ОСОБЕННОСТИ КАЛИБРОВКИ, ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ И ПОВЕРКИ СОВРЕМЕННЫХ ОПТИКО-ЭМИССИОННЫХ АНАЛИЗАТОРОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ СОСТАВА ДЕФОРМИРУЕМЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ AlMgSi

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты обоснования преимуществ применения образцов на базе сплавов системы AlMgSi при аппаратной калибровке оптико-эмиссионных спектрометров, используемых на алюминиевом производстве, для анализа состава алюминиевых сплавов с низким содержанием легирующих элементов. В качестве опытного образца рассматривался тестовый калибровочный образец, изготовленный в соответствии с химическим составом сплава EN AW-6060 по ГОСТ 4784-2019. Оптико-эмиссионный спектрометр «Foundry-Master X-Line», рассматриваемый в качестве объекта исследования, был откалиброван с использованием тестового образца. При этом, зафиксировано заметное увеличение точности показаний спектрометра, относительно тех, которые удавалось получить после калибровки стандартными образцами, предоставленными производителем. Также, описана методика организации процессов технической диагностики, обслуживания и поверки оптико-эмиссионных спектрометров, которая может быть рекомендована в качестве методической основы для составления соответствующих техпроцессов по организации технического обслуживания и ремонта анализаторов на предприятиях по производству алюминиевой продукции.

ABSTRACT

The article presents the results of substantiating the advantages of using samples based on AlMgSi alloys for hardware calibration of optical emission spectrometers used in aluminum production to analyze the composition of aluminum alloys with a low content of alloying elements. A test calibration sample made in accordance with the chemical composition of the EN AW-6060 alloy according to GOST 4784-2019 standart was considered as a prototype. The optical emission spectrometer "Foundry-Master X-Line", considered as an object of research, was calibrated using a test sample. A noticeable increase in the accuracy of the spectrometer indications was recorded, relative to those that could be obtained after calibration with standard samples provided by the manufacturer. Also, the methodology of organizing the processes of technical diagnostics, maintenance and verification of optical emission spectrometers is described, which can be recommended as a methodological basis for drawing up appropriate technical processes for organizing maintenance and repair of analyzers at aluminum production enterprises.

Ключевые слова: алюминий, сплав, система AlMgSi, легирующий элемент, спектрометрия, оптико-эмиссионный спектрометр, анализатор, сплав EN AW-6060, калибровка, результат, ПО, программная доработка, анализ, техническая диагностика, воздушная система, коллиматорная линза, механическая часть, отклонение, погрешность, точность

Keywords: aluminum, alloy, AlMgSi system, alloying element, spectrometry, optical emission spectrometer, analyzer, EN AW-6060 alloy, calibration, result, software, software modification, analysis, technical diagnostics, air system, collimator lens, mechanical part, deviation, error, accuracy

Введение

Одной из неотъемлемых составляющих организации комплексного контроля качества на производстве алюминиевых изделий является контроль химического состава сплавов, из которых изготавливается продукция. Более того, инициальной точкой процесса контроля качества в этом случае является детальный анализ химического состава сплава при завалке сырья в плавильные печи, а также анализ гомогенизированных заготовок на уровнях микро- и макроструктуры [8, сс. 6-8].

На сегодняшний день известно два основных подхода к исследованию химического состава алюминиевого сплава:

1) Ренгенофлуоресцентный анализ (РФА– спектрометрия);

2) Искровая оптическая спектрометрия.

РФА-спектрометрия, как один из наиболее популярных методов исследования химического состава металлов примечательна своей портативностью, низким порогом требований к обработке исследуемого материала, достаточно широким спектром определяемых элементов и относительной доступностью оборудования. Тем не менее, данный тип спектрометрии имеет некоторые недостатки, среди которых, одним из существенных, является относительно слабая результативность ввиду высокой погрешности при исследовании сплавов с низкой концентрацией легирующих элементов. Иными словами, РФА-спектрометрия может быть результативной лишь при относительно высоких концентрациях всех легирующих элементов исследуемого сплава [7, cс. 4-5].

Относящиеся к категории алюминиевых сплавов с низким содержанием легирующих элементов (т.н. «low-alloy») сплавы системы AlMgSi EN AW-6060 и EN AW-6063 не предполагают РФА-спектрометрию при исследовании химического состава сплава, т.к. содержание некоторых химических элементов в оных достигает нескольких тысячных долей процента. Вследствие этого, единственно возможным решением при исследовании химического состава данных сплавов является оптико-эмиссионная спектрометрия (ОЭС).

