ApNote: Medição de Equivalentes de Carbono com LIBS Portátil

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Nosso Carbon ApNote anterior discute o uso do SciAps Z-200 C+ para análise de conteúdo de carbono. Esta nota descreve como a medição de carbono com Z é facilmente estendida para determinar equivalentes de carbono (CE).

A Tecnologia e Método

O Z-200 C+ é o único analisador portátil do mundo capaz de analisar o conteúdo de carbono em ligas. O LIBS Z-200 C+ portátil SciAps usa a técnica de espectroscopia de decomposição induzida por laser (LIBS) para vaporizar uma pequena porção da amostra (menor que a faísca OES). A luz óptica do plasma resultante é medida em um espectrômetro integrado para determinar quais elementos estão presentes e, por meio de curvas de calibração, a quantidade de cada elemento. O Z usa um laser pulsado de 1064 nm, operando a 5-6 mJ/pulso e taxa de repetição de 50 Hz. O espectrômetro integrado abrange 190 nm - 620 nm, com um espectrômetro dedicado de alta resolução (0.06 nm FWHM) dedicado à faixa de 193 nm onde o carbono é medido. O LIBS portátil, como o Spark OES, deve usar purga de argônio para análise química quantitativa. A purga de argônio do Z consiste em um cartucho substituível localizado na alça do analisador. Para análise de aço carbono, o recipiente de argônio dura cerca de 600 testes e custa US$ 6.50 para ser substituído. Os usuários geralmente realizam em média 2 a 3 testes para carbono e CE, portanto, espera-se que cada recipiente forneça cerca de 200 locais de teste. Armazenar e transportar os recipientes pequenos é infinitamente mais fácil do que os grandes tanques de argônio usados ​​para OES de faísca. O Z mede vários elementos simultaneamente, incluindo elementos necessários para equivalentes de carbono Si, Mn, Cr, Mo, V, Cu e Ni. Também mede Nb e B para a convenção canadense (ver página inversa para discussão). Como a medição de carbono normalmente usa a média de 2 a 3 testes, a precisão do Si medido e dos metais de transição é muito boa devido à média (ver Tabela 1). Ao utilizar as curvas de calibração gerais, a precisão do número CE é amplamente determinada pela precisão dos elementos de liga. No entanto, ao utilizar a padronização de tipo, a precisão do CE é governada pela precisão do resultado do carbono.

Equivalentes de Carbono

O Z-200 C e o Z-200 C+ suportam vários cálculos equivalentes de carbono. Estes incluem a fórmula de Dearden e O'Neill que foi adotada pelo Instituto Internacional de Soldagem (IIW) e a fórmula AWS.

Fórmulas de Equivalentes de Carbono

Dearden e O'Neill (IIW)CE = %C + [% Mn/6] + [% Cr + % Mo + % V]/5 + [% Cu + % Ni]/15 [tamanho da lacuna = "5px"]AWSCE = %C + [% Mn + % Si]/6 + [% Cr + % Mo + % V]/5 + [% Cu + % Ni]/15[gap size="8px"]As duas fórmulas são simplesmente relacionadas por:AWS = IIW + [% Si/6][gap size="8px"]Também apoiamos a convenção canadense CAN/CSA Z662, especificada para dutos canadenses. A discussão sobre o cálculo canadense é fornecida posteriormente nesta nota de aplicação. Na prática, o teor de silício em aços carbono é normalmente entre 0.1 e 0.3%, a contribuição adicional do Si para CE é da ordem de 0.017-0.05.

Dados e Discussão

Químicas repetidas e valores de CE medidos pelo LIBS para vários aços carbono são mostrados na Tabela 1. As classificações de soldabilidade versus valores de CE retirados da literatura publicada são mostradas na Tabela 2. Para o estudo de repetibilidade, uma liga de tubulação comum (API 5L X-45) além de vários aços carbono comuns foram selecionados. O desempenho mostrado no usuário preparou adequadamente o material semelhante à faísca OES. Os resultados mostrados são normalmente médias de 3 testes mais 3 segundos de pré-queima, para um tempo total de teste de cerca de 12 segundos. Os valores CE são calculados pelo analisador usando a formulação AWS.

