Sự Khác Nhau Giữa Các Công Nghệ XRF – OES – LIBS

Tổng quan về ứng dụng  Xác Định Thành Phần Vật Liệu PMI – Positive Material Identification

Với các quy định ngày càng tăng dần về sự an toàn, độ tin cậy, khả năng truy xuất nguồn gốc và tuân thủ quy định, việc xác minh vật liệu đã trở thành một phần thiết yếu trong chương trình an toàn và độ tin cậy trên toàn thị trường sản xuất và năng lượng.

Trong khi các thông số kỹ thuật vật liệu được sử dụng trong công nghiệp ngày càng trở nên cụ thể hơn, nhu cầu về việc kiểm tra PMI khác nhau trong lĩnh vực này vẫn đang tăng dần. Thiết bị phân tích XRF, OES và LIBS di động đều là những công nghệ phổ biến được sử dụng để xác định phân tích nhanh chóng, chính xác và đáng tin cậy. Mỗi một trong những công nghệ đều có những ưu và nhược điểm riêng biệt, chúng cung cấp các phân tích định tính và định lượng về thành phần vật liệu. Thuật ngữ phổ biến được sử dụng để thực hiện bất kỳ kỹ thuật nào trong số này được gọi Xác Định Thành Phần Vật liệu – Positive Material Identification. Cả ba công nghệ này đều được sử dụng theo nhiều cách khác nhau để đảm bảo tuân thủ chương trình quản lý chất lượng, Ví dụ một số ứng dụng như sau:

    • Xác minh vật liệu đến để đảm bảo rằng các sản phẩm hoặc thành phần của chúng là chính xác.
    • Chế tạo để đảm bảo thành phần hàn và kim loại trợ dung của chúng là hợp kim chính xác, đáp ứng các yêu cầu vật liệu quy định.
    • Phân loại và xác định các nguyên liệu không xác định hoặc không có nhãn mác để đảm bảo sử dụng đúng nguyên liệu cho các quy trình cụ thể.
    • Các ứng dụng trong quy trình Retro-PMI để xác minh vật liệu hiện đang được xử lý để tuân thủ các thông số kỹ thuật được yêu cầu.

Hiểu được những hạn chế và sự khác biệt trong mỗi kỹ thuật này là rất quan trọng khi thực hiện phân tích vật liệu PMI. Thiết bị phân tích có thể được sử dụng trên một loạt thành phần khác nhau trong nhiều ngành công nghiệp. Chúng được sử dụng nhất quán trong cả chương trình sản xuất và quản lý tài sản toàn vẹn trong hóa dầu, lọc dầu, sản xuất điện, chế tạo, dược phẩm, hạt nhân và hàng không vũ trụ… Các chương trình xác minh này giúp loại bỏ sự pha trộn tốn kém của các vật liệu giả mạo, xác định các vật liệu không rõ nguồn gốc, cải thiện chất lượng sản phẩm và giúp ngăn ngừa thương tích và thiệt hại về nhân mạng. Mỗi chương trình xác minh sẽ có các yêu cầu khác nhau khi xác định vật liệu cần phân tích. Mỗi hợp kim hoặc vật liệu sẽ có các yêu cầu và hạn chế nguyên tố khác nhau. Hiểu từng kỹ thuật sẽ giúp xác định công nghệ nào sẽ sử dụng để xác minh vật liệu.

 

Công nghệ & Thiết bị Huỳnh Quang Tia X – XRF

Công nghệ XRF – X-Ray Fluorescence là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất hiện nay, cung cấp cho người dùng một thiết bị cầm tay nhỏ gọn mang lại kết quả nhanh chóng, chính xác. Thiết bị XRF cầm tay sử dụng một ống phóng có vật liệu anode khác nhau để phát ra chùm tia X vào mẫu, kích thích các electron và dịch chuyển chúng khỏi lớp vỏ bên trong. Chỗ trống từ lớp vỏ bên trong sau đó được thay thế bằng một điện tử từ lớp vỏ bên ngoài. Khi electron này lấp đầy chỗ trống của lớp vỏ bên trong, nó giải phóng năng lượng dưới dạng tia X thứ cấp. Sự giải phóng năng lượng thứ cấp này được gọi là huỳnh quang. Mỗi nguyên tố hiện diện sẽ phát ra các đặc tính năng lượng riêng biệt của chính nó. Bằng cách đo đặc tính duy nhất của năng lượng giải phóng phát ra từ mẫu, có thể xác định những nguyên tố nào có mặt – Đây được gọi là phân tích định tính. Sau đó, bằng cách đo cường độ của năng lượng vô song và áp dụng các hệ số hiệu chỉnh, sau đó có thể đo được mức độ hiện diện của từng nguyên tố trong mẫu – Đây được gọi là phân tích định lượng.