ОЭС выполняется при помощи оптико-эмиссионных анализаторов (спектрометров) (Рис. 1). Оптико-эмиссионные спектрометры, по сравнению с РФА-спектрометрами отличаются высокой степенью точности (до ±0,0001%), а также неограниченностью набора химических элементов, концентрация которых может быть определена. К условным недостаткам оптико-эмиссионных спектрометров можно отнести их громоздкость, высокую стоимость оборудования, высокие требования к проверяемым образцам (поверхность образцов должна быть предварительно отшлифована и обезжирена).

Рисунок 1. Оптико-эмиссионный спектрометр

Оптико-эмиссионные спектрометры относятся к классу лабораторного оборудования, работающего от расходного материала – инертных газов, в большинстве случаев – аргона (Ar). Аргон служит искросоздающим агентом, и чем чище состав газа, тем интенсивнее становится искровая дуга, образующаяся при прожиге образцов: от интенсивности дуги напрямую зависит точность результатов анализа. При использовании разных источников аргона, разного происхождения и как следствие, чистоты, программные планки соответствующего лабораторного программного обеспечения (ПО) смещаются относительно значений по умолчанию, вследствие чего спектрометр отображает данные с недопустимой погрешностью (Рис. 2 а, колонка «Burn 1») [3, с. 2].

Для устранения данной неисправности, производителями оптико-эмиссионных спектрометров предоставляются образцы для аппаратной калибровки оборудования, многократный «прожиг» которых на устройстве приближает его точность относительно данных программной планки. Как правило, эти образцы изготавливаются из металла, на производство которого и ориентирована эксплуатация спектрометра. Обычно, общее количество таких образцов не превышает 3 единицы, а их химический состав зачастую отличается от состава сплава, непосредственно применяемого на том или ином производстве.

Особенности калибровки оптико-эмиссионных спектрометров, применяемых при анализе алюминиевых сплавов AlMgSi с низким содержанием легирующих элементов.

Сплавы алюминия системы AlMgSi, концентрация магния и кремния в которых в среднем составляет n_Mg=0,55% и n_Si=0,45% соответственно, также относятся к категории алюминиевых сплавов с низким содержанием легирующих элементов. С точки зрения точности лабораторного анализа химического состава подобных сплавов, предоставляемых производителем 2-3 единиц калибровочных образцов может оказаться недостаточным, а их химический состав значительно отличаться от состава сплава, на которое ориентировано условное производство, в рамках которого производится анализ оного, вследствие чего, комплексная калибровка оптико-эмиссионного спектрометра может оказаться малоэффективной, а результаты анализа химического состава исследуемого алюминиевого сплава – неточными. По этой причине, авторами предлагается следующее:

1. Изготовление дополнительных калибровочных образцов на базе основного сплава, используемого на производстве [4, с. 32];
2. Производить программную доработку, при необходимости – выполнить сдвиг программной калибровочной планки в ручном режиме
3. Выполнять аппаратную калибровку оптико-эмиссионного спектрометра не реже чем раз в 10 календарных дней [6, сс. 5-6].

При соблюдении вышеописанных рекомендаций, после калибровки оптико-эмиссионных спектрометров, используемых при анализе химического состава алюминиевых сплавов системы AlMgSi (EN AW-6060, EN AW-6063 и т.д.), точность измерений, как оказалось, значительно повышается.

В подтверждение вышесказанному, ниже описаны результаты практического лабораторного исследования (Рис.2, а, б), выполненного на оптико-эмиссионном спектрометре «Foundry-Master X-Line», при котором производилась калибровка спектрометра при помощи специально изготовленного тестового образца на базе сплава EN AW-6060 (по ГОСТ 4784-2019) (табл. 1), состав которого был заранее известен:

Таблица 1.

Химический состав тестового образца сплава, выполненного на базе сплава EN AW-6060

В среде пакета лабораторного ПО WasLab 3.0 был создан соответствующий тестовый сплав, при этом в качестве значений концентрации легирующих элементов были заданы данные из таблицы 1, после чего была произведена аппаратная калибровка спектрометра относительно тестового образца (Рис.2 а,б).

a

б

Рисунок 2. Тенденция изменения точности прибора после калибровки тестовым образцом

Как видно из графика Рис. 2б, точность прибора после калибровки тестовым образцом значительно возросла, а его индикации практически соответствуют параметрам тестового образца [2, с. 490]. Регистрируемые значения показаний концентрации легирующих элементов в алюминиевом сплаве с каждым прожигом тестового образца все ближе приближались к значениям табл. 1, что свидетельствует о постепенном повышении точности спектрометра. На шестом прожиге тестового образца аппаратная калибровка была признана успешно завершенной, т.к. наибольшая погрешность в 0,01% (для n­_Mg) меньше максимально допустимой погрешности в 0,03%, установленной производителем.

