Экспресс-анализ или химический анализ, что лучше?

Современные технологии наряду с традиционными методиками анализа химического состава материалов позволяют вывести контроль качества металлургической продукции на более высокий уровень. Правильный выбор метода анализа материала может сыграть ключевую роль в повышении эффективности производства. Какой вид анализа подходит в каждом конкретном случае, нам поможет разобраться директор ООО «Элватех», канд.ф.-м. наук Филиппов Александр Сергеевич.

– Александр Сергеевич, скажите, какие виды анализа можно применять для определения элементного состава материала?

Анализ химического состава материалов – процесс достаточно сложный. Прямым измерением мерительным инструментом этого сделать невозможно. Существует множество методов химического и физико-химического анализов, каждый из которых подходит для решения определенной аналитической задачи.

Один из самых распространенных методов – так называемая «мокрая химия», основан на разложении материала на атомы и молекулы в результате различных химических реакций. Это достаточно точный вид анализа, широко применяемый в арбитражных целях, а также при создании и аттестации эталонных образцов. К его недостаткам можно отнести длительность проведения исследования и достаточно высокую стоимость.

Анализ химического состава – это многофакторный процесс, где каждый фактор влияет на конечный результат, внося в него определенную долю погрешности. При проведении химического анализа на конечный результат влияют, например, погрешность взвешивания навески пробы, точность составления реактивов, погрешность титрования, погрешность приборов (фотоэлектроколориметров, спектрофотометров) и так далее.

В настоящее время в дополнение, а порой и на замену «мокрой химии» все чаще приходят инструментальные методы анализа, такие как рентгенофлуоресцентный, атомно-абсорбционный, атомно-эмиссионные методы с различными вариантами возбуждения атомов (электрическая искра или дуга, индуктивно-связанная плазма, лазерная искра, тлеющий разряд), хроматография и др.

В металлургической промышленности современные приборы (например, рентгенофлуоресцентные и оптико-эмиссионные спектрометры) зачастую способны справиться с теми же задачами, что и классический химический анализ. Однако говорить о том, что химический анализ это «прошлый век» пока рано.

– В каких случаях обычно применяются рентгенофлуоресцентные спектрометры?

Рентгенофлуоресцентные спектрометры – приборы, предназначенные для анализа элементного состава материала. Их основные достоинства – широкий спектр анализируемых материалов (как металлов и сплавов, так и неметаллических материалов), скорость проведения анализа, минимальная пробоподготовка и удобство в эксплуатации. Например, по металлургической цепочке анализировать можно практически все, начиная от руды и вспомогательных материалов (кокс, огнеупорные материалы и т. д.) и заканчивая готовой продукцией. Метод рентгенофлуоресцентного анализа абсолютно неразрушающий, поэтому может эффективно применяться для анализа готовой продукции в машиностроении.

Диапазон представленных на рынке моделей спектрометров весьма широкий – от портативных носимых экспресс-анализаторов и недорогих настольных систем до стационарных лабораторных установок с высокими аналитическими параметрами и соответствующей ценой. Настольные и портативные приборы находят широкое применение при сортировке металлолома или продукции на складе, для входного контроля металлургического сырья, в литейных цехах для экспресс-анализа по ходу плавки. Приборы верхнего класса успешно применяются в ЦЗЛ меткомбинатов для сертификационного анализа продукции.

Общая черта современных рентгенофлуоресцентных спектрометров – компактность и простота в обращении. Вещество, которое необходимо проанализировать, нужно просто поместить в специальную ячейку прибора, и менее чем через минуту состав материала выводится на монитор.

– В каких случаях использование рентгенофлуоресцентного спектрометра ограничено или невозможно?

Для рентгенофлуоресцентных спектрометров есть одно существенное ограничение – они не определяют элементы с атомным номером меньше одиннадцати. То есть, первые две строчки таблицы Менделеева прибор не видит. Натрий является практически принципиальным пределом анализируемых элементов. Поэтому такие спектрометры не подходят, как правило, для анализа содержания углерода в стали. Кроме того, не даст необходимого результата и анализ на портативных спектрометрах таких важных элементов, как сера и фосфор, содержание которых в нержавеющей стали составляет порядка сотых долей процента.

– В чем отличие рентгенофлуоресцентных спектрометров производства различных фирм?

Рентгенофлуоресцентные спектрометры делятся на два типа – спектрометры с волновой дисперсией и энергодисперсионные, отличающиеся методом регистрации характеристического рентгеновского излучения атомов образца. Конструкции же рентгенофлуоресцентных спектрометров одного типа, но производства различных фирм, очень схожи, поскольку они состоят из достаточно ограниченного набора узлов и деталей. Особенно это касается настольных и портативных энергодисперсионных систем. Основные комплектующие этих приборов – рентгеновская трубка и рентгеновский детектор, зачастую приобретаются различными фирмами у одних и тех же производителей.

Несмотря на общую схожесть, некоторые фирмы выпускают спектрометры с несколько отличающимися характеристиками. Например, немецкая фирма «Spectro» производит спектрометры, имеющие поляризованный пучок первичного излучения (рентгеновское излучение, исходящее из трубки, поляризуется, и после этого направляется на образец). При этом улучшается соотношение «сигнал-фон» в области легких элементов, благодаря чему можно получить более низкие пределы их обнаружения. В приборах других производителей этот вариант не применяется, так как он более сложный, и соответственно, более дорогой. Предпочтение отдается классическому варианту – прямой пучок, первичный фильтр и детектор.

Основное отличие приборов, производства различных фирм – это программное обеспечение. Именно от его качества на сегодняшний день во многом зависит качество самого спектрометра. Задача программного обеспечения – получение информации о концентрации элементов из рентгеновского спектра, излучаемого материалом. В приборах используется «userfriendly software» – легкое для понимания и освоения программное обеспечение с дружественным графическим интерфейсом, которое помогает существенно уменьшить время, необходимое для обучения работе с прибором.

Таким образом, оценить рентгенофлуоресцентный спектрометр, произведенный той или иной фирмой, далеко не всегда можно исходя из качества используемых в нем деталей. Например, многие приборы китайского производства, не отличающиеся от европейских или отечественных по качеству сборки, значительно уступают им в аналитических возможностях программного обеспечения.

– Когда лучше всего использовать оптико-эмиссионные спектрометры?

Оптико-эмиссионная спектрометрия позволяет проводить достаточно полный и точный анализ материалов. В металлургической промышленности наиболее широкое применение находят спектрометры с искровым возбуждением. Эти спектрометры можно применять для сертификационного анализа, поскольку они способны определить содержание практически всех элементов, начиная от тысячных долей процента, включая такие элементы, как углерод, сера и фосфор. К недостаткам можно отнести необходимость проведения пробоподготовки – заточки образца на шлифовальном круге или токарном станке, невозможность анализировать ферросплавы и неметаллические материалы. Кроме того, оптико-эмиссионные спектрометры, с точки зрения стоимости, менее доступны, чем рентгенофлуоресцентные.

– В каких случаях наиболее эффективно использование химического, а в каких спектрального анализа?

Эффективность использования спектрометров обеспечивается благодаря достаточно высокой точности и скорости проведения анализа. На проведение химического анализа затрачивается от нескольких часов, а в случае с некоторыми материалами – до нескольких суток. Применяя спектрометры, результат можно получить за значительно более короткий промежуток времени: от нескольких секунд до часа максимум, включая время, необходимое для пробоподготовки.

Кроме того, проведение химического анализа более трудоемко: некоторые образцы не растворяются в реактивах, и их разложение приходится проводить с применением специальных средств (ультразвук, СВЧ). Полный химический анализ подразумевает проведение значительного количества сложных тестов. Проведение спектрального анализа гораздо проще: достаточно поместить образец в прибор и нажать кнопку.

Спектральные методы, в особенности рентгенофлуоресцентный анализ, может успешно применяться для идентификации неизвестных материалов. Для этого «неопознанный» материал нужно поместить в прибор, запустить специальную программу, и через некоторое время появится результат в виде элементного состава. После этого запускается программа для сравнения полученного результата с базой данных известных материалов.

В отличие от химического анализа, где знание химии и умение пользоваться химреактивами просто необходимо, научиться пользоваться спектрометром можно в течение несколько дней. Причем, время обучения во многом зависит не от того, насколько будущий оператор знаком с технологией рентгеноспектрального анализа, а от того, насколько хорошим пользователем компьютера он является.

Однако, несмотря на все достоинства, спектрометры все еще не стали стопроцентной альтернативой «мокрой химии», и для арбитражного анализа чаще всего применяется именно химический анализ, как «абсолютный» метод. Тем не менее, методы и приборы спектрального анализа активно развиваются и совершенствуются, что позволяет рассматривать этот вид определения химического состава материалов, как самый современный и перспективный.

Дмитрий Григорьев