Kiểm soát chất lượng (Quality Assurance) trong phân tích hàm lượng C/S với máy HORIBA EMIA
Giới thiệu về sản xuất thép
Với sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp, thép tiếp tục được sử dụng như một loại vật liệu thiết yếu nhờ vào những đặc tính tốt của nó. Thép có độ cứng cao, khả năng chống ăn mòn và mài mòn tốt, và điều này kết hợp với chi phí nguyên vật liệu tương đối thấp đã làm cho thép trở thành một lựa chọn phổ biến trong nhiều ứng dụng công nghiệp.
Thành phần chủ yếu của thép là sắt và carbon, tuy nhiên, lượng carbon cùng với mức độ tạp chất và thành phần hợp kim khác là những yếu tố quyết định tính chất của từng loại thép. Lượng carbon có thể có trong thép dao động từ 0,1-1,5%, tuy nhiên, các loại thép phổ biến nhất thường chỉ chứa từ 0,1-0,25% carbon. Carbon là một trong những nguyên tố quan trọng nhất trong thép, có tác động quyết định đến tính dẻo, độ bền và khả năng hàn của hợp kim thép. Các nguyên tố như mangan, photpho và lưu huỳnh có mặt trong tất cả các loại thép, tuy nhiên, mangan mang lại hiệu ứng tích cực, trong khi photpho và lưu huỳnh lại ảnh hưởng tiêu cực đến độ bền và tính chất của thép.
Các loại thép khác nhau được sản xuất tùy theo yêu cầu ứng dụng của chúng và các hệ thống phân loại khác nhau được sử dụng để phân biệt các loại thép dựa trên các tính chất này.
Phân loại thép theo thành phần hóa học
Thép có thể được phân thành bốn nhóm chính dựa trên thành phần hóa học của chúng:
- Thép carbon
- Thép hợp kim
- Thép không gỉ
- Thép công cụ (Tool Steels)
Trong đó, thép carbon được chia làm 3 loại chính với các nồng độ carbon khác nhau
- Thép carbon thấp (Low-carbon steel) chứa từ 0,05 đến 0,3% carbon.
- Thép carbon vừa (Medium-carbon steel) chứa từ 0,3 đến 0,6% carbon.
- Thép carbon cao (High-carbon steel) chứa từ 0,6 đến 1,4% carbon.
Quá trình sản xuất thép và vai trò của kiểm soát chất lượng
Thép là một vật liệu quan trọng cho sản xuất công nghiệp. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực, bao gồm xây dựng cơ sở hạ tầng, phương tiện giao thông, tàu thủy, container, trang thiết bị y tế và ô tô. Trong ngành công nghiệp thép, kiểm soát chất lượng sản phẩm là cực kỳ quan trọng.
Mỗi dây chuyền sản xuất thép trong nhà máy đều hoạt động liên tục. Hơn nữa, công suất sản xuất của từng dây chuyền tương đối lớn, điều đó có nghĩa khi xảy ra sự cố chất lượng thì toàn bộ lô sản phẩm sẽ bị ảnh hưởng. Tình huống này sẽ dẫn đến thiệt hại kinh tế đáng kể. Do đó, các công ty trong ngành công nghiệp thép luôn nỗ lực giảm thiểu rủi ro này thông qua các biện pháp kiểm soát chất lượng hiệu quả. Quy trình sản xuất thép rất phức tạp, toàn bộ quá trình bao gồm năm giai đoạn chính gồm xử lý quặng sắt, sản xuất thép nguyên liệu, cuộn nóng, cuộn lạnh và xử lý nhiệt.
