강철, 슬래그, 원료의 정밀 기기 분석

기기 분석은 원료, 선철(용선), 강철, 슬래그, 내화물, 슬러지 시료의 원소에 대한 정성 및 정량 분석에 널리 사용됩니다. 습식 분석과 비교할 때 기기 분석의 장점은 비용 효율적이고 다원소 분석이 가능하며 매우 빠르다는 것입니다. 습식 화학 분석에서 간섭 원소로 인한 우려가 해소됩니다. 습식 화학 방법을 사용할 때 특정 원소 분석을 위해 몇 시간을 기다려야 하는 필요성이 기기 분석에서는 없습니다.

또한 기기 분석은 다수의 원소나 화합물에 대해 비교적 균일한 검출 한계를 제공하며, 100%부터 수 ppm(parts per million)까지 넓은 농도 범위에 적용 가능합니다. 기기적 방법은 사람의 개입이 적어 인적 오류의 여지가 적고 재현성이 높습니다. 이들은 견고하고 신뢰할 수 있으며 정확한데, 정확도는 보정에 사용된 표준물질과 보정 방법에 달려 있습니다.

강철, 슬래그, 원료 분석의 중요성

강철, 슬래그, 원료의 분석은 제강 공정 중 공정 제어 목적뿐만 아니라 다양한 목적으로 분석해야 하는 수많은 시료를 위해서도 중요하고 필수적입니다. 분석에서 얻은 정보는 원료, 중간 제품, 최종 제품의 검사, 환경 평가, 공정 제어, 파손 분석, 제품 품질 관리, 연구 개발 등 다양한 용도로 유용합니다.

역사

분광기가 다른 분야에서 꽤 오랫동안 사용되어 왔지만, 제철 주조 공정 제어에 성공적으로 사용된 최초의 기기는 1935년 한 주조 공장에 설치되었습니다. 1943년 팀켄 연구소에 베어드 분광기가 설치되어 용강 시험 분석에 사용되었습니다. 이 기기는 독수리 마운트에 장착된 3미터 초점 거리의 우드 격자(인치당 15,000줄)를 갖추고 있었습니다. 분광 분석용 시료는 직경 5.5mm 봉 형태로 주조되는데, 용융 금속을 금형에 붓거나 유리관으로 빨아들여 만듭니다. 주조 핀은 공기압 튜브 수송 시스템으로 실험실로 보내지며, 여기서 140도 포함 각도로 조심스럽게 연마되어 전극 홀더에 장착됩니다. 고전압 아크 또는 스파크 소스에서 전력을 가하고 방출된 빛의 스펙트럼 선을 이스트만 스펙트럼 분석 1번 판에 촬영합니다. 판을 현상, 세척, 건조하고 암실에서 실온으로 냉각합니다. 필요한 원소의 선 밀도를 농도계로 읽고 백분율로 계산한 후, 텔오토그래프로 노 조작자에게 보고합니다.

기기 분석의 추가 발전은 직독 분광기였습니다. 이 기기에서는 사진 촬영 단계가 완전히 민감한 전자 증배관으로 대체되었는데, 이는 다양한 파장에서 방출된 빛을 포착하여 시료를 전극 홀더에 놓은 후 35초 이내에 보정된 시계 다이얼에 백분율로 표시합니다. 광전관의 사용으로 판이나 필름, 암실 현상 및 처리, 농도계 판독, 계산판과 관련된 모든 오류가 제거되었습니다. 최초의 직독 분광기는 1947년 5월 팀켄 제어 실험실에 설치되었으며, 철강 산업에서 사용된 이 유형의 최초의 기기였습니다.

기기 분석에 추가 발전이 있었고, 현재 사용되는 다양한 유형의 기기 분석은 아래에 설명되어 있습니다.

스파크 원자 방출 분광법 (AES)

원자 방출 분광법은 특정 파장에서 스파크로부터 방출된 빛의 강도를 이용해 시료 내 원소의 양을 결정하는 화학 분석 방법입니다. 원자 스펙트럼 선의 파장은 원소의 정체를 나타내며, 방출된 빛의 강도는 해당 원소의 원자 수에 비례합니다.

