1. Tại sao cần phân tích thành phần hóa học trong đúc gang?

Trong ngành công nghiệp đúc gang, chất lượng sản phẩm là yếu tố quyết định sự thành công. Từ độ bền, độ dẻo, độ cứng đến khả năng chống mài mòn và ăn mòn, tất cả đều phụ thuộc mật thiết vào thành phần hóa học của vật liệu. 

Việc kiểm soát chính xác hàm lượng các nguyên tố như Carbon (C), Silic (Si), Mangan (Mn), Lưu huỳnh (S), Photpho (P) và các nguyên tố hợp kim khác (Crom, Molypden, Niken...) là điều kiện tiên quyết để tạo ra gang đúc đạt chuẩn kỹ thuật.

Phân tích thành phần hóa học không chỉ diễn ra ở khâu kiểm tra sản phẩm cuối cùng mà là một quá trình liên tục, từ đánh giá nguyên liệu thô (gang thỏi), giám sát kim loại nóng chảy trước khi rót khuôn, đến xác nhận chất lượng thành phẩm. 

Nhu cầu ngày càng cao về chất lượng, các tiêu chuẩn ngành khắt khe và yêu cầu từ khách hàng buộc các xưởng đúc phải đầu tư vào công nghệ phân tích hiện đại, đảm bảo độ chính xác và tin cậy. Hiểu rõ cách sử dụng các thiết bị này là chìa khóa để nâng cao năng lực cạnh tranh và đáp ứng yêu cầu thị trường. 

2.  Các Kỹ Thuật Phân Tích Thành Phần Hóa Học Phổ Biến Trong Đúc Gang

Có nhiều phương pháp và thiết bị được sử dụng để xác định thành phần hóa học của gang đúc. Dưới đây là các kỹ thuật chính:

2.1. Quang phổ phát xạ (OES - Optical Emission Spectrometry): Phân tích ánh sáng phát ra từ các nguyên tử mẫu bị kích thích (thường bằng tia lửa điện). Đây là phương pháp phổ biến nhất trong các xưởng đúc nhờ tốc độ nhanh và độ chính xác cao cho nhiều nguyên tố.

2.2. Huỳnh quang tia X (XRF - X-Ray Fluorescence): Phân tích tia X đặc trưng phát ra từ mẫu khi bị chiếu xạ bằng tia X năng lượng cao. Phương pháp này không phá hủy mẫu hoặc phá hủy rất ít, phù hợp cho cả mẫu rắn và bột. 

2.3. Phân tích Đốt cháy (Combustion Analysis): Xác định chính xác hàm lượng Carbon (C) và Lưu huỳnh (S) bằng cách đốt mẫu trong môi trường oxy và đo lượng khí CO2, SO2 tạo thành. Đây là phương pháp tiêu chuẩn cho C và S. 

2.4. Quang phổ phát xạ Laser (LIBS - Laser-Induced Breakdown Spectroscopy): Sử dụng tia laser năng lượng cao tạo plasma trên bề mặt mẫu và phân tích ánh sáng phát ra. Ưu điểm là chuẩn bị mẫu tối thiểu và có thể phân tích tại chỗ. 

2.5. Phân tích Nhiệt (Thermal Analysis - TA): Đánh giá gián tiếp thành phần (Đương lượng Carbon - CE, %C, %Si) bằng cách phân tích đường cong nguội của gang nóng chảy khi đông đặc. Đây là phương pháp nhanh, chi phí thấp, thực hiện ngay tại xưởng. 

Máy test thành phần hóa học trong gang

3. Hướng Dẫn Sử Dụng Máy Quang Phổ Phát Xạ (OES) – Công Cụ Chủ Lực

OES là kỹ thuật được ưa chuộng nhất trong kiểm soát chất lượng gang đúc. 

3.1. Cấu tạo

Cấu tạo của Máy Quang Phổ Phát Xạ (OES) có thể khác nhau tùy thuộc vào loại máy (ví dụ: OES tia lửa điện/hồ quang, ICP-OES), nhưng về cơ bản bao gồm các bộ phận chính sau:

Nguồn kích thích phát xạ:

Đối với OES tia lửa điện/hồ quang: Sử dụng điện áp cao tạo ra tia lửa điện hoặc hồ quang giữa điện cực và bề mặt mẫu. Năng lượng này đốt nóng và làm bay hơi vật liệu mẫu, kích thích các nguyên tử phát xạ ánh sáng.

Đối với ICP-OES (Quang phổ phát xạ plasma cảm ứng): Sử dụng cuộn cảm ứng RF để tạo ra plasma argon ở nhiệt độ rất cao (khoảng 10.000°C). Mẫu được đưa vào plasma, tại đó các nguyên tử bị kích thích và phát xạ ánh sáng.

Hệ thống thu nhận và dẫn sáng:

Đầu dò mẫu: Nơi đặt mẫu cần phân tích. Đối với OES tia lửa điện/hồ quang, mẫu thường được đặt trên một giá đỡ có điện cực đối diện. Đối với ICP-OES, mẫu thường được đưa vào plasma dưới dạng dung dịch hoặc khí dung.

Thấu kính hội tụ: Thu thập ánh sáng phát ra từ nguồn kích thích (tia lửa điện/hồ quang hoặc plasma) và hội tụ nó vào buồng quang phổ.

Ống chuẩn trực: Biến chùm sáng phân kỳ từ khe hẹp thành chùm tia song song trước khi đi vào hệ tán sắc.

Hệ tán sắc (Buồng quang phổ):

Cách tử nhiễu xạ (hoặc lăng kính): Phân tách ánh sáng phức tạp thành các thành phần đơn sắc (các bước sóng riêng lẻ) dựa trên hiện tượng nhiễu xạ hoặc khúc xạ ánh sáng. Cách tử nhiễu xạ với mật độ vạch cao sẽ cho độ phân giải phổ tốt hơn.