Đánh giá chất lượng thép bằng máy phân tích C/S thường được thực hiện ở giai đoạn sản xuất thép nguyên liệu hoặc cuộn nóng. Trong giai đoạn sản xuất thép nguyên liệu, máy phân tích C/S được sử dụng để kiểm tra hàm lượng carbon và lưu huỳnh trong thép. Việc kiểm tra này giúp đảm bảo chất lượng của thép nguyên liệu trước khi tiếp tục giai đoạn sản xuất cuộn nóng. Trong giai đoạn cuộn nóng, máy phân tích C/S được sử dụng để đánh giá chất lượng của thép cuộn nóng. Việc kiểm tra này giúp đảm bảo rằng các thông số chất lượng của thép như hàm lượng carbon và lưu huỳnh đạt được các tiêu chuẩn cần thiết.
Đánh giá chất lượng thép bằng máy phân tích hàm lượng C/S là vô cùng cần thiết trong quá trình trong quá trình sản xuất thép để đảm bảo chất lượng thép phù hợp với yêu cầu, tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế như ISO, JIS, ASTM, ASME, EN.
Để đảm bảo độ chính xác của phép phân tích C/S trong thép, việc thiết lập các tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng cho quá trình đánh giá chất lượng thép là điều cần thiết. Nhờ đó mà độ chính xác của phép đo được đảm bảo, đồng thời còn nâng cao tuổi thọ thiết bị phân tích.
Phương pháp kiểm soát chất lượng trong quá trình sản xuất thép
Hệ thống các tiêu chuẩn và hướng dẫn cho quy trình phân tích và bảo trì hệ thống/ máy phân tích
Hệ thống được chia thành các mục sau đây.
- Giai đoạn sản xuất và vị trí phân tích: Tiêu chuẩn về vị trí và thời điểm phân tích ở giai đoạn sản xuất theo từng sản phẩm.
- Hướng dẫn lấy mẫu và phân tích: Tiêu chuẩn về các nguyên tố cần phân tích, độ chính xác của phân tích và loại mẫu yêu cầu.
- Phương pháp lấy mẫu: Tiêu chuẩn về cách thức lấy mẫu.
- Sắp xếp lấy mẫu: Tiêu chuẩn về cách xử lý và bảo quản mẫu.
- Lựa chọn phương pháp phân tích: Tiêu chuẩn để lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên các lượng dự kiến của các nguyên tố phân tích, độ chính xác cần thiết của phân tích và thời gian cần thiết của phân tích.
- Phương pháp phân tích: Tiêu chuẩn cho toàn bộ quy trình phân tích.
- Bảo trì hoạt động bộ phân tích: Tiêu chuẩn về các phương pháp vận hành, bảo trì và cải tiến của bộ phân tích để giữ cho nó hoạt động tốt.
- Bảo trì độ chính xác của bộ phân tích: Tiêu chuẩn về các phương pháp bảo trì và cải tiến của bộ phân tích để nó có thể duy trì độ chính xác của phân tích.
- Tiêu chuẩn phân tích: Tiêu chuẩn cho các kết quả phân tích thu được từ các mẫu không biết trước theo các tiêu chuẩn trên.
- Báo cáo kết quả phân tích: Tiêu chuẩn cho các phương tiện và thiết bị kết nối của kết quả phân tích.
- Những mục khác: Kiểm soát các vật liệu phân tích, đào tạo và ủy quyền cho các kỹ sư phân tích, các biện pháp phòng ngừa lỗi, kiểm soát chất lượng và hồ sơ, và nhiều hơn nữa.
Phân tích carbon trong thép
Lựa chọn phương pháp phân tích
Bảng 1: Lựa chọn phương pháp
| Gang | Thép carbon | Thép hợp kim | Thép không gỉ | ||
| 1 | Phương pháp khí dung tích (Gas capacity method) | x | x | x | x |
| 2 | Phương pháp đốt cháy và hấp thụ hồng ngoại (Combustion and infrared absorption method) | x | x | x | x |
| 3 | Phương pháp sưởi tần số cao và hấp thụ hồng ngoại (High frequency heating and infrared absorption method) | x | x | x | x |
| 4 | Phương pháp tổng lượng carbon (Carbon trace quantitative method) | x | x | x | o |
Mỗi phương pháp phân tích hàm lượng carbon trong các vật liệu có những ưu nhược điểm khác nhau:
- Phương pháp khí dung tích: trong phương pháp này, mẫu được đốt cháy trong lò đốt để chuyển carbon thành carbon dioxide. Sau đó, carbon dioxide được đưa đi đến một bình đo thể tích. Sau đó, lượng carbon trong mẫu ban đầu được tính dựa trên sản phẩm tạo thành.
