Материал: 1. Цели и задачи пробоотбора. Представительность пробы. Факторы, учитывающиеся при пробоотборе. Виды проб

Генеральная проба и ее разделка.

Из отобранных в необходимом количестве точечных проб составляют путем их усреднения генеральную пробу, характеризующую данную партию. По содержанию компонентов и по распределению частиц по степени дисперсности генеральная проба должна соответствовать всей анализируемой партии материала. В идеальном случае она должна быть как бы «отражением» массы анализируемого материала в миниатюре (представительность!). Количественно генеральная средняя проба должна быть тем большей, чем крупнее куски исследуемого материала, чем менее однороден его состав и чем выше содержание определяемого компонента при неравномерном его распределении. Масса генеральной пробы может быть очень большой. Для предварительного расчета массы генеральной пробы предложены формулы, полученные разными исследователями путем обобщения экспериментальных данных и опыта работы различных предприятий. В этих формулах учтены число наиболее крупных частиц (кусков), их диаметр, плотность частиц наиболее богатого минерала, содержание в нем этого компонента, допустимая погрешность опробования, равная погрешности химического анализа. 

Формула Ричардса-Чечотта: Q=k∗d2

 Формула Демонда-Хальфедраля: Q=k∗da

Формула Пожарицкого: lgQ=lgk+a∗lgd

Для каждого типа объектов опробования k, d и a определяют экспериментально. Часто пользуются таблицами, которые основаны на аналогичных формулах, причем предельная масса генеральной пробы зависит от крупности кусков (зерен), неоднородности химического состава исследуемого материала и ценности (или вредности) определяемого компонента.

Из-за весьма большой массы генеральной пробы и ее механических и физических свойств (крупность частиц, их влажность, неравномерность содержания полезных или вредных компонентов и др.) непосредственное определение того или иного параметра невозможно без предварительной подготовки пробы. Поэтому генеральную пробу независимо от ее массы и назначения подвергают операциям разделки, т. е. операциям подготовки ее к анализу. Задача разделки — измельчить и сократить пробу до определенной массы и гранулометрического состава и в то же время сохранить в конечной пробе содержание всех контролируемых компонентов, равное содержанию их как в генеральной пробе, так и во всей партии анализируемого материала. При подготовке проб к анализу необходимо провести по крайней мере четыре операции: 1) измельчение пробы; 2) перемешивание; 3) сокращение; 4) сушку. Эти операции проводят в несколько стадий (через ряд промежуточных проб), чередуя их в различном порядке в зависимости от характера пробы, вплоть до получения необходимого количества лабораторной пробы. При этом все рекомендации, касающиеся размера (массы) промежуточных проб, числа и массы точечных проб при пробоотборе относятся в равной мере к операции сокращения пробы.

Измельчение проб проводят дроблением с предварительным грохочением. Грохочение – это подготовительная операция, целью которой является разделение сыпучих материалов на классы (два и более) крупности, которые перерабатывают отдельно. Для грохочения проб применяют ручные и механические проволочные (стальные, медные, бронзовые, латунные, никелевые, резиновые, капроновые, капросталевые) сита и грохоты различных конструкций и размеров. В некоторых случаях (в отсутствие грохотов) используют механические встряхиватели, предназначенные для рассева проб при ситовых анализах. 

Для измельчения проб используют разнообразные инструменты и механизмы. Большие массы материала (десятки и сотни килограммов) с крупностью кусков > 25 мм измельчают дроблением, проводимым в несколько стадий в дробилках, шаровых или стерж­невых мельницах. Измельчать необходимо все куски без исключения; недопустимо отбрасывать трудноизмельчаемые куски. Дальнейшее измельчение проб до крупности 0,1 мм проводят в дисковых и других истирателях, а также в механизированных металлических или фарфоровых ступках. В ряде случаев, когда крупные куски пробы не проходят через приемные отверстия дробилок, используют ручное дробление на стальной плите с помощью молотков, кувалд или специальных болванок (массой 6-8 кг). Орудия для измельчения должны быть достаточно прочными, чтобы в пробу не попадали в результате истирания материалы, из которых изготовлены части этих орудий.

Дробление бывает сухим и мокрым (с использованием воды для уменьшения пылеобразования). Если же пробы очень влажные, то перед дроблением их подсушивают, иначе они забивают грохоты и дробилки. Для больших проб применяют сушку на воздухе, малые сушат на противнях в печах.

Измельченные до необходимых размеров частиц пробы пе­ремешивают для их усреднения и сокращают. Перемешивание проводят в механическом смесителе, представляющем наклонный вращающийся цилиндр, в верхнее отверстие которого загружается проба, а из нижнего непрерывно выходит равномерно перемешанная смесь.