Таким образом, применение дополнительных образцов, изготовленных из сплава, идентичного тому, на который ориентировано рассматриваемое производство (в данном случае – EN AW-6060 и EN AW-6063), позволило откалибровать спектрометрическое оборудование с достаточно высокой степенью точности, в частности, точность показаний спектрометра, на котором выполнялось настоящее лабораторное исследование увеличилась на 3(±0,005) %, в сравнении с предыдущими показаниями.

В некоторых случаях, возможна необходимость программной доработки произведенной аппаратной калибровки спектрометра. При этом программная планка с данными для определенного сплава смещается в ручном режиме до тех пор, пока её показания не приравняются к фактическим результатам анализа [1, с. 218]. Выполняется это мероприятие в целях абсолютного исключения погрешностей в работе анализатора, вплоть до следующей замены источника расходного материала (аргона). В зависимости от ПО, управляющего анализатором, процесс программной доработки может отличаться. По этой причине, для получения соответствующих методических указаний целесообразно обращаться к производителю лабораторного оборудования.

Особенности технической диагностики и поверки оптико-эмиссионных анализаторов.

Как правило, лабораторное оборудование повышенной точности обладает сверхчувствительными рабочими узлами. Относительно оптико-эмиссионных спектрометров это вполне интуитивно объясняется тем, что даже самые незначительные отклонения от рабочих режимов (причем как по причине внутренних, так и внешних факторов) способны серьёзно искажать фактические показания анализа.

Опыт эксплуатации оптико-эмиссионных анализаторов показывает, что при их технической диагностике и обслуживании целесообразно придерживаться следующей последовательности (алгоритма):

1. Диагностика воздушной системы;
2. Диагностика оптической системы;
3. Диагностика механической части оборудования.

Техническая диагностика и обслуживание спектрометра подразумевает первоначальную очистку воздушной системы: откачку воздуха из вакуумной камеры (Рис. 3), а также очистку выхлопных патрубков, на внутренние стенки которых оседает копоть (Рис. 4).

Обычно, откачка остаточного воздуха из воздушной системы оборудования начинается с открытия воздушного клапана (крана) и поворота фиксирующей гайки вакуумной камеры. При этом, после открытия воздушного клапана крайне рекомендуется выждать 30 секунд, прежде чем открывать фиксирующую гайку вакуумной камеры – таким образом исключается возможность повреждения оптической системы анализатора.

Рисунок 3. Откачка остаточного воздуха из воздушной камеры спектрометра

Рисунок 4. Копоть, образовавшаяся на внутренней поверхности выхлопных патрубков спектрометра

Очистку внутренней поверхности выхлопных патрубков следует выполнять после их демонтажа, под сильным воздушным давлением, после чего внутренняя поверхность обрабатывается изопропиловым спиртом. После откачки остаточного воздуха из воздушной системы, а также очистки всех выхлопных патрубков анализатора следует процесс диагностики и обслуживания оптической системы.

Оптическая система спектрометра представляет собой систему из двух взаимно перпендикулярно расположенных коллиматорных линз, которые предназначены для преобразования хаотичного пучка в параллельный поток аргоновой искры, направляемого на поверхность анализируемого образца сплава [5, с. 36-38].

Последовательность съема удерживающих линзы фиксаторов и их монтажа должна строго соблюдаться (Рис.5). После снятия фиксаторов, из которых в свою очередь извлекаются линзы, каждый из элементов оптической системы проверяется на элемент физических повреждений. Особое внимание следует уделять осмотру самих линз – линзы должны быть идеально прозрачными с обоих сторон. Наличие царапин на линзах не допускается, и делает их более непригодными; в решающей мере это касается линз, которые установлены в анализаторы, используемые для исследования состава алюминиевых сплавов с пониженным содержанием легирующих элементов, т.к. даже самые незначительные царапины на их поверхности способны сильно повлиять на точность показаний анализатора в целом.

Рисунок 5. Порядок установки деталей фиксатора линз

Обслуживание механической части спектрометра подразумевает визуальный осмотр всех креплений, резьб и соединений. Кроме того, стойка спектрометра (на которую устанавливаются исследуемые образцы) должна быть надежно зафиксирована. Проверить надежность крепления стойки можно как визуально, так и с помощью соответствующего диагностического ПО, которое поставляется с анализатором (Рис.6):

Рисунок 6. Пример интерфейса диагностического ПО для проверки фиксации стойки: команда «shutter stand» приводит в действие соответствующий механизм, толкающий стойку вдоль оси перемещения

Неподвижность стойки после соответствующей команды, отданной через интерфейс диагностического ПО, свидетельствует о надежной фиксации оной. На этом этапе, диагностика и техническое обслуживание механической части спектрометра считается завершенной.

Рекомендации к последующей поверке оптико-эмиссионного спектрометра.

