Khi nhu cầu về các sản phẩm thép nhẹ hơn và bền hơn ngày càng tăng, các nhà sản xuất thép hiện nay đang đối mặt với áp lực phải tạo ra thép có giá trị cao hơn, bao gồm các đặc tính cụ thể mà khách hàng yêu cầu. Những nhà sản xuất có thể đáp ứng được nhu cầu này sẽ có thể yêu cầu mức giá cao hơn cho sản phẩm của họ, đồng thời cải thiện vị thế cạnh tranh của mình.
Tuy nhiên, việc sản xuất thép cao cấp đòi hỏi các công cụ thế hệ mới có thể cung cấp dữ liệu chất lượng cao. Hiện nay, các nhà sản xuất thép thường sử dụng kính hiển vi quang học để xác định kích thước và số lượng các tạp chất không phải kim loại, nhưng các kính hiển vi này không cung cấp thông tin về thành phần hóa học. Do đó, các nhà sản xuất thép thiếu thông tin đầy đủ để tối ưu hóa quá trình sản xuất thép của mình.
Kính hiển vi điện tử quét Phenom ParticleX Steel Desktop SEM của Thermo Scientific™ giải quyết vấn đề này, cung cấp thông tin nhanh chóng, chính xác và đầy đủ mà các nhà sản xuất thép cần để tối ưu hóa quy trình sản xuất
Những thách thức đối mặt với các nhà sản xuất thép hiện nay
Thép là một vật liệu có thể tái chế vô hạn và có độ bền cao, đóng vai trò trụ cột trong nền kinh tế hiện đại của chúng ta. Từ những cây cầu và phương tiện giao thông tạo nên hệ thống vận tải cho đến những cối xay gió và nhà máy điện cung cấp năng lượng, thép là yếu tố quan trọng trong đời sống hàng ngày của gần như mọi quốc gia trên thế giới.
Nhu cầu ngày càng tăng đối với thép giá trị cao
Khi các nhà sản xuất cạnh tranh để tạo ra những sản phẩm bền hơn, nhẹ hơn, nhu cầu đối với thép có độ bền cao đang ngày càng tăng. Hiện nay, khoảng một nửa trong tổng số 1,900 triệu tấn thép được sản xuất mỗi năm là dành cho các ứng dụng cần độ bền cao. Hơn nữa, thị trường thép cao cấp và thép điện đang phát triển với tốc độ nhanh chóng khi các nhà sản xuất ô tô ngày càng sử dụng các loại thép này để đáp ứng các quy định mới và các nhà cung cấp năng lượng mở rộng các nguồn năng lượng tái tạo.
Lấy ngành công nghiệp ô tô làm ví dụ. Để có thể cạnh tranh, các nhà sản xuất ô tô hiện nay phải đối mặt với áp lực sản xuất những chiếc xe lâu bền hơn, nhẹ hơn—và bất kỳ bộ phận nào bị lỗi có thể làm suy yếu khả năng cạnh tranh của nhà sản xuất.
Ví dụ, mỗi vòng bi thép quay giữa bánh xe và trục cần phải hoạt động ít nhất 100.000 miles trên mỗi chiếc xe mà công ty sản xuất, và chỉ một tạp chất nhỏ có kích thước 50 microns cũng có thể khiến vòng bi bắt đầu hỏng. Trong thị trường cạnh tranh ngày nay, các nhà sản xuất thép có thể đáp ứng nhu cầu thép bền lâu của các nhà sản xuất ô tô có thể yêu cầu mức giá cao nhất cho sản phẩm của họ—và cuối cùng cải thiện vị thế trên thị trường.
Thách thức trong việc sản xuất thép cao cấp
Thép không phải là một sản phẩm đồng nhất và thép cũng không phải là một vật liệu đơn giản. Có hơn 3.500 loại thép, mỗi loại có độ dẻo, độ bền và các tính chất khác nhau. Những tính chất này phần lớn được xác định bởi các tạp chất không phải kim loại mà bị lẫn vào trong sản phẩm trong quá trình sản xuất. Nếu không kiểm soát được, những tạp chất này có thể làm hỏng chất lượng của thép và thậm chí làm gián đoạn quá trình sản xuất, dẫn đến mất doanh thu và thời gian.
Các ứng dụng thép khác nhau yêu cầu độ sạch khác nhau. Ví dụ, một tạp chất 15 micron trong dây thép của lốp có thể đủ để làm hỏng bộ phận trong quá trình sản xuất. Tuy nhiên, một tạp chất lên đến 100 micron có thể chấp nhận được trong một bộ phận ô tô như ống cấu trúc.
