами в количественном анализе рентгеновской флуоресценции [Nagata N et al., Quimica Nova 24 (4): 531-539, 2001].

В патентной заявке BR PI 0400867 - Espectrometria de Espalhamento de Raios-X (EERX) Associada a Quiiniometria - описан новый способ анализа с использованием рассеяния рентгеновских лучей, с разрешающей способностью, улучшенной за счет хемометрических инструментов, чтобы классифицировать стандарты для анализа окружающей среды, для обмена веществ животных и для количественного измерения молярной массы природных органических полимеров.

В патентной заявке BR PI 0500177 - Espalhamento de Raios-X е Quimiometria para Classificacao de Oleos Vegetais, Animals, Minerals e/ou Sinteticos - описано другое применение способа для идентификации и классификации нефти.

В патентной заявке BR PI 0500753 - Metodo de Controle de Qualidade de Medicamentos Alternatives (Genericos e Similares) por Espalhamento de Raios-X - описана классификация сложных органических матриц для фармацевтической промышленности или для производства лекарств, для различных разновидностей фруктов, пищевых продуктов, красок, смазочных материалов, растений и полимеров.

В патентной заявке BR PI 0502763 - Metodo de Quantificacao de Parametros da Industrie Petrolffera por Espalhamento de Raios-X e Quimiometria - описан способ определения свойств сырой нефти за счет характеристик, аналогичных анилиновой точке, которые указывают содержания ароматсоединений и парафинов, содержания асфальтена и, среди прочего, летучих соединений, когда образцы представляют собой жидкости или твердые таблетки.

В патентной заявке BR PI 0502861 - Metodo de Quantificacao de Aluminio em Silica por Espalhamento de Raios-X Aliado Quimiometria - описано совместное использование (объединение) рентгеновского рассеяния и хемометрии для улучшения квантификации элемента 13 - алюминия внутри матриц диоксида кремния, а более конкретно, для определения содержания алюминия в цеолитах.

Тем не менее, ни в одной из приведенных выше патентных заявок или других публикаций не описано и не подсказывается применение способа для определения содержания элементов с атомным номером меньше чем 11 в твердых материалах или в неорганических матрицах, которые, с химической точки зрения, сильно отличаются от органических матриц. Кроме того, эти публикации не касаются определения содержания углерода в стали.

В настоящее время большая часть оборудования и труб, используемых в промышленных установках, изготовлена из стали, что объясняется ее механической прочностью, термостойкостью и долговечностью. Тем не менее, во время использования приходится производить ремонт и/или модернизацию оборудования и труб, изготовленных из стали. Для оценки такой необходимости периодически проводят инспекцию качества и целостности производственного оборудования и труб, которые могут работать в экстремальных условиях, например, под высокими давлениями. Задачей таких проверок является не только обеспечение нормальной работы, но и предотвращение аварий и ухудшения условий окружающей среды, например, за счет утечек, загрязнений и т.п.

Таким образом, существует острая необходимость в создании способов, которые позволяют определять, за счет проведения испытаний без разрушения образца и при испытаниях в условиях эксплуатации (в полевых условиях), с высокой точностью и малой погрешностью, реальное состояние микроструктуры и состава материала оборудования и труб [Santos, G. В et al., Degradagao Micro-Estrutural de Agos Ferrticos Avaliada por PLF-FI, Anais da 29a Reuniao Anual da Sociedade Brasileira de Quimica. 2006].

При определении содержания легких элементов в стали очень важным является определение содержания углерода. Это содержание является основным для того, чтобы знать, как надежно производить ремонт, сварку, утилизацию и даже как использовать такое оборудование и трубы.

Одной из проблем, касающихся промышленного оборудования, работающего в течение многих лет, является неполная инвентаризационная опись, не позволяющая определить тип стали, использованной для изготовления оборудования и труб. Поэтому, по соображениям безопасности, во время проверок часто делают предположения относительно срока службы оборудования, которые приводят к его недоиспользованию или даже к замене ранее конца эксплуатационного ресурса. Таким образом, необходимо и очень важно создать способ, который является быстрым, неразрушающим, дешевым и надежным, и который позволяет производить точное определение типа стали, из которого изготовлено оборудование или трубы, особенно если они еще находятся в эксплуатации и в их документации нет такой информации.

