KR102178443B1 - Method for quantification analysis of iron oxides on steel surface using glow discharge optical emission spectrometry with multivariate analysis - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2 이상의 철강 샘플을 준비하고, 각각의 상기 철강 샘플의 표면 산화철을 정량 분석하여 학습 레이블을 구하는 제 1 단계; 각각의 상기 철강 샘플에 대하여 표면 산화층을 포함한 모재 표면으로부터 깊이 방향으로의 Fe 원소 농도 프로파일을 측정하여 학습 데이터를 구하는 제 2 단계; 상기 학습 레이블과 상기 학습 데이터를 기초로 다변량 분석(multivariate analysis)을 이용하여 상기 철강 샘플의 표면 산화철량과 상기 Fe 원소 농도 프로파일의 상관관계를 나타내는 예측 모델식을 수립하는 제 3 단계; 및 측정하고자 하는 철강의 표면으로부터 깊이 방향으로의 Fe 원소 농도 프로파일을 측정하고, 측정된 Fe 원소 농도 프로파일을 상기 예측 모델식에 대입하여 표면 산화철량의 예측값을 계산하는 제 4 단계; 를 포함하는 철강 표면 산화철의 정량 분석 방법을 제공한다.The present invention is a first step of preparing two or more steel samples, and obtaining a learning label by quantitatively analyzing the surface iron oxide of each of the steel samples; A second step of obtaining learning data by measuring the Fe element concentration profile in the depth direction from the surface of the base metal including the surface oxide layer for each of the steel samples; A third step of establishing a prediction model equation representing a correlation between the amount of iron oxide on the surface of the steel sample and the concentration profile of the Fe element using a multivariate analysis based on the learning label and the learning data; And a fourth step of calculating a predicted value of the amount of surface iron oxide by measuring the Fe element concentration profile in the depth direction from the surface of the steel to be measured, and substituting the measured Fe element concentration profile into the prediction model equation. It provides a quantitative analysis method of iron oxide on the steel surface comprising a.

Description

글로우 방전 광학 방출 분광법의 다변량 분석을 이용한 철강 표면 산화철의 정량 분석 방법{METHOD FOR QUANTIFICATION ANALYSIS OF IRON OXIDES ON STEEL SURFACE USING GLOW DISCHARGE OPTICAL EMISSION SPECTROMETRY WITH MULTIVARIATE ANALYSIS}Quantitative analysis method of iron oxide on steel surface using multivariate analysis of glow discharge optical emission spectroscopy {METHOD FOR QUANTIFICATION ANALYSIS OF IRON OXIDES ON STEEL SURFACE USING GLOW DISCHARGE OPTICAL EMISSION SPECTROMETRY WITH MULTIVARIATE ANALYSIS}

본 발명은 제철 공정에서 철강 표면 산화물의 농도를 빠르게 모니터링 할 수 있는 철강 표면 산화철의 정량 분석 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for quantitative analysis of iron oxide on a steel surface capable of quickly monitoring the concentration of oxide on the steel surface in an iron making process.

제철 공정에서 철강 표면 산화물의 농도를 정량적으로 평가하는 것은 매우 중요하다. 일반적으로 철강 표면 산화물의 농도는 철강 표면 산화물을 전기화학적 방법으로 선택적으로 추출하여 그 추출성분을 분석함으로써 정량 분석하고 있다. 좀 더 구체적으로 종래 기술의 선택적 추출 방법에서는 철강 표면이 추출 과정에서 산화되지 않게 하기 위하여 보통 비수용성 전해액을 사용하며, 상기 전해액에서는 철강 매질인 금속성 철(Fe)은 산화되어 전해액에 이온화되고 Fe-O계 산화철은 전해액으로 이온화되지 않고 덩어리로 떨어져 나온다. 이때 일정한 전하를 걸어주어 반응을 가속화 시킬 수 있으며, 떨어져 나온 Fe-O계 산화철 덩어리는 여과를 통하여 전해액 중 철 이온과 쉽게 분리 할 수 있다. 이렇게 분리된 산화철은 화학적 전처리 방법을 통하여 분해한 후 ICP-OES를 이용하여 Fe를 정량 분석하고 그 결과를 산화물로 환산하여 농도를 정량적으로 평가한다.It is very important to quantitatively evaluate the concentration of steel surface oxides in the steel making process. In general, the concentration of steel surface oxide is quantitatively analyzed by selectively extracting the steel surface oxide by electrochemical method and analyzing the extracted components. More specifically, in the conventional selective extraction method, a non-aqueous electrolyte is usually used so that the steel surface is not oxidized in the extraction process. In the electrolyte, metallic iron (Fe), which is a steel medium, is oxidized and ionized in the electrolyte, and Fe- O-based iron oxide is not ionized by the electrolyte and falls out as a lump. At this time, a constant charge can be applied to accelerate the reaction, and the Fe-O-based iron oxide mass that has been separated can be easily separated from the iron ions in the electrolyte through filtration. The separated iron oxide is decomposed through a chemical pretreatment method and then quantitatively analyzed for Fe using ICP-OES, and the result is converted into oxides to quantitatively evaluate the concentration.