На вновь откалиброванном и обслуженном оптико-эмиссионном спектрометре следует выполнить несколько прожигов разных калибровочных образцов и произвести сверку данных. Как правило, вероятность возникновения неисправностей, сбоя аппаратных или программных настроек, а также погрешностей в показаниях на исправно откалиброванном и обслуженном спектрометре практически отсутствует. Тем не менее, только после нескольких тестовых прожигов образцов, анализатор можно считать готовым к эксплуатации.

Авторами рекомендуется уделять особое значение критерию погрешности, т.к. он является основным диагностическим показателем технического состояния оптико-эмиссионного спектрометра. При незначительных отклонениях от максимально допустимой погрешности (0,03±0,005%) допускается программная доработка калибровочных данных. Выполнение аппаратной калибровки перед этим обязательно.

Заключение

Для оптико-эмиссионных спектрометров, предназначенных для исследования алюминиевых сплавов с низким содержанием легирующих элементов схемы AlMgSi, к которым, в первую очередь, относятся сплавы EN AW-6060 и EN AW-6063, авторами предлагается методика аппаратной калибровки с применением калибровочных образцов, изготовленных из сплавов с низким содержанием легирующих элементов, так как калибровочные образцы, предоставляемые производителями оптико-эмиссионных спектрометров не всегда соответствуют основному рабочему материалу (сплаву) того или иного производства, в частности – алюминиевого.

В статье приведены подтверждения тезису о том, что применение калибровочных образцов на базе алюминиевых сплавов с пониженным содержанием легирующих элементов обладает повышенной эффективностью при калибровке оборудования, применяемого для анализа алюминиевых сплавов – факт того, что использование тестового калибровочного образца на базе сплава EN AW-6060 способствует более точной настройке, калибровке и поверке спектрометра имеет место быть. Средняя точность спектрометра при этом увеличилась на 3(±0,005) %, что заметно выше точности, достигаемой при калибровке стандартными образцами, предоставляемыми производителем.

Произведена оценка тенденции изменения в показаниях калибруемого оптико-эмиссионного спектрометра. Даны рекомендации касательно программной доработки калибровочных данных. Описаны особенности технической диагностики, обслуживания и поверки оптико-эмиссионных спектрометров.

Результаты проведенных исследований, а также описанная методика подхода к технической диагностике и обслуживанию оптико-эмиссионных спектрометров рекомендуются специалистам литейных цехов предприятий по производству алюминиевой продукции, преимущественно из сплавов EN AW-6060 и EN AW-6063, а также других алюминиевых сплавов с низким содержанием легирующих элементов. Описанный в статье процесс технической диагностики и обслуживания оптико-эмиссионных спектрометров может послужить методической основой для составления соответствующих техпроцессов по организации их технического обслуживания и ремонта.

Список литературы:

1. Gaigalas, A. & Wang, Lili & He, Hua-Jun & Derose, Paul. (2009). Procedures for Wavelength Calibration and Spectral Response Correction of CCD Array Spectrometers. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology. 114. 215. 10.6028/jres.114.015., pp. 215-228
2. Marwa A. Ismail, Hisham Imam, Asmaa Elhassan, Walid T. Youniss and Mohamed A. Harith (March, 2004). LIBS limit of detection and plasma parameters of some elements in two different metallic matrices - Scientific Figure on ResearchGate. DOI: 10.1039/b315588a, pp. 488-494.
3. Palmero, Alberto & Hattum, E. & Rudolph, H. & Habraken, F.. (2007). Characterization of a low-pressure argon plasma using optical emission spectroscopy and a global model. Journal of Applied Physics. 101. 053306-053306. 10.1063/1.2559790, 12 p.
4. Ерошкин С.Г., Дынин Н.В. Разработка стандартных образцов состава сплавов алюминиевых типа Д1, Д16 // Труды ВИАМ. 2018. №2 (62), сс. 30-37.
5. Загрубский, А. А. Спектральные приборы / А. А. Загрубский, Н. М. Цыганенко, А. П. Чернова. — Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский Государственный Университет, 2007. — 76 c.
6. Палеева, С., Я. и др. Поверка и калибровка средств измерений / С.,Я. Палеева. и др — Екатеринбург : ГОУ ВПО УГТУ−УПИ, 2009. — 50 c.
7. Соболев, В. И. Рентгенофлуоресцентный анализ // Издательство Томского политехнического университета — 2014 — С.1–18.
8. Шаклеина, В. А. Микроструктура и механические свойства алюминиевого сплава Д16 при нагружении в коррозионной среде: специальность 05.16.09 «Материаловедение (по отраслям)»: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Шаклеина, В.А ; УФУ . — Тюмень, 2010. — 18 c.