스파크 원자 방출 분광법은 고체 시료의 금속 원소 분석에 사용됩니다. 비전도성 물질의 경우 흑연 분말과 함께 갈아서 전도성을 만듭니다. 전통적인 아크 분광법에서는 고체 시료를 일반적으로 갈아서 분석 중에 파괴합니다. 시료를 통해 전기 아크나 스파크를 통과시켜 고온으로 가열하여 내부의 원자를 들뜨게 합니다. 들뜬 원소는 특성 파장에서 빛을 방출하며, 이는 단색기로 분산되어 검출됩니다. 제어 방전을 이용한 스파크 소스는 정량 분석용입니다. 스파크 원자 방출 분광법에 의한 정성 및 정량 스파크 분석은 제철소의 품질 관리 목적으로 널리 사용됩니다.

AES는 최대 64개 원소를 20초 이내에 동시에 분석할 수 있습니다. 이 기술의 한계는 강철 내 가스(산소, 질소, 수소)를 분석할 수 없다는 것입니다. 일부 최신 기기는 질소 분석을 제공하지만, 재현성과 검출 한계는 제강업체의 기대에 미치지 못합니다.

X선 형광 (XRF) 분광법

이 분광기는 금속과 비금속 시료 모두 분석할 수 있어 금속, 슬래그, 원료, 내화물 시료 분석에 광범위하게 사용됩니다. 원리는 다음과 같습니다(그림 1 참조).

시료를 X선관의 X선으로 조사하면 시료 내 원자가 고유한 X선을 생성하여 방출합니다. 이러한 X선을 '형광 X선'이라 하며, 각 원소마다 고유한 파장과 에너지를 가집니다. 따라서 형광 X선의 파장을 조사하여 정성 분석을 수행할 수 있습니다. 형광 X선 강도는 농도의 함수이므로, 각 원소에 특정한 파장에서 X선 양을 측정하여 정량 분석도 가능합니다.

그림 1 XRF 분광법의 원리

X선관의 X선이 시료에 입사하여 A 원자의 내각 전자 중 하나와 상호작용합니다. 이 전자를 궤도에서 몰아냅니다. 이로 인해 생긴 빈자리는 외각 전자가 즉시 채웁니다. 이 전자는 대체하는 전자보다 높은 에너지를 가집니다. 초과 에너지는 A 원자에 특정한 파장의 X선 형태로 방출됩니다. XRF 분광기는 주로 두 종류입니다.

에너지 분산형 X선 형광(EDXRF) 분광기는 검출기를 사용하여 전체 스펙트럼을 에너지 분산 척도로 직접 처리합니다. EDRF 분광기는 저온(-90°C)에서 냉각된 실리콘 리튬(SiLi) 드리프트 결정을 사용하는 첨단 검출기를 포함합니다. 이 결정은 서로 다른 에너지의 X선 광자를 구별할 수 있습니다(에너지 분산). 검출기는 시료에서 방출된 모든 광자를 포착하며, 총 검출 계수율은 초당 약 50킬로카운트이며 종종 포화 상태입니다. 특정 필터를 사용하여 스펙트럼의 일부(예: 주성분 원소)를 필터링합니다. 2차 타겟은 보통 주기율표의 일부 원소만 더 잘 들뜨게 하는 데 사용됩니다.

검출기의 SiLi 결정이 입사 X선 광자를 흡수하여 원자를 이온화하고 전자(-)와 정공(+) 쌍을 생성합니다. 전자/정공 쌍의 양은 X선 광자의 에너지에 비례합니다. 검출기 출력 펄스는 증폭, 디지털화되어 크기에 따라 분류됩니다. 검출기를 영하 90°C로 냉각하는 것이 필요합니다.

파장 분산형 X선 형광(WDXRF) 분광기는 적절한 결정을 사용하여 방출 스펙트럼을 검출하기 전에 이산 파장으로 분리합니다. 미세 X선 형광은 매우 작은 스팟 크기를 분석하도록 설계된 기기에서 이름이 유래했습니다. 전반사 X선 형광(TRXRF)에서는 여기 빔이 기판에 의해 완전히 반사되어 표면의 입자만 들뜨게 하여 X선 형광 방출을 일으킵니다. 이렇게 하면 XRF 측정과 관련된 배경이 크게 줄어들어 감도가 높아지고 검출 한계가 낮아집니다.