Кроме того, весьма желательно проведение такого определения в условиях эксплуатации без отключения оборудования. Это позволяет избежать экономических и финансовых потерь, а также снижения производительности, что могло бы привести к серьезным последствиям в экономическом и социальном развитии.

Известно также, что определение содержания углерода является важным для оценки углеродного эквивалента для процессов сварки двух марок стали, что позволяет выбрать, среди прочего, подходящий электрод, тип и интенсивность тепловой обработки и диапазон температур [AWS D1.1/D1.1M:2006 - Structural Welding Code Steel; Annex and Guideline on Alternative Methods for Determining Preheat. 16 Detailed Guide, 16.1 Hardness Mathod]. При вычислении углеродного эквивалента (СЕ) используют данные паспорта изготовителя, а когда это невозможно, производят вычисление по следующей формуле:

CE=%C+%Mn/6+(%Cr+%Mo+%V)/5+(%Cu+%Ni)/15

Это означает, что если неизвестен тип стали, то трудно определить температуру предварительного нагрева или выбрать тип (расходного) электрода, используемого в процессе сварки. Используемое измерительное оборудование не является передвижным и не может быть использовано в условиях эксплуатации (в полевых условиях) для определения содержания углерода в стали, быстрым и практичным образом. Необходимо ждать в течение нескольких дней результатов лабораторных испытаний, чтобы предпринять надлежащие и безопасные действия, касающиеся оборудования или труб.

В качестве не ограничительного примера можно указать, что существуют портативные анализаторы, выпускаемые фирмой HCG Technology, которые позволяют производить определение содержания элементов с атомным номером выше 11, преимуществом которых является то, что измерение может быть осуществлено в оборудовании при его работе (в условиях эксплуатации). Тем не менее, их недостатком является невозможность определения содержания углерода, который имеет атомный номер 6.

В некоторых специфических условиях возможно определение твердости сталей, что позволяет сделать вывод о содержании углерода в стали, в условиях эксплуатации, путем осуществления неразрушающих испытаний в условиях эксплуатации [ARMCO http://www.armco.com.br/informacoes_tabelas.php-producao е inspecao de асо]. Тем не менее, за счет присущей неточности этого способа, его недостатком является низкая надежность, вызванная тем, что полученные результаты маскируются термической обработкой. Другим недостатком является то, что полученные результаты маскируются наличием легирующих элементов в составе стали.

Уже известно, что можно определять содержание углерода с использованием создающего излучение оборудования типа синхротрона. Однако такое оборудование не только является массивным, но и достаточно дорогим, так что его использование в промышленности является невозможным.

В настоящее время недостатком известных процессов, которые используют для определения содержания углерода с высокой точностью, является необходимость отключения анализируемого оборудования и/или отбор образцов при помощи средств разрушающего контроля для лабораторного анализа при помощи металлургического хроматографа.

Задачей настоящего изобретения является создание способа анализа, позволяющего надежно и точно производить прямое определение содержания углерода в сталях и сплавах.

Другой задачей настоящего изобретения является создание способа, позволяющего проводить анализ в режиме неразрушающего контроля, без необходимости отключения оборудования и с возможностью использования в условиях эксплуатации (в полевых условиях).

Сущность изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ количественного и качественного определения содержания элементов с молярной массой меньше чем 23 в органических материалах, а в особенности способ прямого определения содержания углерода в стали и сплавах, при помощи ассоциации анализа многомерных данных, или хемометрического анализа, примененного к спектрам, полученным за счет рентгеновского облучения материалов, особенно когда используют спектральные области, которые ранее обычно не использовали. Было обнаружено, что за счет анализа этих спектральных областей, которые ранее не анализировали, можно производить прямое обнаружение легких элементов, с молярной массой меньше чем 23, которые имеют низкую способность поглощения и испускания излучения, но высокую способность рассеяния излучения.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показаны в качестве не ограничительного примера наложенные (совмещенные) спектры рентгеновской флуоресценции шести стальных образцов, с характеристическими линиями излучения или/и полосами, и линиями и/или полосами источника рассеяния.