- Phương pháp đốt cháy và hấp thụ hồng ngoại: Phương pháp hấp thụ tia hồng ngoại sau khi đốt cháy trong khí oxy được sử dụng để xác định hàm lượng carbon trong mẫu kim loại. Carbon trong mẫu kim loại được chuyển đổi thành carbon dioxide bằng cách đốt cháy trong khí oxy. Cuối cùng, nồng độ carbon dioxide được chuyển đổi được đo bằng phương pháp hấp thụ tia hồng ngoại. Phương pháp này cung cấp kết quả nhạy và nhanh chóng, có độ phổ biến cao nhưng quy trình đo phức tạp.
- Phương pháp cấp nhiệt tần số cao và hấp thụ hồng ngoại: mẫu được gia nhiệt bằng cách sử dụng cảm ứng tần số cao. Các loại carbon trong mẫu được chuyển đổi thành carbon dioxide, sau đó được đo bằng cách hấp thụ tia hồng ngoại. Phương pháp này nhanh và nhạy, đã được áp dụng để phân tích sắt thép.
Bảo trì vận hành máy phân tích và bảo trì độ chính xác của máy phân tích hàm lượng C/S
Tạo đường cong hiệu chuẩn (Mỗi năm một lần)
Bảng 2: Mẫu chuẩn cho đường chuẩn
| Tên mẫu chuẩn | Giá trị tiêu chuẩn (%) |
| JSS 152 | 0.186 |
| JSS 514 | 0.098 |
| JSS 512 | 0.090 |
| JSS 168 | 0.053 |
| JSS 169 | 0.047 |
| JSS 155 | 0.041 |
| JSS 174 | 0.031 |
| JSS 003 | 0.0011 |
- Phân tích: Phân tích mỗi mẫu hai lần liên tiếp để thu được giá trị trung bình.
- Tính toán đường chuẩn: Thu được mối quan hệ giữa giá trị phân tích và giá trị chuẩn từ công thức hồi quy tuyến tính.
- Kiểm tra: Độ dốc (a) phải nằm trong khoảng từ 1,5.
Kiểm tra hiệu suất (Mỗi năm một lần)
Bảng 3: Tiêu chuẩn kiểm tra hiệu năng
| Tên mẫu chuẩn | Giá trị tiêu chuẩn (%) |
| WS 205 | 0.0027 |
| JSS 155 | 0.041 |
- Phân tích: Phân tích mỗi mẫu 10 lần liên tiếp và lấy độ phân tán dưới dạng độ lệch chuẩn.
- Tiêu chuẩn: Độ lệch chuẩn được lấy từ mỗi mẫu phân tích 10 lần phải nằm trong giá trị tương ứng trong Bảng 3.
Bảng 4: Độ lệch chuẩn tham chiếu
| Tên mẫu chuẩn | Giá trị tiêu chuẩn (%) |
| WS 205 | 0.0002 |
| JSS 155 | 0.0010 |
Kiểm tra định kỳ (Mỗi tháng một lần)
Bảng 5: Hạng mục kiểm tra
| Kiểm tra hàng | Điểm quan trọng |
| Vệ sinh dây chuyền chiết xuất | Sử dụng bàn chải hoặc máy hút bụi |
| Vệ sinh dây chuyền xử lý bụi | Sử dụng bàn chải hoặc máy hút bụi |
| Moving board và pot board | Kiểm tra xem không có vết nứt hoặc sứt mẻ nào |
| Thay ống đốt Vệ sinh nội thất | Sử dụng máy hút bụi |
| Kiểm tra mặt đất | Kiểm tra xem dây nối đất có được kết nối chắc chắn không. |
Kiểm tra hàng ngày (Mỗi ngày một lần)
| Kiểm tra hàng | Điểm quan trọng |
| Làm sạch bụi | Trong vòng 100 lần đo/ phân tích |
| Thay thế bộ lọc hình trụ | Trong vòng 300 lần đo |
| Thay thế Magnesium perchlorate Mg(ClO₄) trong mẫu | Trong vòng 300 lần đo |
| Thay thế Ascarite trong bộ phận khí mang (zero gases) | Trong vòng 600 lần đo |
| Áp suất khí vận hành | 3,5 kg/cm2 |
| Áp suất oxy | 3,0 kg/cm2 |
Tiêu chuẩn phân tích (Standard for analysis check) (Một lần một ca)
Mẫu chuẩn
| Tên mẫu chuẩn | Giá trị tiêu chuẩn (%) |
| WS 205 | 0.0027 |
| JSS 155 | 0.041 |
- Phân tích: Thực hiện phân tích mẫu hai lần liên tiếp để có giá trị trung bình và dispersion range (dữ liệu phân tán)
- Tiêu chí: Giá trị trung bình phải nằm trong khoảng giới hạn cho phép tương ứng trong Bảng 7.
Bảng 8: Dung sai
| Tên mẫu chuẩn | Giá trị tiêu chuẩn (%) |
| WS 205 | 0.0027 ± 0.0002 |
| JSS 155 | 0.041 ± 0.001 |
Tiêu chuẩn: Phạm vi phân tán phải nằm trong phạm vi phân tán cho phép tương ứng trong Bảng 8.
Bảng 9: Phạm vi phân tán
| Tên mẫu chuẩn | Giá trị tiêu chuẩn (%) |
| WS 205 | 0.0002 |
| JSS 155 | 0.001 |
Hiệu chuẩn (Bất cứ khi nào cần thiết)
| Tên mẫu chuẩn | Giá trị tiêu chuẩn (%) |
| JSS 003 | 0.0011 |
| JSS 512 | 0.090 |
- Phân tích: Phân tích mỗi mẫu hai lần và lấy giá trị trung bình để hiệu chuẩn.
- Kiểm tra: Độ dốc – sensitivity slope (a) phải nằm trong phạm vi 1,5.
Các thiết bị HORIBA EMIA-PRO và EMIA-EXPERT là dòng máy phân tích carbon/lưu huỳnh (C/S) hiện đại với độ chính xác cao, được sử dụng để phân tích hàm lượng carbon/ lưu huỳnh trong các loại vật liệu một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Được trang bị khả năng xử lý mẫu nhanh chóng, độ nhạy cao và phạm vi đo rộng, EMIA-PRO và EMIA-EXPERT là những công cụ cần thiết cho các ứng dụng phân tích carbon và lưu huỳnh trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là kiểm soát chất lượng thép.
Nguồn tham khảo
- Quality Assurance for the Analysis of Steel (horiba.com)
- Different Steel Types and Properties (thoughtco.com)
- Ensemble Machine Learning Systems for the Estimation of Steel Quality Control
- Determination of Trace Amounts of Carbon in High-Purity Iron by Infrared Absorption after Combustion: Pretreatment of Reaction Accelerator and Ceramic Crucible
Tìm hiểu thêm các bài viết về HORIBA EMIA tại đây:
- Phân tích cacbon/ lưu huỳnh (C/S) với EMIA>>>
- Ưu – nhược điểm của máy phân tích nguyên tố C/S >>>
- Phân loại gang, thép trong sản xuất>>>
- Hướng dẫn chuẩn bị mẫu phân tích gang thép >>>
- Quy trình kiểm soát chất lượng gang/thép (QA) với EMIA>>>