유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광법 (ICP/AES)

유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광법은 미량 원소 검출에 사용되는 분석 기술입니다. 유도 결합 플라즈마를 이용해 들뜬 원자와 이온을 생성하여 특정 원소의 특성 파장에서 전자기파를 방출시킵니다. 이 방출 강도는 시료 내 원소 농도를 나타냅니다.

ICP-AES는 두 부분으로 구성됩니다: (i) ICP, (ii) 광학 분광기. ICP 토치는 3개의 동심 석영 유리관으로 구성됩니다. 무선 주파수(RF) 발생기의 출력이 이 석영 토치의 일부를 둘러쌉니다. 일반적으로 아르곤(Ar) 가스를 사용하여 플라즈마를 생성합니다.

RF로 생성되고 유지되는 Ar 플라즈마는 최대 10,000K까지 뜨거우며 전자를 들뜨게 합니다. 플라즈마는 시료 내 원소를 원자화하고 이온화하는 데 사용됩니다. 전자가 플라즈마 내 특정 공간 위치에서 바닥 상태로 돌아가면 시료의 원소 구성에 특정한 파장에서 에너지를 방출합니다. 플라즈마에서 방출된 빛은 렌즈를 통해 초점이 맞춰지고 입구 슬릿을 통해 분광기로 들어갑니다. ICP-AES 분석에 사용되는 분광기는 두 유형입니다: (i) 순차형(단색기), (ii) 동시형(다색기).

유도 결합 플라즈마 질량 분석법(ICP-MS)은 미량(ppb, 10억 분의 1 ~ ppm) 및 초미량(ppq, 1000조 분의 1 ~ ppb) 원소 분석에 매우 강력한 도구입니다.

원자 흡수 분광법 (AAS)

원자 흡수 분광법(AAS)은 원소 농도를 측정하는 분석 기술입니다. AAS는 일반적으로 용액 내 62가지 이상의 금속 농도를 분석하는 데 사용되며, 시료 중 1g당 10억 분의 1 수준까지 측정할 만큼 민감합니다. 이 기술은 원소가 특이하게 흡수하는 빛의 파장을 이용합니다. 이는 전자를 한 에너지 준위에서 더 높은 에너지 준위로 올리는 데 필요한 에너지에 해당합니다.

원자 흡수 분광광도계는 광원, 시료실, 검출기로 구성됩니다. 이 방법에서 광원에서 나온 빛을 시료를 통과시켜 검출기로 보냅니다. 광원은 측정하려는 원소로 구성된 음극 램프입니다. 각 원소마다 다른 램프가 필요합니다.

이 기술은 흡수 분광법을 이용해 시료 내 분석 대상 물질의 농도를 평가합니다. 측정된 흡광도와 분석 물질 농도 간의 관계를 설정하기 위해 알려진 분석 물질 함량을 가진 표준물질이 필요하며, 따라서 아래 설명된 비어-람베르트 법칙에 의존합니다.

A = eBC

여기서 A는 흡광도[단위 없음, A = log10 (Io / I1)], e는 몰 흡광 계수(L mol¯¹ cm¯¹ 단위), B는 시료의 광학 경로 길이(센티미터), C는 용액 내 화합물 농도(mol L¯¹)입니다.

도표(그림 2)는 복사력 I0인 단색 복사 빔이 시료 용액을 향하는 것을 보여줍니다. 흡수가 일어나고 시료를 떠나는 복사 빔의 복사력은 I1입니다.

그림 2 단색 복사를 보여주는 도표

요약하면, 원자화기 내 원자의 전자는 정해진 양의 에너지(주어진 파장의 복사)를 흡수하여 짧은 시간(나노초) 동안 높은 궤도(들뜬 상태)로 올라갈 수 있습니다. 이 에너지 양, 즉 파장은 특정 원소의 특정 전자 전이에 고유합니다. 일반적으로 각 파장은 하나의 원소에만 해당하며, 흡수선의 폭은 몇 피코미터(pm, 10¯¹² m) 정도에 불과해 이 기술에 원소 선택성을 부여합니다. 시료 없이와 시료가 있을 때의 복사 플럭스를 검출기로 측정하고, 두 값의 비율(흡광도)을 비어-람베르트 법칙을 사용하여 분석 물질 농도나 질량으로 변환합니다.