Việc sản xuất thép với các tính chất mong muốn đòi hỏi phải kiểm soát các tạp chất không phải kim loại. Và để làm điều đó, các nhà sản xuất phải có được sự hiểu biết nhanh chóng và chính xác về số lượng, kích thước và thành phần hóa học của các tạp chất, cả khi thép đang được sản xuất và sau đó khi các lỗi được phát hiện bởi nhà sản xuất của bộ phận cuối cùng.
Trong quá khứ, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi quang học để đánh giá kích thước và số lượng các tạp chất, nhưng điều này không cho phép họ xác định bản chất của các tạp chất đó. Thêm vào đó, họ phải sử dụng hai thiết bị riêng biệt—một kính hiển vi quang học để phân tích các tạp chất trong quá trình sản xuất thép và một kính hiển vi điện tử quét (SEM) thủ công để phân tích lỗi của các bộ phận đã được chế tạo, làm tăng chi phí và độ phức tạp.
Nếu không có công cụ phù hợp để kiểm soát các tạp chất, việc đáp ứng các yêu cầu của khách hàng đối với thép có tính chất mong muốn cho từng ứng dụng cụ thể có thể trở nên phức tạp. Để sản xuất thép có độ bền cao thế hệ mới, các nhà luyện kim cần truy cập nhanh vào dữ liệu chất lượng cao hơn. Họ cũng cần một thiết bị đa năng có thể đánh giá chính xác các tạp chất ở nhiều giai đoạn trong chu kỳ sản xuất.
Giới thiệu kính hiển vi điện tử quét Phenom ParticleX Steel Desktop SEM
Kính hiển vi điện tử quét Phenom ParticleX Steel Desktop SEM được thiết kế để cung cấp cho các nhà sản xuất thép thông tin nhanh chóng, chính xác và đầy đủ mà họ cần để phát triển thép chất lượng cao hơn. Là một trong ba sản phẩm thuộc dòng sản phẩm ParticleX, Phenom ParticleX Steel Desktop SEM được thiết kế đặc biệt để giúp các nhà sản xuất thép đánh giá nhanh chóng độ sạch của thép dựa trên số lượng, hình thái và thành phần hóa học của các tạp chất không phải kim loại.
Phân tích EDS tích hợp
Kính hiển vi điện tử quét Phenom ParticleX Steel Desktop SEM tích hợp trực tiếp phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) tiên tiến vào kính hiển vi. Hình ảnh SEM đáng tin cậy và chất lượng cao có thể được thu được trong thời gian chưa đến một phút. Hơn nữa, các nhà nghiên cứu có thể nhanh chóng phân tích kích thước và vị trí của mỗi tạp chất xuống đến 0,5 microns, đồng thời thu được thành phần nguyên tố của mỗi hạt. Biết được kích thước, số lượng và hóa học của các tạp chất, các nhà sản xuất thép có thể tối ưu hóa quá trình sản xuất thép của mình cho các ứng dụng và yêu cầu của khách hàng cụ thể.
Sử dụng kép
Một trong những lợi ích chính của kính hiển vi điện tử quét Phenom ParticleX Steel Desktop SEM là nó có thể được sử dụng cho hai mục đích: phân tích tạp chất trong quá trình sản xuất thép và phân tích lỗi sau khi các bộ phận đã được chế tạo. Vào ban ngày, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng thiết bị này thủ công để xác định nguyên nhân gốc rễ của các lỗi mà khách hàng đã phát hiện sau khi sản phẩm cuối cùng được sản xuất. Vào ban đêm và cuối tuần, kính hiển vi có thể được cài đặt để thực hiện phân tích tạp chất tự động định kỳ như một phần của quá trình sản xuất thép. Cùng với nhau, các khả năng này cung cấp cho các nhà sản xuất thông tin đầy đủ mà họ cần để tăng tốc quá trình phát triển thép chất lượng cao hơn.
Tự động hóa và dễ sử dụng
Kính hiển vi điện tử quét Phenom ParticleX Steel Desktop SEM hoàn toàn tự động hóa phân tích tạp chất trong mẫu thép, giúp người dùng ở mọi cấp độ kinh nghiệm có thể nhanh chóng xem được hóa học, kích thước và hình dạng của các tạp chất chỉ trong vài giây. Các mẫu có sẵn và các công thức tự động cho phép các nhà nghiên cứu bắt đầu nhanh chóng và sau đó điều chỉnh các công thức này cho phù hợp với nhu cầu cụ thể của họ khi họ trở nên quen thuộc hơn với kính hiển vi.