Ручное перемешивание сыпучих материалов в зависимости от массы пробы осуществляют различными способами: перелопачивания, «кольца – конуса», перекатывания.

Способ перелопачивания является наиболее простым, но трудоемким методом перемешивания. Он применим при массе пробы в несколько сотен килограммов и крупности максимальных кусков до 100 мм. Этот способ заключается в том, что пробу несколько раз перебрасывают лопатой или совком из одной кучи в другую. При этом материал набирают произвольно из разных мест уменьшаемой кучи.

Перелопачивание проводят на ровной, без щелей, чистой бетонной, металлической или деревянной площадке.

Способ «кольца – конуса» является наиболее распространенным способом ручного перемешивания большого количества пробы. При перемешивании этим методом материал располагают на площадке в виде кольца диаметром примерно вдвое большим, чем диаметр первоначальной конической кучи сокращаемого материала. Затем один или несколько пробщиков равномерно забирают лопатой или совком материал по внешней или внутренней окружности кольца и перебрасывают его в центр кольца, формируя конус. Каждую порцию материала забрасывают на вершину конуса. Для того, чтобы конус не отходил от своей оси, устанавливают вертикальный стержень или используют направляющую воронку. По мере увеличения конуса крупные куски скатываются с вершины к его основанию, при этом процесс сегрегации (т.е. расслаивания материала по степени его дисперсности вследствие различной величины кусков и различной плотности) усиливается. После пересыпания всего материала конус разворачивают движением стержня или сплющивают сверху в диск широкой доской или лопатой, а затем преобразуют диск в кольцо, после чего операция насыпания конуса повторяется снова. Перемешивание по способу «кольца – конуса», в зависимости от неравномерности пробы, производят до трех раз.

Способ перекатывания применим только для проб массой до 20 – 25 кг при крупности кусков не более 10 мм. Пробу высыпают на квадратную подстилку из брезента, пленки или плотной бумаги. Затем поочередно приподнимают углы подстилки так, чтобы проба перекатилась из одного угла в противоположный и вернулась в исходное положение. Цикл операции повторяется не менее 25 раз по обеим диагоналям.

Перемешанный тем или иным способом материал подвергают сокращению одним из следующих методов или их сочетанием: сокращение точечных проб (метод не применяют для материалов склонных к сегрегации); желобчатого деления; квартования; механического деления.

Желобчатый делитель (рис. 2.10) представляет собой приемный бункер с четным количеством желобов и лотками. Ширина желобов делителя должна превышать в 1,5 раза наибольший размер зерен материала, но быть не менее 5 мм. При делении материала его высыпают в приемный бункер делителя. Распределяясь равномерно в правые и левые желоба, материал делится на две приблизительно равные части. Для дальнейшего сокращения половину материала снова пропускают через делитель и процесс деления повторяют до получения средней пробы требуемой массы. Таким образом с помощью делителя можно отобрать 1/4, 1/8, 1/16 долю всей пробы. Преимуществом применения делителей является возможность сокращения без предварительного перемешивания проб. С помощью желобчатого делителя сокращают пробы сыпучих материалов (песок, гравий, щебень).

 

3. Пробоотбор металлов, шлаков и технологических растворов.

Пробоотбор металлов и сплавов имеет некоторые особенности. Пробы жидкого (расплавленного) металла отбирают при разливе или же из уже разлитого металла после перемешивания и удаления шлака.

Проба жидкого чугуна (из доменной печи) берется с разливочной машины из каждого ковша по три образца при сливе 1/3, 1/2 и 3/4 объема ковша в середине каждой трети данного выпуска. Если разливочная машина не используется, пробы берутся специальной ложкой в середине каждой трети данного выпуска. Каждая из трех порций жидкого чугуна наливается в специальную чугунную изложницу, дающую правильно охлаждаемый воздухом образец (слиток).

Проба жидкого чугуна из миксера берется во время выпуска его в ковш, когда последний наполнен почти наполовину. Пробу жидкого чугуна из вагранки отбирают в середине выпуска при помощи ложки из-под струи металла, поступающего в спускной желоб. Обычно берется одна проба. Проба должна застывать спокойно, не допускается недолив, перелив, разбрызгивание металла, прерывание струи.

Пробы от жидкой стали и сплавов отбирают как из печи по ходу плавки, так и из-под ковша в процессе разливки готового металла, а также из уже разлитого в изложницы или дозирующие устройства металла после его перемешивания и удаления шлака. Условиями правильного отбора пробы жидкого металла по ходу плавки являются полное расслаивание металла, хорошее перемешивание ванны и определенное место и время взятия пробы. Перед отбором пробы металлическую ванну необходимо тщательно перемешать, так как распределение элементов в жидком металле неоднородно. Число отбираемых проб определяется технологией выплавки, химическим составом металла и тоннажом плавки. Для правильного установления химического состава металла нужно брать не менее двух проб (в начале и в конце разлива), так как в ковше также происходят реакции, в частности между металлом и шлаком, которые в той или иной степени изменяют содержание отдельных компонентов.