На фиг.2 показан в качестве не ограничительного примера график множества данных после обработки хемометрических данных спектров рентгеновской флуоресценции шести стальных образцов.

На фиг.3 показана в качестве не ограничительного примера зависимость между измерениями, полученными по заявленному способу, и значениями, приведенными в спецификации для содержания углерода в стальных образцах.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного в качестве не ограничительного примера со ссылкой на сопроводительные чертежи, являющиеся его неотъемлемой частью.

Подробное описание осуществления изобретения

По способу в соответствии с настоящим изобретением, материалы используют непосредственно, без предыдущей обработки. Материалы подвергают облучению от источника излучения, который испускает рентгеновское излучение, преимущественно в диапазоне от 5 кэВ до 50 кэВ, при времени облучения от 10 до 100 секунд. Затем обнаруживают рентгеновские спектры, которые являются функцией энергии или функцией потери энергии. Обнаружения можно производить за счет множества повторов эксперимента, а обычно с использованием 3-5 повторов эксперимента.

Анализируют спектральные области между 5 кэВ и 22 кэВ, причем анализ включает в себя как флуоресценцию, так и рассеяние источника. В прошлом область рассеяния не анализировали, так как это создает помехи при определении более тяжелых элементов, таких как железо и медь.

После получения желательных спектров, их организуют в матрицу и данные обрабатывают математически с использованием хемометрической методологии. Для проведения анализа данных можно использовать все полученные спектры или их часть.

Спектры обрабатывают математически при помощи ковариантных методологий. Для зондирующего анализа и калибровки используют хемометрические методы, основанные на технике условного математического ожидания, такие как анализ основных компонентов (РСА), метод частичных наименьших квадратов (PLS), регрессия основных компонентов (PCR), параллельный факторный анализ (PARAFAC) и анализ Тюкера (Tucker); методики, основанные на расстоянии, в качестве не ограничительного примера которых можно привести иерархический кластерный анализ (НСА); методики, основанные на искусственном интеллекте, например, с использованием нейронных сетей и генетических алгоритмов; и методики, основанные на логике, например, с использованием нечеткой логики.

Получают как качественную, так и количественную информацию. При некоторых условиях может быть использована одномерная обработка корреляции. Например, для качественных анализов используют РСА и НСА, в то время как для количественных анализов используют PLS и PCR.

Результатом обработки данных является разделение материалов в соответствии с наличием атомов низкой молярной массы или в соответствии с их относительными концентрациями.

Наконец, строят кривые калибровки при помощи математических методов, таких как минимальная квадратическая регрессия, в спектральных областях, которые содержат источники рассеяния и флуоресценции, что позволяет моделировать процесс.

Пример 1

Калибровочная кривая

Приведенный далее пример служит только для пояснения сути настоящего изобретения и ни в коей мере не ограничивает патентные притязания в соответствии с настоящим изобретением.

Были использованы образцы шести типов различных сталей без какой-либо предварительной обработки. Эти образцы представляют собой цилиндры с диаметром около 2.5 см и толщиной 1 см. Измеряли содержание углерода в шести стандартных образцах стали. Содержание углерода варьируется от 0.08% до 0.50%.

Образцы отбирали случайным образом из большой совокупности образцов с различными датами изготовления и с различным временем воздействия условий окружающей среды.

Спецификация металлических материалов, подвергнутых анализу в соответствии с настоящим изобретением, приведена в Таблице 1.

Как уже было указано выше, для того, чтобы получить спектры рентгеновской флуоресценции, образцы подвергали, безо всякой предварительной обработки, воздействию полихроматического излучения родиевого рентгеновского источника. Для этого использовали покупное оборудование Shimadzu EDX 700, с временем облучения 100 сек, приложенное напряжение 50 кВ и различная сила тока.