Hơn nữa, với giao diện người dùng trực quan, việc tải mẫu dễ dàng và phần mềm chuyên ngành, bất kỳ ai cũng có thể có được kết quả chất lượng từ thiết bị gần như ngay lập tức, mở rộng khả năng phân tích lỗi đến một nhóm người dùng rộng hơn.
Kích thước nhỏ gọn
Kính hiển vi đa năng có thể đặt trên bàn làm việc, giúp giải phóng không gian phòng thí nghiệm quý giá. Với diện tích chiếm dụng nhỏ, Phenom ParticleX Steel Desktop SEM dễ dàng được bổ sung vào bất kỳ phòng thí nghiệm phân tích nào mà không cần điều chỉnh cơ sở hạ tầng, bao gồm các phòng thí nghiệm tập trung và các nhà máy thép nhỏ trước đây phải thuê ngoài để thực hiện kiểm soát chất lượng.
Nguồn CeB₆
Kính hiển vi điện tử quét Phenom ParticleX Steel Desktop SEM là thiết bị duy nhất trên thị trường sử dụng nguồn cerium hexaboride (CeB₆) được thiết kế đặc biệt cho phân tích tạp chất. Nguồn CeB₆ có độ sáng cao cho phép phân tích các tạp chất xuống đến mức độ siêu vi mô. Nó cũng cung cấp tuổi thọ gấp ít nhất hai lần so với nguồn Tungsten được tìm thấy trong hầu hết các kính hiển vi điện tử quét (SEM). Không giống như nguồn Tungsten, có thể hỏng đột ngột và gây ô nhiễm cho cột quét, nguồn CeB₆ sẽ từ từ suy giảm theo thời gian, cho phép người dùng dự đoán được thời điểm hỏng và thay thế nó giữa các phiên vận hành.
Zenith Steel tối ưu hóa quy trình sản xuất thép
Được thành lập vào năm 2001 tại tỉnh Giang Tô, Trung Quốc, Zenith Steel sản xuất các linh kiện thép sử dụng trong các phương tiện thương mại và máy móc kỹ thuật. Những ngành công nghiệp này có các yêu cầu khác nhau về thép mà họ sử dụng, đòi hỏi Zenith phải kiểm soát chặt chẽ quy trình sản xuất thép.
Các thiết bị SEM tiên tiến của Thermo Fisher Scientific đã giúp Zenith Steel nhận diện nhanh chóng và chính xác nguyên nhân gốc rễ của các lỗi xảy ra khi khách hàng của họ chế tạo sản phẩm hoàn thiện. Ví dụ, dây thép trong lốp có thể bị gãy khi các nhà sản xuất ô tô kéo thép để tạo thành dây. Và khi điều này xảy ra, thép sẽ được gửi lại Zenith, nơi các kỹ sư phân tích các tạp chất đã gây ra vết nứt, bao gồm thành phần, kích thước và vị trí của chúng.
Công ty cũng sử dụng các thiết bị của Thermo Scientific để tiến hành hàng nghìn phân tích định lượng trên mẫu dung dịch trong quá trình sản xuất, nhằm cải thiện chất lượng thép mà họ sản xuất.
“Tôi nghĩ giá trị lớn nhất của thiết bị này… [là] chúng tôi có thể tận dụng tối đa các tính năng của nó để thúc đẩy việc tối ưu hóa quy trình sản xuất thép của chúng tôi,” ông Wang Kunpeng, Phó Giám đốc Kỹ thuật tại Zenith Steel chia sẻ.
2 trong 1
Kính hiển vi điện tử quét Phenom ParticleX Steel Desktop SEM kết hợp hai chế độ hoạt động: một hệ thống dễ sử dụng cho phân tích lỗi thủ công SEM-EDS của các bộ phận thép đã chế tạo và một hệ thống SEM-EDS hoàn toàn tự động, theo công thức, để phân tích các tạp chất trong quá trình sản xuất thép.
Phân tích lỗi nhanh chóng và chính xác
Giao diện người dùng dễ sử dụng của thiết bị cho phép người dùng nhanh chóng và chính xác xác định nguyên nhân gốc rễ của các lỗi trong bộ phận. Hình ảnh SEM toàn màn hình được chụp trong chưa đầy một phút sau khi tải mẫu. Người dùng có thể nhanh chóng phóng to để kiểm tra các khu vực quan tâm với độ phóng đại cao mà không mất vị trí trên mẫu.
Hãy lấy một hạt nhỏ dính trên lưới của một bộ phận. Khi bạn phóng to, bạn có thể thu thập thông tin EDS về hạt này, quan sát cả kích thước và hình thái của nó cùng với thành phần hóa học bằng cách sử dụng detector EDS tích hợp và bản đồ nguyên tố. Chỉ với vài lần nhấn chuột, bạn có thể nhìn thấy hạt, thu thập phổ EDS và tạo báo cáo tùy chỉnh tóm tắt kết quả của mình.