Một số thiết bị XRF có khả năng đo các nguyên tố nhẹ mức nồng độ thấp như Silic (Si), Phốt-pho (P), Lưu huỳnh (S), Nhôm (Al)Magie (Mg). Nhưng nó có những hạn chế là không thể đo lường được các nguyên tố nhẹ hơn Magie (Mg). Do sự hạn chế đó nên nó không thể phân loại được các vật liệu như thép không gỉ Carbon thấp, thép Carbon và vật liệu Hợp kim thấp vì không thể đo nguyên tố Carbon (C). Ví dụ: XRF có thể đo lường được các nguyên tố cần thiết để xác định thép không gỉ 316, nhưng không thể đo lường được lượng Carbon cần thiết để xác định Vật liệu 316 đó là cấp L hay H. Carbon là nguyên tố thiết yếu cần thiết để xác minh các cấp thép không gỉ khác nhau, tức là 316L hoặc 316H. XRF có thể mất đến vài phút cho mỗi mẫu để tích lũy tín hiệu có thể phát hiện được từ nồng độ chì có hàm lượng PPM thấp, và kết quả đo lường có thể không mong muốn hoặc không chính xác đối với các mẫu mỏng dưới 0.5 mm hoặc ít đặc hơn.

 

Công nghệ & Thiết bị Quang Phổ Phát Xạ Quang Học – OES

Công nghệ OES – Optical Emission Spectroscopy, các nguyên tử cũng bị kích thích – Tuy nhiên, năng lượng kích thích đến từ tia lửa điện hình thành giữa điện cực của thiết bị và mẫu kiểm tra. OES sử dụng năng lượng của tia lửa khiến các Electron trong mẫu phát ra ánh sáng, ánh sáng này được chuyển thành dạng quang phổ. Mỗi nguyên tố tạo ra một màu duy nhất của ánh sáng quang học. Bằng cách đo cường độ của các đỉnh trong ánh sáng quang phổ này, thiết bị có thể tạo ra phân tích định tính và định lượng thành phần vật liệu. OES có thể được sử dụng để phát hiện hầu hết các loại nguyên tố, bao gồm các nguyên tố Cacbon và Nhẹ trong nhiều loại khác nhau bao gồm thép không gỉ, niken và thép Cacbon… Kỹ thuật OES được sử dụng để phân loại vật liệu bằng cách đo lường nguyên tố Cacbon, để xác định các hợp kim như thép không gỉ cacbon thấp hoặc cacbon cao, hợp kim thấp như thép Cacbon 41xx series, 86xx series và 10xx series…

Mặc dù OES được coi là một kỹ thuật di động, nhưng đúng hơn nó nên được phân loại là kỹ thuật có thể vận chuyển. Hệ thống OES có trọng lượng và kích thước khác nhau tùy thuộc vào nhà sản xuất nhưng có thể nặng khoảng từ 20 kg đến trên 27 kg và yêu cầu một bình khí trơ Argon loại lớn (tùy thuộc vào kích thước bình khí trơ Argon được sử dụng, nó cũng sẽ nặng khoảng 9 kg). Hệ thống OES và bình khí Argon thường được vận chuyển trên xe đẩy để giúp thiết bị di động. Ngoài ra, khi thực hiện phân tích với OES, mỗi mẫu được phân tích sẽ được yêu cầu sử dụng máy mài với đĩa nhám loại nhôm Oxit-Zirconium để chuẩn bị bề mặt là bắt buộc. Việc chuẩn bị mẫu là một bước quan trọng trong bất kỳ phân tích OES nào và mẫu không được chuẩn bị đúng cách sẽ mang lại kết quả không mong muốn hoặc không chính xác. Mặc dù OES được coi là phương pháp không phá hủy, nhưng mẫu cần được chuẩn bị bề mặt bằng thiết bị cơ học và tia lửa được tạo ra để thực hiện đo lường nên sẽ để lại vết cháy lõm lớn trên bề mặt mẫu và cần được loại bỏ sau khi phân tích.