Для обеспечения репрезентативности образца один из образцов облучали с двух разных сторон. Было обнаружено, что изменение стороны облучения не приводит к изменению результатов, что подтверждает гомогенность материала.

На фиг.1 показаны наложенные спектры рентгеновской флуоресценции для всех шести стальных образцов, с типичными линиями и/или полосами, и с линиями и/или полосами рассеяния источника. Для хемометрических диапазонов использовали спектральные области от 5.412 кэВ (Кα Cr) до 22.0 кэВ.

Была построена матрица данных, в которой каждая строка соответствует спектру каждого образца, а каждый столбец соответствует их значениям энергии. Предварительная обработка данных заключается в центрировании данных на среднем значении. Зондирующий анализ был проведен при помощи PCA, а калибровка была проведена при помощи PLS, с использованием покупного программного обеспечения Mathlab 6.5 и Unscrambler 9.5.

В зондирующем анализе данных использовали алгоритмы для анализа основных компонентов (РСА) и иерархического кластерного анализа (НСА). В многомерной калибровке данных использовали алгоритм для метода частичных наименьших квадратов (PLS) и регрессии основных компонентов (PCR).

Была проведена перекрестная проверка достоверности методологии анализа. Эта проверка достоверности предусматривает повтор анализа столько раз, сколько имеется образцов, удаление одного образца и обработку других образцов. Затем удаляют второй образец и возвращают первый образец в совокупность. Процедуру повторяют до тех пор, пока все образцы не будут удалены и затем возвращены в совокупность.

На фиг.2 показан график множества данных после обработки хемометрических данных рентгеновских флуоресцентных спектров для шести стальных образцов. Можно видеть, что по оси PC1 разнесены образцы легированной стали (низкие PC1 значения), которые сгруппированы и обозначены буквой А, от образцов углеродистой стали (высокие PC1 значения), которые сгруппированы и обозначены буквой В. Кроме того, на фиг.2 по вертикальной оси PC2 образцы расположены в соответствии с их содержанием углерода, причем образцы с более высоким содержанием углерода расположены ниже по оси PC2, а образцы с более низким содержанием углерода расположены выше по оси PC2.

Два основных компонента примененного анализа основных компонентов имеют дисперсию 99.85% и позволяют производить идентификацию аналогичных картин и разделять образцы с низким содержанием углерода от образцов с высоким содержанием углерода. Приведенный на фиг.2 график множества данных показывает, что образцы расположены в соответствии с серповидным содержанием углерода по оси PC2, что подтверждает, что, для этого пояснительного не ограничительного примера, можно непосредственно (прямым образом) и количественно определить содержание углерода при помощи заявленного способа с высокой точностью.

Частичная среднеквадратическая регрессия, примененная в спектральных областях, содержащих источник рассеяния и флуоресценции Fe, Cr и MO, показывает, что можно построить кривые калибровки для определения содержания углерода с коэффициентами корреляции (r) порядка 0.98. В способе используют перекрестную проверку достоверности.

На фиг.3 показана зависимость между значениями, измеренными по заявленному способу, и значениями, приведенными в спецификации для содержания углерода в стальных образцах (Таблица 1), которые имеют высокую корреляцию (r=0.998).

Пример 2

Определение содержания углерода в образцах

Процесс определения содержания углерода в образце стали с использованием способа в соответствии с настоящим изобретением осуществляют следующим образом:

a) получают рентгеновские флуоресцентные спектры за счет облучения стандартных образцов;

В данном пояснительном не ограничительном примере используют рентгеновское флуоресцентное оборудование Shimadzu EDX 700. Стандартные образцы подвергают полихроматическому облучению от родиевого рентгеновского источника, без предварительной обработки. Такую же процедуру используют для получения спектров образцов. Изменения необходимо проводить три раза для каждого образца, причем следует анализировать спектральную область между 5.412 кэВ и 22.0 кэВ.

b) осуществляют математическую обработку полученных данных;

Что производят с использованием надлежащего программного обеспечения, с использованием процедуры, описанной в примере 1.

c) использование калибровочной кривой для прямого определения содержания углерода, построенной с использованием стандартных образцов и надлежащим образом обоснованной (проверенной на достоверность);

В этой операции используют алгоритмы PLS (метод частичных наименьших квадратов) или PCR (регрессия основных компонентов).

d) вычисление уровней надежности проведенного определения с использованием статистических методов, уже включенных в алгоритмы калибровки: PLS или PCR.