하지만 이러한 종래 방법은 추출과 전처리 과정이 필요하여 많은 소요시간이 소요되며, 신속하게 분석할 수 없기 때문에 공정 프로세스에 필요한 농도 결과를 빠르게 피드백 할 수 없는 문제점이 있다. 따라서 빠르게 철강 표면의 산화물을 모니터링 할 수 있는 방법의 개발이 요구되고 있는 실정이다.However, this conventional method requires extraction and pre-treatment, which takes a lot of time, and cannot be analyzed quickly, and thus, there is a problem in that it is not possible to quickly feedback the concentration result required for the process process. Therefore, there is a need to develop a method that can quickly monitor oxides on the steel surface.

본 발명은 철강 표면의 산화철 등의 산화물을 신속하고 정확하게 정량적으로 분석할 수 있는 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a method for rapidly and accurately quantitatively analyzing oxides such as iron oxide on the surface of steel.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명 명세서의 전반적인 사항으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.The subject of the present invention is not limited to the above description. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will not have any difficulty in understanding the additional subject of the present invention from the general details of the present specification.

본 발명의 일 측면은 2 이상의 철강 샘플을 준비하고, 각각의 상기 철강 샘플의 표면 산화철을 정량 분석하여 학습 레이블을 구하는 제 1 단계; 각각의 상기 철강 샘플에 대하여 표면 산화층을 포함한 모재 표면으로부터 깊이 방향으로의 Fe 원소 농도 프로파일을 측정하여 학습 데이터를 구하는 제 2 단계; 상기 학습 레이블과 상기 학습 데이터를 기초로 다변량 분석(multivariate analysis)을 이용하여 상기 철강 샘플의 표면 산화철량과 상기 Fe 원소 농도 프로파일의 상관관계를 나타내는 예측 모델식을 수립하는 제 3 단계; 및 측정하고자 하는 철강의 표면으로부터 깊이 방향으로의 Fe 원소 농도 프로파일을 측정하고, 측정된 Fe 원소 농도 프로파일을 상기 예측 모델식에 대입하여 표면 산화철량의 예측값을 계산하는 제 4 단계; 를 포함하는 철강 표면 산화철의 정량 분석 방법이다.An aspect of the present invention is a first step of preparing two or more steel samples, and obtaining a learning label by quantitatively analyzing the surface iron oxide of each of the steel samples; A second step of obtaining learning data by measuring the Fe element concentration profile in the depth direction from the surface of the base metal including the surface oxide layer for each of the steel samples; A third step of establishing a prediction model equation representing a correlation between the amount of iron oxide on the surface of the steel sample and the concentration profile of the Fe element using a multivariate analysis based on the learning label and the learning data; And a fourth step of calculating a predicted value of the amount of surface iron oxide by measuring the Fe element concentration profile in the depth direction from the surface of the steel to be measured, and substituting the measured Fe element concentration profile into the prediction model equation. It is a quantitative analysis method of iron oxide on the surface of the steel comprising a.

상기 예측 모델식은 하기 식 2 로 표현되는 MAPE 값이 15% 이하일 수 있다.The predictive model formula may have a MAPE value of 15% or less represented by Equation 2 below.

[식 2]

Figure 112018126476425-pat00001
[Equation 2]
Figure 112018126476425-pat00001

(여기서, y기준값 은 종래 추출 방법에 의한 정량 분석값이고, y예측값 은 상기 예측 모델식에 의해 계산된 예측값이며, n 은 분석에 사용한 샘플 수이다.)(Here, y reference value is a quantitative analysis value by a conventional extraction method, y predicted value is a predicted value calculated by the above prediction model equation, and n is the number of samples used for analysis.)