Também mostramos CE e produtos químicos para X-45 ao usar a padronização de tipo (ou seja, calibração de ponto único para um material X-45). Em geral, existem alguns pequenos desvios que podem ocorrer quando se utilizam as curvas de calibração gerais, geralmente quando os níveis de concentração estão abaixo de 0.05%. A comparação dos resultados de Ni e V para a calibração completa do X-45 (0 - 5%) versus a padronização de tipo na Tabela 1 é um bom exemplo. Normalmente descobrimos que o uso das curvas de calibração completas pode distorcer o valor CE em ± 0.03 em qualquer direção. E esse viés quase sempre se origina de pequenos vieses em concentrações muito baixas em alguns dos elementos que compõem o valor CE. Portanto, se o CE medido estiver dentro de 0.03 unidades de um valor limite para soldabilidade (por exemplo, próximo de 0.4 como na Tabela 2), então a padronização de tipo pode ser a escolha certa. A Tabela 1 é representativa dos modelos Z-200 C e C+, desde que o

Padrão Canadense de Soldagem

O cálculo CE canadense, mostrado na fórmula abaixo, acrescenta um requisito adicional. O valor CE inclui uma contribuição de 5 vezes a concentração de boro. Os níveis de boro no aço são normalmente inferiores a 5 ppm (0.0005%), abaixo do limite de detecção (LOD) do Z e da maioria das unidades OES de faísca móvel. Na verdade, para o Z-200 C e C+, estimamos o LOD do boro em cerca de 80 ppm (0.008%).[gap size="8px"]CE (CAN) = %C + F*[ %Mn/6 + %Si/24 + %Cu/15 + %Ni/20 + (%Cr + %Mo + %V + %Nb)/5 + 5*% B]Para o cálculo CE canadense, o Z utiliza a seguinte abordagem. Desde que o boro não seja detectado, um valor máximo de 0.008% B é usado para o cálculo do CE, uma vez que este é o nosso LOD estimado. Este valor é multiplicado por 5 e, em seguida, pelo fator de ponderação F, que depende da concentração de carbono, distorcendo assim o CE ligeiramente para cima, mas pelo menos na direção conservadora. A Tabela 3 mostra os resultados do CE para os aços testados usando a formulação AWS , a formulação canadense com boro definida para 10 ppm (0.00010%) e a formulação canadense com B definida para nosso valor LOD de 80 ppm (0.008%). Analisamos milhares de testes OES para aços para dutos no Canadá e ainda não encontramos um resultado de boro superior a 10 ppm. Portanto, os resultados para os valores CE canadenses usando 10 ppm e 80 ppm constituem uma boa comparação. Conforme mostrado na Tabela 3, o impacto no CE é mínimo. Usar 80 ppm para boro aumenta o valor CE normalmente em cerca de 0.03 para uma variedade de aços carbono – enfatizando que isso está na direção conservadora de superestimar a facilidade de soldabilidade. Nossa recomendação é, portanto, tomar decisões de soldabilidade com base em nosso valor CE, a menos que o CE esteja dentro de 0.03 de um nível limite de soldabilidade como aqueles mostrados na Tabela 2.

Resumo

O SciAps Z demonstrou a capacidade de medir equivalentes de carbono, bem como o teor de carbono em aços de baixa liga e aços carbono. Os Z-200 C e C+ são os únicos analisadores portáteis do mundo capazes de medir o conteúdo de carbono. O método de análise de carbono, que geralmente calcula a média de 2 a 3 testes mais uma pré-queima, aplica a mesma média aos outros elementos de liga e produz a precisão necessária para produzir um valor CE significativo. A soldabilidade pode ser determinada pela medição LIBS com base em critérios publicados. A soldabilidade funciona de forma aceitável tanto para as formulações IIW (Dearden e O'Neill) quanto para as formulações AWS de CE, e é fornecido um método para utilizar a convenção canadense com boro incluído.[x_line style="margin-bottom: 70px;margin -topo: 70px;cor da borda superior: hsl(0, 0%, 95%);largura da borda superior: 2px;"]

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