Таким образом, становится очевидным, что может быть получена надежная информация относительно характеристик материала, с использованием для этого спектральных областей, которые ранее не учитывали. Еще более удивительной является возможность прямого определения содержания углерода в стали и сплавах, с разрешающей способностью и точностью выше, чем в используемых в настоящее время методах.

Способ в соответствии с настоящим изобретением имеет следующие дополнительные преимущества: (a) он является неразрушающим способом; (b) может быть использован в условиях эксплуатации (в полевых условиях); (c) является практичным; и (d) имеет низкую стоимость.

Более того, этот способ имеет конкурентоспособные преимущества, связанные с тем, что не требуется длительное время облучения и не требуются источники с высокой интенсивностью облучения, такие как синхротрон, которые являются дорогими.

Преимуществом способа в соответствии с настоящим изобретением также является то, что полученные рентгеновские спектры калибруют многомерно, что создает высокий потенциал для развития, с возможностью применения для портативного оборудования, которое может быть использовано в полевых условиях.

Таблица 1
Материал Углерод (%) Марганец (%) Фосфор (%) Сера (%) Кремний (%) Никель (%) Хром (%) Молибден (%) Медь (%)
1 Нержавеющая сталь S30400 [1] от 0.08 до 0.09 от 2.00 до 2.04 от 0.045 до 0.055 от 0.030 до 0.035 от 1.00 до 1.05 от 8.0 до 11.00 от 18.00 до 20.00 - -
2 Углеродистая сталь 1020 [2] от 0.18 до 0.23 от 0.30 до 0.60 0.040 max. 0.050 max. - - - - -
3 Углеродистая сталь А283 grau С [3] 0.24 max. 0.90 max. 0.035 max. 0.040 max. 0.40 max. - - •- 0.20 min.
4 Углеродистая сталь А36 [4] 0.28 max. от 0.60 до 0.90 0.04 max. 0.050 max. 0.40 max. - - - 0.20 min.
5 Углеродистая сталь А4140 [2] от 0.38 до 0,43 от 0.75 до 1.00 0.035 max. 0.040 max. от 0.15 до 0.35 - от 0.80 до 1.10 от 0.15 до 0.25 -
6 Углеродистая сталь 1045 [2] от 0.43 до 0.50 от 0.60 до 0.90 0.040 max. 0.050 max. - - - - -
[1] ASTM A 320/ A 320M - 07: Standard Specification for Alloy- Steel and Stainless Steel Bolting Materials for Low-Temperature Service
[2] ASTM A 29/ A 29M - 05: Standard Specification for Steel Bars, Carbon and Alloy, Hot-Wrought, General Requirements
[3] ASTM A 283/ A 283M - 03: Standard Specification for Low and Intermediate Tensile Strength Carbon Steel Plates
[4] ASTM A 36/ A 36M - 05: Standard Specification for Carbon Structural Steel.

1. Способ определения содержания легких элементов в стали и сплавах, предусматривающий качественное и количественное прямое определение содержания элементов с молярной массой меньше чем 23 в неорганических материалах, при помощи ассоциации анализа многомерных данных, наложенных на спектры, полученные за счет облучения материалов рентгеновским излучением, а в особенности с использованием спектрального диапазона между 5 кэВ и 22 кэВ.

2. Способ по п.1, при котором
a) указанное определение представляет собой определение содержания углерода;
b) указанными неорганическими материалами являются сталь и сплавы; и
c) указанный анализ многомерных данных представляет собой анализ хемометрических данных.

3. Способ по п.1, при котором указанное определение проводят за счет испытания без разрушения образца.