상기 제 1 단계에서의 정량 분석은, 철강 표면 산화물을 전기화학적 방법으로 선택적으로 추출하여 그 추출성분을 분석함으로써 이루어질 수 있다.Quantitative analysis in the first step may be performed by selectively extracting the steel surface oxide by an electrochemical method and analyzing the extracted components.

상기 제 2 단계 또는 상기 제 4 단계에서의 깊이 방향 Fe 원소 농도 프로파일은 GD-OES를 이용하여 분석할 수 있다.The depth-direction Fe element concentration profile in the second step or the fourth step can be analyzed using GD-OES.

상기 다변량 분석은 PLS-R 모델일 수 있다.The multivariate analysis may be a PLS-R model.

본 발명은 철강 샘플의 표면 산화물 정량 분석값 및 깊이 방향 Fe 원소 농도 프로파일을 이용하여 예측 모델식을 미리 구함으로써, 공정 프로세스 중에도 빠르고 신속하게 철강 표면 산화철량을 분석할 수 있는 유리한 효과가 있다.The present invention has an advantageous effect that it is possible to quickly and quickly analyze the amount of iron oxide on the steel surface even during a process process by obtaining a predictive model equation in advance using the quantitative analysis value of the surface oxide of the steel sample and the Fe element concentration profile in the depth direction.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.The various and beneficial advantages and effects of the present invention are not limited to the above description, and will be more easily understood in the course of describing specific embodiments of the present invention.

도 1 은 본 발명에 따른 철강 표면 산화철의 정량 분석 방법의 플로우 챠트이다.
도 2 는 표면 산화물을 정량 분석하기 위하여 철강 샘플을 전기분해하는 장치의 모식도이다.
도 3 은 철강 샘플의 표현 산화물층을 포함한 모재 표면으로부터 깊이방향으로의 철(Fe) 및 산소(O) 의 농도변화를 GD-OES를 이용하여 분석한 결과이다.
도 4 는 본 발명의 실시예에서 사용된 철강 샘플들의 기준값 및 예측값을 나타낸 그래프이다.
1 is a flow chart of a method for quantitative analysis of iron oxide on a steel surface according to the present invention.
2 is a schematic diagram of an apparatus for electrolyzing a steel sample in order to quantitatively analyze a surface oxide.
3 is a result of analyzing the concentration change of iron (Fe) and oxygen (O) from the surface of the base metal including the oxide layer of the steel sample in the depth direction using GD-OES.
4 is a graph showing reference values and predicted values of steel samples used in an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공하는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, embodiments of the present invention are provided in order to more completely describe the present invention to those with average knowledge in the art.

본 발명은 GD-OES(Glow Discharge Optical Emission Spectrometer) 와 같은 깊이 방향 조성 분석이 가능한 분석툴을 이용하여 철강 표면 산화층과 모재의 깊이 방향 원소의 농도 분포를 분석한 후 PLS-R(Partial Least Square Regression)와 같은 다변량 분석(Multivariate analysis)을 이용하여 철강 표면 산화층의 산화철의 양을 정량적으로 분석하는 방법이다. The present invention analyzes the concentration distribution of elements in the depth direction of the oxide layer on the steel surface and the base material using an analysis tool capable of analyzing the composition in the depth direction such as GD-OES (Partial Least Square Regression) This is a method of quantitatively analyzing the amount of iron oxide in the oxide layer on the steel surface using multivariate analysis such as.

보다 상세하게는 철강 표면 산화층을 포함한 표면의 원소 분포 프로파일과, 표면의 산화철을 추출하여 정량 분석한 결과를 다변량 분석함으로써 상관관계를 계산하여 예측 모델식을 구하고, 상기 예측 모델식을 이용하여 실제 공정 프로세스 중에도 표면 산화철량의 정량적인 결과를 얻을 수 있는 것을 특징으로 한다. In more detail, by calculating the correlation by multivariate analysis of the element distribution profile of the surface including the oxide layer on the steel surface and the result of quantitative analysis by extracting iron oxide on the surface, a prediction model equation is obtained, and the actual process using the prediction model equation It is characterized in that a quantitative result of the amount of surface iron oxide can be obtained even during the process.

도 1 에는 본 발명의 일 측면에 따른 철강 표면 산화철의 정량 분석 방법의 플로우 챠트가 도시되어 있다. 도 1 을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 분석 방법은 2 이상의 철강 샘플을 준비하고, 각각의 상기 철강 샘플의 표면 산화철을 정량 분석하여 학습 레이블을 구하는 제 1 단계; 각각의 상기 철강 샘플에 대하여 표면 산화층을 포함한 모재 표면으로부터 깊이 방향으로의 Fe 원소 농도 프로파일을 측정하여 학습 데이터를 구하는 제 2 단계; 상기 학습 레이블과 상기 학습 데이터를 기초로 다변량 분석(multivariate analysis)을 이용하여 상기 철강 샘플의 표면 산화철량과 상기 Fe 원소 농도 프로파일의 상관관계를 나타내는 예측 모델식을 수립하는 제 3 단계; 및 측정하고자 하는 철강의 표면으로부터 깊이 방향으로의 Fe 원소 농도 프로파일을 측정하고, 측정된 Fe 원소 농도 프로파일을 상기 예측 모델식에 대입하여 표면 산화철량의 예측값을 계산하는 제 4 단계;를 포함한다.1 is a flow chart of a method for quantitative analysis of iron oxide on a steel surface according to an aspect of the present invention. Referring to FIG. 1, the analysis method according to the present invention includes a first step of preparing two or more steel samples and quantitatively analyzing the surface iron oxide of each of the steel samples to obtain a learning label; A second step of obtaining learning data by measuring the Fe element concentration profile in the depth direction from the surface of the base metal including the surface oxide layer for each of the steel samples; A third step of establishing a prediction model equation representing a correlation between the amount of iron oxide on the surface of the steel sample and the concentration profile of the Fe element using a multivariate analysis based on the learning label and the learning data; And a fourth step of calculating a predicted value of the amount of iron oxide on the surface by measuring the Fe element concentration profile in the depth direction from the surface of the steel to be measured, and substituting the measured Fe element concentration profile into the prediction model equation.

제 1 단계 : 학습 레이블을 구하는 단계Step 1: getting the learning label

먼저 예측 모델식을 수립하기 위하여 2 이상의 철강 샘플을 준비하고, 종래 표면 산화철 정량 분석 방법인 선택적 추출 방법을 통해 철강 표면 산화철을 정량 분석하여 학습 레이블을 구한다. 보다 상세하게는 철강 표면 산화물을 전기화학적 방법을 이용하여 선택적으로 추출한 후 산화물 내 철 산화물을 정량분석한다.First, in order to establish a predictive model equation, two or more steel samples are prepared, and a learning label is obtained by quantitatively analyzing iron oxide on the steel surface through a selective extraction method, which is a conventional quantitative analysis method for surface iron oxide. In more detail, the iron oxide in the oxide is quantitatively analyzed after selectively extracting the steel surface oxide using an electrochemical method.

철강 표면 산화철의 정량 분석의 비제한적인 일 구현례로서, 도 2 에는 표면 산화물을 정량 분석하기 위하여 철강 샘플을 전기분해하는 장치가 도시되어 있다. 도 2 를 참조하여 설명하면, 분석 재료인 철강 샘플을 일정전류전해장치(galvanostat)에 부착하고 비수용성 전해액을 사용하여 전기분해시킨다. 이때 철강 샘플을 작업 전극(working electrode)로 하고, 반대편에 백금으로 된 상대 전극(counter electrode)을 두어 재료에 맞게 전류와 전하량을 가한다. 전해액은 종래 전기분해 방법에서 일반적으로 사용되는 비수용성 전해액이면 제한 없이 적용될 수 있고, 비제한적인 일 구현례로서 10%의 acetylacetone과 1%의 tetramethylammonium chloride를 메탄올에 녹여 만든 비수용성 전해액을 사용할 수 있다.As a non-limiting embodiment of the quantitative analysis of iron oxide on the surface of steel, FIG. 2 shows an apparatus for electrolyzing a steel sample in order to quantitatively analyze the surface oxide. Referring to Fig. 2, a steel sample, which is an analysis material, is attached to a galvanostat and electrolyzed using a non-aqueous electrolyte. At this time, the steel sample is used as a working electrode, and a platinum counter electrode is placed on the opposite side to apply current and electric charge according to the material. The electrolyte may be applied without limitation as long as it is a non-aqueous electrolyte generally used in the conventional electrolysis method, and as a non-limiting example, a non-aqueous electrolyte prepared by dissolving 10% of acetylacetone and 1% of tetramethylammonium chloride in methanol may be used. .