Phân tích tạp chất tự động
Kính hiển vi điện tử quét Phenom ParticleX Steel Desktop SEM cũng có thể được sử dụng cho phân tích tạp chất tự động, không cần giám sát, giúp các nhà luyện kim nhanh chóng xác định chất lượng của thép đã chế tạo bằng cách cung cấp cái nhìn sâu sắc về số lượng và thành phần hóa học của các tạp chất xuất hiện trong quá trình sản xuất thép. Thiết bị phân tích một khu vực đã chọn, chụp ảnh SEM và phổ EDS từ tất cả các tạp chất có mặt và hiển thị dữ liệu dưới dạng biểu đồ ternary.
Hiểu về hiện tượng tắc nghẽn vòi phun
Các yếu tố khác nhau có thể được nghiên cứu vào bất kỳ thời điểm nào trong quá trình sản xuất thép. Ví dụ, một vấn đề mà các nhà sản xuất thép phải đối mặt là sự tắc nghẽn tốn kém của vòi phun thùng đúc do sự thay đổi thành phần của các tạp chất trong quá trình đúc. Khi đổ thép từ thùng nấu vào thùng đúc, các tạp chất canxi sunfua có thể kết hợp với oxy để tạo thành canxi aluminat và magiê aluminat. Sử dụng phân tích SEM để hiểu những thay đổi hóa học này theo thời gian giúp các nhà sản xuất thép có được hướng đi cần thiết để giảm sự tái oxy hóa trong thùng đúc.
Với kết quả được hiển thị dưới dạng biểu đồ ternary, các nhà luyện kim có thể xác định các tạp chất có mặt tại các thời điểm khác nhau, quan sát hiện tượng tái oxy hóa để hiểu rõ hơn về hiện tượng tắc nghẽn vòi phun và tối ưu hóa quy trình sản xuất thép.
Dự đoán các tạp chất lớn nhất
Một thách thức khác mà các nhà sản xuất thép phải đối mặt là dự đoán tỷ lệ hỏng hóc của thép thành phẩm. Với số lượng thép lớn mà hầu hết các nhà sản xuất chế tạo mỗi ngày, sẽ là không thể đo lường từng tạp chất một. Tuy nhiên, với kính hiển vi điện tử quét Phenom ParticleX Steel Desktop SEM, các nhà luyện kim có thể đo lường các tạp chất trong những khu vực cụ thể và sau đó sử dụng mô hình thống kê để dự đoán tỷ lệ hỏng hóc tổng thể.
Sử dụng kính hiển vi điện tử quét Phenom ParticleX Steel Desktop SEM để đo kích thước, hình thái và thành phần hóa học của các tạp chất trong một khu vực đủ lớn và sau đó nhập dữ liệu này vào mô hình thống kê, các nhà luyện kim có thể dự đoán các tạp chất lớn nhất có mặt, như được mô tả trong tiêu chuẩn ASTM E2283 về phân tích giá trị cực đoan của các tạp chất không kim loại trong thép. Và vì các tạp chất lớn nhất thường là nơi xảy ra các lỗi, các nhà sản xuất thép có được thông tin cần thiết để tối ưu hóa quy trình sản xuất thép, đồng thời chứng nhận chính xác chất lượng sản phẩm thép của họ.
Tăng tốc phát triển thép cao cấp
Bạn có dữ liệu chất lượng cao, dễ thu thập mà bạn cần để sản xuất thép cao cấp không? Kính hiển vi điện tử quét Phenom ParticleX Steel Desktop SEM dễ sử dụng mở rộng kiểm soát chất lượng đến một phạm vi người dùng rộng hơn, giúp các nhà sản xuất giảm thiểu sự cố của các bộ phận thép đã chế tạo và cải thiện chất lượng thép của họ. Với thông tin nhanh chóng, chính xác và đầy đủ mà bạn cần để phân tích các tạp chất không kim loại, bạn có thể đáp ứng nhu cầu về thép giá trị cao hơn—cuối cùng sẽ gia tăng lợi nhuận và nâng cao khả năng cạnh tranh của bạn.
Notes
1. “1,900 million tonnes of steel produced on annual basis”Source: https://www.worldsteel.org/about-steel.html
2. “More than 3,500 varieties of steel” Source: https://www.worldsteel.org/about-steel/steel-facts.html
Minh Khang là nhà phân phối và nhập khẩu trực tiếp các thiết bị Kính hiển vi điện tử quét (SEM) hãng Thermo Fisher
EN