 

Công nghệ & Thiết bị Quang Phổ Phát Xạ Laser – LIBS

Công nghệ LIBS – Laser Induced Breakdown Spectroscopy sử dụng tia Laser dao động để mài mòn bề mặt của mẫu tạo ra Plasma. Khi Plasma nguội đi, các electron từ Plasma làm mát bị kích thích, khiến Plasma phát ra ánh sáng. Mỗi nguyên tố trong bảng tuần hoàn tạo ra một đỉnh phổ duy nhất cho chính nó. Bằng cách sử dụng một bộ đầu DETECTOR để đo các đặc tính riêng biệt của ánh sáng phát ra, và có thể phát hiện ra những nguyên tố nào có trong mẫu. Bằng cách đo các đỉnh của ánh sáng và cường độ của chúng trong mẫu, thành phần hóa học có thể được xác định và định lượng nhanh chóng theo nồng độ phần trăm (%) hoặc phần triệu (PPM). OES đã xuất hiện cách đây 50 năm và là một kỹ thuật được sử dụng chủ yếu trong các thiết bị phòng thí nghiệm. Với những tiến bộ gần đây trong công nghệ, khoảng 7 hoặc 8 năm nay kỹ thuật này đã được phát triển thành một thiết bị di động cầm tay có khả năng đo lường Carbon tại hiện trường để xác định và phân loại vật liệu. Giống như công nghệ OES, khí trơ Argon vẫn cần thiết để phân tích Carbon trong thiết bị phân tích cầm tay LIBS. Thay vì kết nối bình chứa khí Argon như thiết bị OES, thiết bị phân tích LIBS sử dụng bình khí trơ Argon tiêu hao nhỏ được tích hợp trực tiếp trên thiết bị.

Thiết bị phân tích LIBS có thể được sử dụng để đo lường các nguyên tố Nhẹ ở nồng độ thấp như Carbon (C), Silic (Si) và Nhôm (Al). Khả năng của thiết bị LIBS cho phép người dùng dễ dàng phân loại thép không gỉ cấp L và H, hợp kim thấp và thép Cacbon. Thiết bị cũng có thể thực hiện các phép đo Đương Lượng Cacbon (CE) trong các ứng dụng hàn hoặc chế tạo. Hầu như các thiết bị LIBS vẫn cần chuẩn bị bề mặt mẫu để phân tích, việc chuẩn bị mẫu thích hợp là một bước quan trọng, nếu việc chuẩn bị mẫu không tốt sẽ mang lại kết quả không mong muốn hoặc không chính xác. Mặc dù LIBS được coi là phương pháp không phá hủy, nhưng mẫu cần được chuẩn bị bề mặt bằng thiết bị cơ học và tia Laser có đường kính cùng mức năng lượng lớn nên sẽ để lại vết cháy lõm trên bề mặt mẫu và cần được loại bỏ sau khi phân tích.

 

Thiết bị LIS-02 trong ứng dụng PMI – Positive Material Identification

LIS-02 sử dụng công nghệ LIBS – Laser Induced Breakdown Spectroscopy được thiết kế theo dạng thiết bị cầm tay có khả năng đo lường Carbon mà không cần sử dụng khí Argon hoặc bất kỳ gì khác để xác định và phân loại vật liệu.

LIS-02 sử dụng để đo lường các nguyên tố nhẹ ở nồng độ thấp như Berili (Be), Carbon (C), Silic (Si), Nhôm (Al), Magie (Mg) mà các thiết bị LIBS hiện nay có thể hoặc không đo lường được. Thiết bị cho phép người dùng có thể phân loại thép không gỉ cấp L và H, hợp kim thấp và thép Cacbon. Thiết bị cũng có thể thực hiện các phép đo lường Đương Lượng Cacbon (CE) trong các ứng dụng hàn hoặc chế tạo.

LIS-02 được thiết kế để kiểm tra và xác định các sản phẩm kim loại cán, loại mác thép, phế liệu của kim loại màu và kim loại đen, hợp kim. Thiết bị cung cấp tốc độ cao và chính xác trong việc xác định thành phần các nguyên tố hóa học như Be, C, Mg, Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Sn, Sb, W, Pb và các loại khác. Bên trong thư viện được cài đặt sẵn 5 cấp mác tiêu chuẩn GOST, AISI/ASTM, UNS, BS/DIN và JIS với hơn 3000 loại mác. Nếu cần, người dùng có thể thêm các loại khác vào. Dựa trên kết quả phân tích, màn hình hiển thị mác thép hoặc hợp kim tương ứng với phần trăm các nguyên tố hóa học của mẫu vật đang kiểm tra.

Hầu như thiết bị LIS-02 không nhất thiết phải chuẩn bị bề mặt mẫu để thực hiện việc kiểm tra phân tích (ngoại trừ thép Carbon). LIS-01 sẽ được xem như là một thiết bị và phương pháp không phá hủy, bởi vì nó có đường kính chùm tia tại điểm đo lường chỉ 50 micron (0.05 mm) nên hầu như không để lại vết cháy lõm lớn như các thiết bị LIBS hiện nay và nó có thể kiểm tra được các mẫu có kích thước và chiều dày nhỏ đến 200 micron (0.2 mm).

Soạn thảo: Nguyễn Đức Thắng

Bình luận bài viết