4. Способ по п.1, включающий в себя следующие операции:
a) получение рентгеновских флуоресцентных спектров за счет облучения стандартных образцов;
b) построение матрицы данных таким образом, что каждая ее строка соответствует спектру каждого образца, а каждый ее столбец соответствует их соответствующим значениям энергии;
c) математическая предварительная обработка полученных спектров за счет центрирования матрицы при среднем значении, с использованием адекватных алгоритмов;
d) многомерная калибровка данных;
e) получение рентгеновских флуоресцентных спектров за счет облучения образцов;
f) математическая обработка полученных данных;
g) применение построенной заранее калибровочной кривой для прямого определения содержания углерода с использованием стандартных образцов и обоснованной методологии; и
h) вычисление уровней надежности проведенного определения с использованием статистических методов, уже включенных в алгоритм, использованный для калибровки.

5. Способ по п.1, который используют для зондирующего анализа данных алгоритмов для анализа основных компонентов (РСА) и иерархического кластерного анализа (НСА).

6. Способ по п.1, который используют для многомерной калибровки данных алгоритмов для метода частичных наименьших квадратов (PLS) и регрессии основных компонентов (PCR).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области химии почв и может быть использовано для диагностики редкоземельных элементов Eu, Gd, Tb, Dy в почвах положительных геохимических аномалий и в почвах, загрязненных этими элементами.

Изобретение относится к области геологии, разработки и использования месторождений полезных ископаемых и может быть использовано на всех этапах геолого-разведочных работ для определения состава и диагностики минералов меди и серебра класса йодидов из зон окисленных руд.

Изобретение относится к устройствам для анализа состава вещества, в частности к устройствам для рентгенорадиометрического анализа состава пульп и растворов в технологическом потоке.

Изобретение относится к рентгенорадиометрическому анализу состава вещества и может быть использовано в горнорудной, металлургической, химической и других областях, где необходимо проводить анализ сред сложного химического состава.

Изобретение относится к устройствам для анализа состава вещества с помощью ионизирующих излучений, воздействующих на вещество, в частности к устройствам для рентгенорадиометрического анализа жидких сред в технологическом потоке.
Изобретение относится к области аналитических методов контроля загрязнения почв тяжелыми металлами. .

Изобретение относится к рентгенофлуоресцентным методам анализа элементного состава материала и может быть использовано на предприятиях горнодобывающей промышленности для непрерывного автоматического контроля содержания полезных компонентов в руде, находящейся на конвейере, в аналитических лабораториях, а также в геолого-разведочных работах.

Изобретение относится к аналитической химии, а точнее к способам получения материалов для сорбционного концентрирования из водных растворов тяжелых металлов с целью их последующего аналитического определения.

Изобретение относится к способу рентгенофлуоресцентного определения микроэлементов и может быть использовано при анализе природных вод и техногенных растворов

Изобретение относится к области геологии, разработки и использования месторождений полезных ископаемых и может быть использовано на ранних этапах геолого-разведочных работ для предварительной оценки качества силикатного сырья и для предварительной оценки коэффициента светопропускания

Изобретение относится к физике, а именно к физике халькогенидных стеклообразных полупроводников

Изобретение относится к способам определения технического состояния двигателей, машин и механизмов по характеристикам металлических частиц износа, обнаруженных в смазочных маслах, топливах и специальных жидкостях