В зависимости от химического состава металла и его свойств пробу в количестве от 0,2 до 1,0 кг, отобранную по ходу плавки, заливают после удаления шлака в специальные чугунные формы (изложницы), где проба застывает в виде небольших слитков, либо изготовляют «скрапину». В первом случае от полученного в изложнице слитка после зачистки его поверхности на наждачном круге берется стружка, поступающая в лабораторию для анализа.

Для получения скрапины расплавленную сталь выливают на большую железную лопату; как только тонкий слой металла начинает затвердевать, лопату опускают в сосуд с холодной водой. Полученную пластинку (скрапину) отделяют от лопаты и высушивают (у печи). Выбирают тонкую (не толще 0,5 мм) и лишенную шлаковых загрязнений часть скрапины, которую разбивают и измельчают в ступке ударного действия, после чего просеивают через железную или медную сетку. Для анализа берут фракцию, остающуюся на сетке.

В обоих случаях (при заливе в изложницы или изготовлении скрапины) пробу жидкого металла отбирают с помощью, подогретой предварительно ошлакованной металлической (стальной) ложкой различной емкости либо ложкой из огнеупорного инертного материала (графита). Цель ошлакования ложки — изоляция отбираемой пробы жидкого металла от возможной окалины, покрывающей ложку, а также и от материала (металла) ложки, которые могут исказить химический состав отбираемой на анализ пробы металла. При этом ложку во избежание перелива заполняют на две трети объема. При отборе пробы необходимо обеспечить чистоту металлического стакана-изложницы, куда заливают пробу металла из ложки, и лопаты для получения на ее поверхности слоя «скрапины».

Благородные металлы и сплавы плавят в индукционных электрических печах, обеспечивающих хорошее перемешивание расплавленного металла. При большой партии выплавляемых благородных металлов пробы для повышения точности опробования отбирают в начале, середине и в конце плавки.

Отбор проб от шлаков и штейнов производят зачерпыванием небольшой порции от каждого их выпуска из печи. Опробование ведется из желоба, по которому движется шлак или штейн. Можно взять пробу, опуская железный лом в жидкий шлак или штейн и затем быстро его вынимая. Опробование конвертерного шлака производят в момент его слива из конвертора в ковш путем частого пересечения струи шлакаломиком. Проба пристает к лому в виде корки и по охлаждении легко отстает. Отставший материал измельчают и из него отбирают пробу.

Классический способ отбора пробы высокотемпературных жидких металлов в настоящее время интенсивно вытесняется автоматизированными способами, из которых наибольшее распространение получили зондовые. Используют зондовые пробоотборники трех типов: погружные, для отбора из струи, вакуумные. Погружной зонд предназначен для отбора проб из плавильных печей, конверторов, разливочных ковшей и т. д. Он представляет собой картонную трубу длиной от 425 до 1200 мм, в которой имеется блок, состоящий из приемника, огнеупорной трубки и двух стальных пробок. Блок защищен плавящейся капсулой из стали, поэтому шлак не может проникнуть в приемник. После того как зонд пройдет сквозь шлак, капсула расплавляется, и жидкая сталь проходит в приемник. Через 4—7 с после погружения зонд извлекают из расплава. На рис. 6 показано устройство погружного зонда для отбора проб. Зонд целесообразно использовать также и для отбора проб шлака, методы отбора проб которого обычно очень сложны.

Рис. 6. Устройство погружного зонда для отбора проб: 1 — плавкий колпачок; 2 — алюминий для раскисления; 3 — бумажная гильза; 4 — жаропрочная трубка; 5 — форма (кокиль).

Вакуумный, или пневматический, зонд представляет собой картонную трубу, в которую впрессован блок, имеющий приемник и огнеупорную заполняемую трубку диаметром 3,5—12 мм. Этот зонд напрессовывается на конический конец стальной трубки малого сечения. Другой конец трубки присоединен к ручному насосу. Оператор, отбирающий пробу, тянет на себя рукоятку насоса и засасывает металл в приемник. Раскисление металла происходит при прохождении металла через алюминиевую проволоку на входе трубки. Раскисление жидкого металла имеет большое значение для качества охлажденной пробы, правильности и воспроизводимости результатов анализа. Недостаточная раскисленность проб может влиять на точность определения алюминия в низколегированной стали рентгеноспектральным методом.

При зондовых способах метода проб достигается решение трех основных задач:

1) преодолеваются трудности отбора представительных проб;

2) уменьшается в 2—2,5 раза суммарная длительность работ по пробоотбору и подготовке проб;

3) повышается качество проб и их выход (число) благодаря быстроте подбора, отсутствию доступа воздуха и других факторов.

Все это возможно потому, что зонд можно погрузить в расплавленный металл на определенную глубину и в нем созданы условия для кристаллизации пробы по возможности без контакта с воздухом и шлаком. Время пробоотбора сокращается, так как пробе в зонде уже придана форма, благодаря чему уменьшается число операций по подготовке пробы.

Таким образом, зондовый способ отбора проб обладает следующими достоинствами: быстрота и несложность; безопасность операций; отсутствие доступа воздуха; мгновенное раскисление стали под действием заранее введенных в зонд Al, Тi или Zr, быстрое формирование пробы; представительность пробы без потерь углерода; удобная форма и неизменные размеры пробы, которую можно использовать в горячем или холодном состоянии; возможность получения образцов для оптического или рентгено-спектрального анализа и одновременно калиброванного стержня для анализа на углерод, кислород и серу.

Уже получили распространение комбинированные зонды, в которых отбор пробы для анализа сочетается с одновременным измерением температуры, а также иногда окисленности и содержания углерода, что дает более полную информацию об объекте исследования. Современные зонды пригодны для взятия проб большинства марок металла при любых температурах. 

Зонд может быть использован и при отборе проб шлака.

Твердый металл, подлежащий анализу, может быть представлен в виде изделия или в виде слитков (так называемых «чушек»). «Чушками» - слитки металла, идущего в дальнейшую переработку. И в том и в другом случаях металл может быть неоднородным в результате ликвации в отливках. Кроме того, на поверхности металла всегда образуются окалина, оксиды, а также поверхность загрязняется материалом формы, в которую металл был отлит и т. п. Поэтому пробу надо отбирать не только от отдельных слитков или изделий, но и от разных их мест и на разной глубине.

Если имеется партия металла одной и той же отливки, то отбирают определенное количество отдельных предметов (изделий, чушек) данной партии, а от этого количества уже и берут порции (первичной) пробы. Правила отбора проб установлены соответствующими стандартами.

Лабораторные пробы для химического анализа отбирают от мягких материалов в виде стружки, а от твердых или хрупких материалов — в виде крупки (скрапины) или порошка. Стружку получают сверлением, фрезерованием или строганием, для чего используют металлообрабатывающие станки. Все машины и инструменты для операций пробоотбора должны иметь прочную, надежную конструкцию, так как во избежание загрязнения проб работа проводится без применения смазочных материалов. 

Перед отбором пробы поверхность, подлежащую сверлению или строганию, очищают от механических загрязнений, окалины или шлака с помощью жестки стальных щеток, или наждачных кругов до появления блестящей поверхности металла. Но если анализу подвергают именно поверхностный слой отливки, то такая очистка недопустима или должна проводится с особой осторожностью.

Сверлению поддаются многие чистые металлы, углеродистые, среднелегированные, конструкционные и нержавеющие стали. После предварительного 10-минутного отжига при 750—850°С и последующего медленного охлаждения в печи или в тигле сверлению поддаются также конструкционные хромоникелевые, инструментальные стали с высоким содержанием углерода, быстрорежущие стали и их заменители.

Стали и сплавы некоторых марок (аустенитной структуры) поддаются сверлению только в горячем состоянии, т. е. при нагревании пробы до 500—650°С. Стали и сплавы других марок подвергают сверлению или фрезерованию только при применении сверл или резцов из сверхпрочных сплавов.

От образцов твердых или хрупких материалов (некоторые сорта чугунов, сталей, сплавов и ферросплавов) лабораторные пробы готовят в виде крупки или в виде порошка. Крупку получают дроблением скрапины или кусочков металла в специальных установках (ступках) или вручную кувалдой на стальной плите. Для получения порошка пробу истирают в агатовой ступке.

Сверление производят как с верхней, так и с нижней поверхности изделия или слитка с разной глубины в точках, распределенных по поверхностям металла в шахматном порядке или по спирали. Для определения мест сверления пользуются медными шаблонами. Наложив шаблон на поверхность, последнюю сверлят в точке, соответствующей отверстию шаблона.

Полученную стружку отделяют при помощи магнита от шлаковых включений и других примесей, после чего измельчают, перемешивают и отбирают пробу для анализа.

Для получения особенно однородной пробы используют строгальные станки.

Металлы, поддающиеся прокатке, предварительно вальцуют на лабораторных валках, полученные тонкие листы разрезают на стружку ножницами. Для отбора средней пробы листовой стали отрезают от нескольких листов по всей длине полоски шириной 5 см. Каждую полоску складывают затем в несколько слоев и строгают по торцевой поверхности.