Gương hội tụ: Hội tụ các chùm sáng đơn sắc đã được phân tách lên bộ phận dò tín hiệu.

Buồng quang học: Toàn bộ hệ thống tán sắc thường được đặt trong buồng kín, có thể được bơm chân không hoặc chứa khí trơ (argon) để giảm sự hấp thụ ánh sáng, đặc biệt là trong vùng phổ UV.

Bộ dò tín hiệu:

Ống nhân quang điện (PMT - Photomultiplier Tube): Các đầu dò nhạy, thường được sử dụng cho các máy OES truyền thống. Mỗi PMT thường được thiết kế để đo cường độ ánh sáng tại một bước sóng cụ thể, tương ứng với một nguyên tố.

Thiết bị ghép điện tích (CCD - Charged Coupled Device) hoặc CMOS: Các đâu dò mảng hiện đại, có khả năng thu nhận đồng thời ánh sáng trên một dải bước sóng rộng. Điều này cho phép phân tích đồng thời nhiều nguyên tố.

Hệ thống xử lý dữ liệu:

Bộ đọc và xử lý tín hiệu: Chuyển đổi tín hiệu quang học từ детектор thành tín hiệu điện, sau đó xử lý và khuếch đại tín hiệu.

Máy tính và phần mềm: Hiển thị phổ, định danh các nguyên tố dựa trên vị trí các vạch phổ, và định lượng nồng độ của chúng dựa trên cường độ vạch phổ. Phần mềm cũng cung cấp các công cụ để phân tích, lưu trữ và báo cáo kết quả.

3.2. Nguyên Lý Hoạt Động: Một nguồn phóng điện (tia lửa hoặc hồ quang) được tạo ra giữa điện cực và bề mặt mẫu đã chuẩn bị. Năng lượng này làm hóa hơi và kích thích các nguyên tử trong mẫu, khiến chúng phát ra ánh sáng ở các bước sóng đặc trưng. Quang phổ kế sẽ phân tách ánh sáng này và đo cường độ tại từng bước sóng. Cường độ ánh sáng tỷ lệ thuận với nồng độ của nguyên tố tương ứng.

3.3. Các Loại Máy OES:

• Máy OES Để Bàn (Stationary): Độ chính xác rất cao, đặc biệt với các nguyên tố nhẹ như Carbon. Thường đặt trong phòng thí nghiệm để kiểm soát chất lượng chặt chẽ và theo dõi liên tục quá trình nấu luyện. 
• Máy OES Di Động/Xách Tay (Mobile/Portable): Linh hoạt, cho phép phân tích tại chỗ các vật đúc lớn hoặc kiểm tra ngoài hiện trường. 

3.4. Chuẩn Bị Mẫu – Yếu Tố Quyết Định Độ Chính Xác: Việc chuẩn bị mẫu đúng cách là cực kỳ quan trọng. 

• Mẫu Kim Loại Lỏng: Lấy mẫu đại diện bằng muôi sạch, rót vào khuôn đồng để làm nguội nhanh, đảm bảo đông đặc trắng (carbon hòa tan đồng nhất). Tránh nhiễm xỉ, khuôn phải sạch và dẫn nhiệt tốt. Làm nguội nhanh ngăn chặn hình thành graphit tự do, giúp đo Carbon chính xác hơn. 
• Mẫu Rắn (Vật Đúc): Bề mặt phân tích phải sạch, phẳng, không có oxit hay tạp chất. Thường dùng máy mài với giấy nhám phù hợp (ví dụ: oxit nhôm, cacbua silic) để loại bỏ lớp bề mặt (ít nhất 0.5mm). Cần thay giấy nhám thường xuyên và khi đổi loại hợp kim để tránh nhiễm bẩn chéo. 

3.5. Quy Trình Vận Hành Cơ Bản: 

Bước 1: Bật nguồn và chờ máy khởi động hoàn tất.

Bước 2: Chọn phương pháp/chương trình phân tích phù hợp với loại gang cần đo (ví dụ: Fe-20 trên máy di động). 

Bước 3: Đặt mẫu đã chuẩn bị lên giá điện cực (spark stand), đảm bảo tiếp xúc tốt

Bước 4: Bắt đầu phân tích. Quá trình thường bao gồm: 

• Giai đoạn tiền phóng điện (pre-spark): Làm sạch và đồng nhất bề mặt mẫu (thường cần thời gian dài hơn cho gang). 
• Giai đoạn tích hợp (integration): Đo lường ánh sáng phát xạ. 

Bước 5: Duy trì dòng khí Argon tinh khiết (khuyến nghị độ tinh khiết cao) thổi vào buồng phóng điện để ngăn oxy hóa và đảm bảo hiệu suất đo, đặc biệt với các nguyên tố như C, P, S. 

Bước 6: Phần mềm xử lý dữ liệu phổ và hiển thị kết quả nồng độ các nguyên tố. 

Kết quả sau khi test

3.6. Diễn Giải Kết Quả: So sánh nồng độ các nguyên tố đo được (C, Si, Mn, P, S, hợp kim...) với các tiêu chuẩn chất lượng quốc tế (ASTM, EN, ISO, DIN...) hoặc yêu cầu kỹ thuật cụ thể cho từng mác gang. Sự sai lệch so với khoảng cho phép có thể chỉ ra vấn đề trong quá trình nấu luyện hoặc chất lượng nguyên liệu. 

3.7. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Độ Chính Xác: 

• Tính đồng nhất của mẫu.
• Chất lượng bề mặt mẫu (độ phẳng, sạch).
• Hiệu chuẩn thiết bị.
• Độ tinh khiết khí Argon.