Использование: для рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) состава вещества. Сущность: заключается в том, что поляризационный рентгеновский спектрометр содержит источник гамма или рентгеновского излучения, вогнутую мишень-ноляризатор, диафрагму с отверстием, держатель образца, детектор с коллиматором, направленным на образец, и регистрирующую аппаратуру, вход которой соединен с выходом детектора, при этом мишень вогнута но цилиндру, фокус источника расположен на этом цилиндре, отверстие диафрагмы и детектор расположены, во первых, на образующей цилиндра, диаметрально противоположной источнику, во вторых, в диаметрально противоположных точках сферы, при этом сфера смещена в сторону детектора от источника и мишени, а держатель образца выполнен с возможностью установки образца на этой сфере под вторичное излучение, прошедшее через отверстие диафрагмы, кроме того, введен коллиматор с одной или двумя узкими щелями для формирования первичного пучка в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра. Технический результат: упрощение поляризатора и коллиматора детектора, уменьшение их размеров, снижение вклада излучения коллиматора детектора в спектр излучения образца и обеспечение возможности анализа представительной массы образца с использованием детектора ограниченных размеров. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Использование: для рентгенофлуоресцентного анализа состава вещества. Сущность: заключается в том, что поляризационный спектрометр содержит источник гамма - или рентгеновского излучения, вогнутую мишень, диафрагму с отверстием, держатель образца, детектор с коллиматором, направленным на образец, и регистрирующую аппаратуру, вход которой соединен с выходом детектора, при этом мишень вогнута по цилиндру, фокус источника расположен на образующей цилиндра, введены второй держатель образца, вторая диафрагма, второй детектор с коллиматором и регистрирующей аппаратурой, коллиматор с узкими щелями или каналами для формирования первичного пучка, перпендикулярного оси цилиндра, при этом детекторы и отверстия диафрагм расположены, во-первых, на образующей цилиндра, диаметрально противоположной источнику, во вторых, в диаметрально противоположных точках двух сфер одинаковых размеров, кроме того, сферы разнесены в обе стороны, а держатели образцов выполнены с возможностью установки образцов на этих сферах под вторичные пучки, прошедшие через отверстия диафрагм. Технический результат: повышение эффективности и производительности, а также обеспечение возможности анализа одинаковых или разных диапазонов спектров двух образцов представительной массы одновременно или последовательно с использованием двух детекторов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Использование: для рентгенофлуоресцецтного анализа состава вещества. Сущность заключается в том, что энергодисперсионный поляризационный рентгеновский спектрометр содержит источник гамма- или рентгеновского излучения, вогнутую мишень, диафрагму с отверстием, держатель образца, детектор с коллиматором, направленным на образец, и регистрирующую аппаратуру, вход которой соединен с выходом детектора, при этом использован источник излучения с линейным фокусом, мишень вогнута по цилиндру, фокус источника расположен на образующей цилиндра, детектор и отверстие диафрагмы расположены, во-первых, на образующей цилиндра, диаметрально противоположной источнику, во-вторых, в диаметрально противоположных точках сферы, при этом сфера смещена в сторону детектора от мишени, а держатель образца выполнен с возможностью установки образца на этой сфере под вторичное излучение, прошедшее через отверстие диафрагмы, кроме того, введен коллиматор первичного пучка с плоскопараллельными каналами, перпендикулярными оси цилиндра. Технический результат: обеспечение возможности поляризации излучения источника с линейным фокусом повышенной мощности и анализа представительной массы образца с использованием детектора ограниченных размеров, упрощение коллиматора детектора, уменьшение его размеров, увеличение скорости счета полезного излучения, снижение порогов обнаружения и сокращение времени измерения. 2 з.н. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Использование: для рентгеновского флуоресцентного анализа образца минерала. Сущность: заключается в том, что устройство (1) для рентгеновского флуоресцентного анализа образца минерала, содержит источник (2) рентгеновского излучения, предназначенный для создания пучка рентгеновских лучей для облучения образца минерала; по меньшей мере один детектор (4, 5) флуоресценции для измерения флуоресцентного излучения, испускаемого образцом минерала при облучении пучком рентгеновских лучей; блок обработки для обеспечения анализа образца минерала на основании измерений, выполненных посредством упомянутого по меньшей мере одного детектора (4, 5) флуоресценции, при этом упомянутое устройство (1) дополнительно содержит контейнер (3) для образца, выполненный с возможностью вмещать образец минерала в течение облучения, причем контейнер для образца выполнен с возможностью обеспечивать по меньшей мере два различных пути прохождения облучения через упомянутый образец минерала в течение облучения, и средство контроллера, чтобы регулировать напряжение рентгеновской трубки упомянутого источника (2) рентгеновского излучения в соответствии с длиной путей прохождения облучения. Технический результат: повышение надежности и точности рентгеновского флуоресцентного анализа. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх