Μέθοδος ταχέως προσδιορισμού κύριων συστατικών μεταλλουργικών σκωρίων (FeO, CaO, MgO, SiO2)

Abstract

To investigate the ability of LIBS technique considering the rapid qualitative and quantitative analysis of metallurgic slag was the main objective of the particular thesis. Firstly, the LIBS technique applied on pure metals and then on samples containing the same metals in CaO matrix and the time-resolved characteristics of the plasmas produced by nsec and psec pulses were studied. Both the plasma temperature and electron density are decaying similarly and the space-averaged values determined in the nanosecond case are slightly higher than for the picosecond one. Moreover, the calibration curves obtained, show that the inherent sensitivity of the technique remains almost unaltered independently of the pulse duration. The detection limits were found to be few ppm. Then, the potentiality of LIBS method for quantitative on-line, multi-element slag analysis on plant scale was examined. Further, in order to examine more closely the produced slag, slag samples were analysed in the laboratory. The measurements were performed on solidified slag samples in a pelletized form and on as delivered solidified slag samples. The limits of the accuracy of this technique depend mainly on the laser spot/phase size ratio, the level of surface abnormalities and the distribution of each element in the matrix. The non-homogeneity level of the slag product seems to be not important in LIBS analysis, when the above ratio is quite large. It is of great importance whether the element is embedded in the matrix or in a specific crystallized phase. The influence of surface abnormalities is reduced in the case of pressed slag, but primarily for the elements distributed in the matrix, fragmentation of the slag should be avoided. The accuracy of LIBS quantitative slag analysis is strongly dependent on the standard samples that are used Regarding the liquid slag analysis, the calibration curves presented satisfactory linear dependence between the intensity of analytic lines with the corresponding concentrations while the intensity values of liquid slag appeared to be relatively increased with regard to the intensity values of solid slag under the same experimental conditions. Widening phenomena were characterized the lines of certain elements in liquid slag. For concentrations >4-5% an increased slope in calibration curves of liquid slag was observed. Finally, it was observed that each element behaves in a different way from sample in sample but also from phase in phase.

Ο βασικός στόχος της συγκεκριμένης διατριβής ήταν να εξεταστεί η δυνατότητα της τεχνικής LIBS όσον σφορά την ταχεία ποιοτική και ποσοτική ανάλυση της μεταλλουργικής σκωρίας (σε στερεή και υγρή μορφή) σε εργαστηριακή και βιομηχανική κλίμακα. Η τεχνική εφαρμόστηκε αρχικά σε καθαρά μέταλλα και έπειτα σε πρότυπα δείγματα τα οποία περιείχαν τα αντίστοιχα στοιχεία σε μήτρα CaO. Μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά του πλάσματος που παράγεται από παλμούς διάρκειας των τάξεων nsec και psec. Η θερμοκρασία πλάσματος και η ηλεκτρονική πυκνότητα μειώνονται παρόμοια ενώ υπολογίστηκαν ελαφρώς υψηλότερες τιμές στην περίπτωση του ns λέιζερ. Οι καμπύλες βαθμονόμησης έδειξαν πως η ευαισθησία της μεθόδου παραμένει σχεδόν η ίδια ανεξαρτήτως της διάρκειας παλμού. Τα όρια ανίχνευσης κυμάνθηκαν στην τάξη μερικών μερών του εκατομμυρίου (ppm). Στη συνέχεια μελετήθηκαν οι δυνατότητες της τεχνικής για on-line ανάλυση της σκωρίας. Ο δυνατότητες της τεχνικής εξαρτώνται κυρίως από τον λόγο (κρατήρας λέιζερ, ΚΛ)/(μέγεθος σχηματιζόμενης φάσης, ΜΣΦ), οι επιφανειακές ανωμαλίες στην στερεοποιημένη σκωρία καθώς και από την κατανομή του κάθε στοιχείου στην μήτρα. Διαπιστώθηκε πως ο βαθμός ανομοιογένειας της σκωρίας δεν επιδρά σημαντικά στην ακρίβεια της μεθόδου όταν ο λόγος ΚΛ/ΜΣΦ είναι μεγάλος. Σημαντική παράμετρος αποτελεί το γεγονός εάν τα στοιχεία βρίσκονται κατανεμημένα στην μήτρα της σκωρίας ή σε κάποια κρυσταλλική φάση. Η επίδραση των επιφανειακών ανωμαλιών στην ακρίβεια της μεθόδου μειώθηκε με την θραύση και πελλετοποίηση της σκωρίας αλλά, κυρίως για τα στοιχεία τα οποία βρίσκονται κατανεμημένα στην μήτρα της σκωρίας, προτείνεται η αποφυγή της πελλετοποίησης για ανάλυση με χρήση της μεθόδου LIBS. Η ακρίβεια της τεχνικής εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα πρότυπα δείγματα που θα χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή των καμπύλων βαθμονόμησης. Οι καμπύλες βαθμονόμησης της υγρής σκωρίας εμφάνισαν ικανοποιητική γραμμική εξάρτηση μεταξύ της έντασης των γραμμών εκπομπής των στοιχείων με τις αντίστοιχες συγκεντρώσεις ενώ παρατηρήθηκε μικρή αύξηση όσον αφορά τις τιμές των εντάσεων της υγρής σκωρίας σε σχέση με αυτές της στερεάς σκωρίας κάτω από τις ίδιες πειραματικές συνθήκες. Επίσης παρατηρήθηκε μεγαλύτερη διαπλάτυνση στις γραμμές κάποιων στοιχείων στην υγρή σκωρία. Για συγκεντρώσεις >4-5% παρατηρήθηκε επίσης αύξηση στην κλίση των καμπύλων για την περίπτωση της υγρής σκωρίας. Τέλος, κάθε στοιχείο συμπεριφέρεται διαφορετικά σε σχέση με τα υπόλοιπα, από δείγμα σε δείγμα αλλά και από φάση σε φάση.