Количественный рентгенофазовый экспресс-анализ сыпучих сырьевых материалов по регистрации дифракционного и характеристического излучений Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

МЕТАЛЛУРГИЯ И СВАРКА

В. И. Боченин

Курганский государственный университет, г. Курган

КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ РЕНТГЕН0ФА30ВЫЙ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗ СЫПУЧИХ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО РЕГИСТРАЦИИ ДИФРАКЦИОННОГО И ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЙ

Количественный рентгенофазовый анализ широко применяется в аналитической практике. Однако существенным недостатком его является зависимость регистрируемого дифракционного излучения не только от содержания контролируемой фазы, но и от химического состава анализируемой пробы, т.е. от матричного эффекта. Существующие способы учета этого эффекта (методы внутреннего и внешнего стандарта) обладают низкой производительностью измерений и сложностью методических разработок [1, 2]. Для контроля фазового состава руд и продуктов их переработки необходим экспрессный вариант измерений, позволяющий выдавать результат с минимальной погрешностью анализа. С учетом изложенного, в настоящей статье предлагается экспрессный способ рентгенофазового анализа с учетом матричного эффекта. Физическая сущность его основана на измерении

А

отношения , полученного в двухканальном гамма-

спектрометре. В канале дифрактометра регистрируется интенсивность дифракционной линии анализируемой фазы. А в канале рентгенорадиометрического анализатора фиксируется поток характеристического К-из-

лучения элемента А с атомным номером, равным

материалу анода рентгеновской трубки дифрактометра.

Интенсивность регистрируемого характеристического -излучения в радиоизотопном канале равна [3]

_ К" -Ы -С"А

(1)

]-А{п) _ К" ■ N ■ СА

/'Г

.Л I .А

где д. =//. ■СА+Ц1 -Сн.

Интенсивность регистрируемой дифракционной линии контролируемой фазы в канале дифрактометра равна [4]

тп _ К" ' Сп

где К" - постоянная, зависящая от энергии первичного пучка рентгеновских лучей, от структуры анализируемой фазы, индексов интерференции {пШ) и условий съемки; |ы"- массовый коэффициент поглощения дифракционного излучения в анализируемой среде; р -

плотность контролируемой фазы; С - содержание ее. Отношение (3)к(2) примет вид

Л

с„

К"

(4)

1Г С"А-М-Рп Ц--

При равенстве 7-анода рентгеновской трубки атомному номеру элемента А массовые коэффициенты поглощения в формуле (4) будут равны, т.е. |ЦИ = |ц" . В этом случае получим

Л

с„

1Г} с"А-м-Рп

Аналогично для эталонной пробы

с

(5)

Ц

1^ = СЭА-М-рэ

Отношение (5) к (6) равно

М С -СЭД-И-р

п _ п А гэ

(6)

М С -С"-N-о '

э э А гп

(7)

где индекс п - относится к анализируемой пробе;

К" - постоянный коэффициент, зависящий от атомных и геометрических констант; N - активность радионуклида; СА~ содержание контролируемого элемента А\ ,

ц. - массовые коэффициенты поглощения рентгено-флуоресцентного излучения в определяемом элементе

(А) и наполнителе (/-/); С^ - содержание наполнителя в

анализируемой среде. Равенство (1) можно отразить в следующем виде

где Мп

I

Г

М --

}А{п) ' 1У± э ^А(э) ■

д

г г

При одинаковом содержании элемента А в эталонных и анализируемых пробах и идентичной структуре

(СА=СА, рй = рэ ) из (7) получим

С

" м„ э'

(8)

Структурная схема регистрирующей аппаратуры приведена на рис. 1. Анализируемая проба делится пополам. Одна ее часть помещается в прободержатель дифрактометра 2 и облучается фотонами рентгеновской труб-

ки 1. Детектором 3 регистрируется интенсивность дифракционной линии анализируемой фазы. Через преду-силитель 4 сигнал поступает в первый канал гамма-спектрометра 5. В рентгенорадиометрическом канале вторая часть пробы 6 облучается гамма-квантами радио-

селективный фильтр из марганца.

По результатам измерений эталонных образцов

строили кривые, связывающие отношение

п

г

с процен-

нуклидов 7. Интенсивность характеристического Ка~из- ТНым содержанием молибденита - кривая 1 и хромита -

п

лучения элемента А регистрируется пропорциональным детектором 8. Далее сигнал поступает через второй пре-дусилитель 9 во второй канал гамма-спектрометра 10.

кривая 2 (рис. 2). Как видно, зависимость параметра

оказалась линейной. На основании этого можно считать, что предлагаемый способ позволяет учитывать влияние матричного эффекта на результаты измерений. Используя экспериментальную зависимость (рис. 2), разработали методику рентгенофазового экспресс-анализа.

Рис. 1. Структурная схема регистрирующей установки

Двухканальный вариант измерений применяли для количественного определения молибденита (А/о^о) и

хромита ^е,СгЮз) в продуктах переработки руд. Регистрирующую аппаратуру (рис. 1) настраивали по эталонным образцам с различным содержанием анализируемых фаз. Так как в контролируемой среде отсутствовал Со, то съемку на дифрактометре осуществляли в кобальтовом излучении. В случае хромита гониометр настраивали на дифракционный максимум (511), а молибденита - (1013). В эталонные образцы вводили 7,13 % кобальта, перемешивая порошковый материал электромеханическим способом с окисью этого элемента. Каждый эталонный образец делили пополам, одну его часть устанавливали в прободержатель дифрактометра 2, а другую в радиоизотопный канал 5. При облучении фотонами рентгеновской трубки эталонных порошков регистрировали с помощью гамма-спектрометра скорость счета на максимуме дифракционных линий (511) и (1013) за вычетом

фона Для снижения скорости счета до уровня ее в

радиоизотопном канале перед входным окошком детектора дифрактометра устанавливали алюминиевую пластинку толщиной 0,15 мм.

В радиоизотопном канале вторую часть эталонных образцов облучали гамма-квантами радионуклида 109Сс1 (£=22 кэВ, активность 0,7 Вк), регистрируя интенсивность

-линий Со в виде скорости счета (/у). Для исключения мешающего влияния характеристического /(-излучения железа, содержащегося в эталонных образцах, перед входным окошком детектора СИ-6Р устанавливали

Содержание, %

п

Рис. 2. Зависимость параметра ^ э от содержания молибденита и хромита

В тонкоизмельченные пробы хромитового и молибденового концентрата вводили 7,13 % кобальта, перемешивая исследуемый материал электромеханическим способом, определяя в каждом случае коэффициент разбавления. Затем каждую делили пополам, устанавливая одну часть в радиоизотопный канал и другую в прободержатель дифрактометра. В процессе облучения поверхностного слоя контролируемой пробы в двух каналах в гамма-спектрометре запускали одновременно два пересчетных устройства, регистрируя ~[п I" . При отключении их с помощью таймера рассчитывали отношение

ц

п

Jn . Используя параметр , по калибровочным кривым (рис. 2) подбирали эталонный образец с концентрацией анализируемой фазы, близкой к найденной по графику. Затем его устанавливали в прободержатель анали-

затора, измеряя изложенным способом

п

г

Далее по

равенству (8) рассчитывали содержание контролируемой

СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 3

71

фазы в разбавленной пробе. Умножив полученную величину на коэффициент разбавления, находили истинную концентрацию. Экспрессность контроля составила 7 мин на одну пробу.

Методическую погрешность предлагаемого способа оценили путем определения рентгенофазовым способом молибденита и хромита в эталонных образцах. В таблице 1 приведены экспериментальные результаты и рассчитанные отклонения. Как видно, отклонения оказались незначительными, вполне приемлемыми для оценки содержания молибденита и хромита.

Таблица 1

Отклонение данных рентгенофазового определения молибденита и хромита от содержания этих фаз в эталонных образцах

№ п/п образцов Содержание в эталонных образцах, % Рентгенофазовый анализ, % Отклонение, %

MoS2 Fe,Cr2O3 MoS2 Fe,Cr2O3 MoS2 Fe,Cr2O3

1 24,6 14,8 24,7 14,6 + 0,1 - 0,2

2 25,7 15,1 25,3 14,9 - 0,4 - 0,2

3 25,9 15,5 25,8 15,7 - 0,1 + 0,2

4 26,3 15,9 26,0 15,8 - 0,3 - 0,1

5 26,6 16,2 26,4 16,5 - 0,2 + 0,3

6 27,1 16,7 27,3 17,0 + 0,2 + 0,3

7 27,4 16,9 27,6 17,0 + 0,2 + 0,1

8 27,8 17,4 27,7 17,1 - 0,1 - 0,3

9 28,3 17,8 28,5 17,6 + 0,2 - 0,2

10 28,6 18,1 28,4 18,4 - 0,2 + 0,3

В заключение следует отметить, что двухканальный вариант измерений позволяет довольно быстро судить о содержании контролируемых фаз. Такая возможность обусловлена путем измерения в двухканальном варианте, позволяющем учитывать влияние матричного эффекта. Предлагаемый способ может быть перспективным для количественного фазового анализа в горно-металлургической промышленности.

Список литературы

1. Русаков А.А. Рентгенография металлов. -М.: Атомиздат, 1977.-479 с.

2. Кочанов Н.Н., МиркинЛ.И. Рентгеноструктурный анализ (Практичес-

кое руководство). -М.: Матгиз, 1960.-216 с.

3. Леман Е.П. Рентгенорадиометрический метод опробования место-

рождений цветных и редких металлов. -Л.: «Недра», 1973.- 164 с.

4. УманскийЯ.С. Рентгенография металлов и полупроводников. -М.:

«Металлургия», 1969.- 268 с.

Н.В. Нестеров, А.Г. Клабуков, Е.Н. Полякова Курганский государтвенный университет, г. Курган

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОХЛАЖДЕНИЯ ОТЛИВКИ ПРИ ЛИТЬЕ ПО ГАЗИФИЦИРУЕМЫМ МОДЕЛЯМ

Одним из перспективных технологических процессов получения литых заготовок в машиностроении является технология литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) [1]. При этой технологии модель, как правило, из пенополистирола заформовывается сухим литейным песком в специальной опоке. Подача жидкого металла к модели приводит к газификации полистирола, его разложению, вследствие чего металл принимает форму мо-

дели. В нашей стране развитие данной технологии стимулируется относительно низкой стоимостью капитальных вложений особенно при мелко- и среднесерийных производствах. При этом процессе газификация модели происходит в ограниченном пространстве модели из пенополистирола, что позволяет подвести к опоке вакуумный отсос, т.е. простым способом удалить и обезвредить продукты газификации. Объем продуктов газификации, как правило, невелик, так как масса моделей не превышает массу крепителей, применяемых для изготовления стержней при традиционных способах получения литых заготовок. Это показывает несомненные экологические преимущества технологии перед традиционными и загазованность участков и цехов литья по газифицируемым моделям на их фоне незначительна. Соответствующие исследования убедительно показали обоснованность этих утверждений.

В то же время данный процесс требует серьезной технологической проработки и хорошо обученного персонала. Особенно велико значение этих факторов при литье сталей как углеродистых, так и легированных. Технологическим аспектам ЛГМ посвящено большое число работ, однако ряд вопросов получения плотной отливки, особенно стальной, требует дальнейшего изучения. Разработка методов математического моделирования процессов кристаллизации при ЛГМ позволяет отрабатывать технологически рациональные режимы и изучать процесс формирования литой заготовки.

В настоящей работе объектом изучения является процесс кристаллизации отливки, имеющей форму цилиндра теплоизолированного с боковой поверхности и заливаемого сифонным способом. Диаметр цилиндра много меньше его высоты. Модель из пенополистирола для получения отливки размещена в опоке, которая накрыта сверху газонепроницаемой пленкой и к ней подведен вакуумный отсос (рис.1).

Модель И-;:; п^нополистиролс

Литниноьо-питаюшся система

Рис. 1. Схема заливки модели из пенополистирола

Целью является разработка методов расчета тепловых полей при кристаллизации отливки, полученной методом литья по газифицируемым моделям. Это позволит применить их для определения условий получения плотной отливки и выявить наиболее существенные управляющие воздействия на процесс кристаллизации. При этом результаты работы могут быть использованы как для проектирования технологии протяженных отливок, так и посредством соответствующих пересчетов и трансформаций для технологии фасонных отливок, имеющих произвольную геометрию.

Рассмотрим взаимодействие жидкого металла, имеющего температуру перегрева ДТ , с цилиндром из пенополистирола плотностью Рп . При этом в первом приближении будем рассматривать только одномерный случай, при котором теплоотдачей от боковой поверхности цилиндра пренебрежем. Взаимодействуя с пенополис-