철강 샘플에서 충분하게 산화물이 추출되면, 멤브레인 필터를 이용하여 여과한다. 그리고 여과물을 종래 잘 알려진 방법에 따라 적절한 화학적 전처리 방법을 실시하여 분해한다. 비제한적인 일 구현례로서 상기 화학적 전처리는 여과물에 대해 알칼리 용융을 통하여 약 950℃에서 분해시킨 후 염산으로 처리할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.When the oxide is sufficiently extracted from the steel sample, it is filtered using a membrane filter. Then, the filtrate is decomposed by performing an appropriate chemical pretreatment method according to a known method. As a non-limiting embodiment, the chemical pretreatment may be performed with hydrochloric acid after decomposing the filtrate at about 950°C through alkali melting, but is not limited thereto.

이후 전처리를 마친 용액에 대해 ICP-OES, AAS 등의 분석장비를 이용하여 Fe 농도를 분석하고, 상기 Fe 농도를 산화철(FeO, Fe2O3, Fe3O4 등)의 농도로 추정하여 표면 산화철 정량값으로 환산하고, 이를 기준값으로 설정한다. 또한 각각의 철강 샘플에 대하여 상술한 방법에 따라 표면 산화철 정량값을 구하며, 상기 각 표면 산화철 정량값을 각 철강 샘플의 기준값으로 설정한다.Afterwards, the pretreated solution was analyzed for Fe concentration using analysis equipment such as ICP-OES and AAS, and the Fe concentration was estimated as the concentration of iron oxide (FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4, etc.) Converted to a quantitative value of iron oxide, and set it as a reference value. In addition, for each steel sample, a quantitative value of surface iron oxide is obtained according to the method described above, and the quantitative value of each surface iron oxide is set as a reference value of each steel sample.

제 2 단계 : 학습 데이터를 구하는 단계Step 2: obtaining training data

상기 각 철강 샘플에 대하여 표면 산화층을 포함한 모재 표면으로부터 깊이 방향으로 원소 농도 분석을 실시하여 원소 농도 프로파일을 측정하여 학습 데이터를 구한다. 이때 GD-OES를 이용하면 수십 나노미터 이하의 깊이 방향 공간 분해능으로 분석할 수 있기 때문에, GD-OES 장치를 사용하여 측정하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 측정하는 원소는 특별히 제한하지 않을 수 있으나, 산화철과 밀접한 관계가 있는 Fe 농도변화를 정확하게 분석하는 것이 바람직하며, Fe 및 O 의 농도변화를 함께 분석하는 것이 보다 바람직하다. 일례로서 도 3 에는 철강 샘플에 대해 GD-OES를 이용하여 Fe 및 O 의 농도변화를 분석한 결과가 도시되어 있다.For each of the steel samples, element concentration analysis is performed in the depth direction from the surface of the base metal including the surface oxide layer to measure the element concentration profile to obtain learning data. At this time, since GD-OES can be analyzed with a depth direction spatial resolution of several tens of nanometers or less, it is preferable to measure using a GD-OES device, but is not limited thereto. In addition, the element to be measured may not be particularly limited, but it is preferable to accurately analyze the change in the concentration of Fe, which is closely related to the iron oxide, and more preferably, analyze the change in the concentration of Fe and O together. As an example, FIG. 3 shows the results of analyzing the concentration change of Fe and O using GD-OES for a steel sample.

제 3 단계 : 예측 모델식 수립 단계Step 3: Establishing a prediction model formula

본 발명은 표면에 존재하는 철 산화층과 내부의 철 모재가 각각 깊이 방향으로 원소 농도 프로파일이 다른 차이가 있고, 이런 차이를 이용하여 다변량 분석으로 상관관계를 파악하여 분석하는 것을 특징으로 한다. 이를 위해 제 1 단계에서 구한 학습 레이블과 제 2 단계에서 구한 학습 데이터를 기초로 다변량 분석(multivariate analysis)을 통해 표면 산화철 정량값(기준값)과 원소 농도 프로파일 간의 상관관계를 도출하고, 이러한 상관관계에 기초하여 예측 모델식을 구한다.The present invention is characterized in that the iron oxide layer present on the surface and the iron base material inside each have different differences in element concentration profiles in the depth direction, and the correlation is identified and analyzed by multivariate analysis using this difference. To this end, a correlation between the quantitative value of surface iron oxide (reference value) and the element concentration profile is derived through multivariate analysis based on the learning label obtained in the first step and the learning data obtained in the second step. Based on this, a prediction model equation is obtained.

다변량 분석은 공지된 PLS-R, SVM, Random forest 등 다양한 모델이 사용될 수 있으며, “R", "Matlab", "Unscrambler X" 등 상용 프로그램을 통해 쉽게 계산할 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나 PLS-R 모델을 사용하여 예측 모델식을 구하는 것이 바람직하다. 다변량 분석 시 입력값(X)은 상기 제 2 단계에서 구한 각 철강 샘플의 원소 농도 프로파일(학습 데이터)이며, 출력값(Y)은 상기 제 1 단계에서 구한 각 철강 샘플의 표면 산화철 정량값(기준값)(학습 레이블)이 된다. 이때 모델식 수립을 위해서 최대한 많은 수의 철강 샘플을 사용할수록 정확한 예측값을 얻을 수 있으며, 최소 20개 이상이면 바람직하다.For multivariate analysis, various models such as known PLS-R, SVM, and random forest can be used, and can be easily calculated through commercial programs such as “R”, “Matlab”, and “Unscrambler X.” Although not limited thereto, PLS- It is preferable to obtain a predictive model equation using the R model. In the case of multivariate analysis, the input value (X) is the element concentration profile (learning data) of each steel sample obtained in the second step, and the output value (Y) is the first It becomes the quantitative value (reference value) (learning label) of the surface iron oxide of each steel sample obtained in the step, in which the more the number of steel samples as possible to establish the model formula, the more accurate the predicted value can be obtained, and at least 20 is preferable. .

한편 PLS-R 모델을 사용할 경우, 최적화된 PC(principal component)의 개수 선택이 중요하다. 너무 많은 수의 PC 를 사용할 경우 회귀선의 직선성은 좋을 수 있으나 over-fitting의 문제가 될 수 있다. 따라서 상기 PC 의 개수는 예측값의 오차 범위를 고려하여 3~5개인 것이 바람직하다.Meanwhile, when using the PLS-R model, it is important to select the number of optimized PCs (principal components). If too many PCs are used, the linearity of the regression line may be good, but it may be a problem of over-fitting. Therefore, the number of PCs is preferably 3 to 5 in consideration of the error range of the predicted value.

비제한적인 일 구현례로서 상기 예측 모델식은 하기의 식 1 과 같이 표시될 수 있다. As a non-limiting example, the prediction model equation may be expressed as Equation 1 below.

[식 1] Y=XB[Equation 1] Y=XB

여기서 X는 시료별 GD-OES로 측정된 깊이방향으로의 Fe 원소 농도 프로파일(학습 데이터)의 행렬이고, Y는 시료별 ICP-OES로 측정된 기준값(학습 레이블)의 행렬이다. B 는 X 와 Y 사이의 상관관계를 표현하는 행렬로써, 훈련 데이터(GD-OES 결과)와 레이블 값(ICP-OES의 기준값)을 PLS-R 알고리즘을 통하여 구한다. 알고리즘은 PCR, SVR 등 다양한 머신러닝(다변량 분석) 알고리즘을 사용할 수 있다.Here, X is the matrix of the Fe element concentration profile (learning data) in the depth direction measured by GD-OES for each sample, and Y is the matrix of the reference value (learning label) measured by ICP-OES for each sample. B is a matrix that expresses the correlation between X and Y, and training data (GD-OES result) and label value (ICP-OES reference value) are obtained through the PLS-R algorithm. As the algorithm, various machine learning (multivariate analysis) algorithms such as PCR and SVR can be used.

제 4 단계 : 예측 모델식을 기초로 제조 중인 철강의 표면 산화철량을 예측하는 단계Step 4: Predicting the amount of iron oxide on the surface of the steel being manufactured based on the prediction model equation

이후 측정하고자 하는 제조 중인 철강의 표면으로부터 GD-OES 등의 장치를 이용하여 깊이 방향으로의 Fe 원소 농도 프로파일을 측정한다. 그리고 상기 측정된 Fe 원소 농도 프로파일을 상기 예측 모델식에 대입하여 표면 산화철량의 예측값을 구할 수 있다.Thereafter, the Fe element concentration profile in the depth direction is measured from the surface of the steel being manufactured to be measured using a device such as GD-OES. In addition, by substituting the measured Fe element concentration profile into the prediction model equation, a predicted value of the amount of surface iron oxide may be obtained.

본 발명에 의하면 GD-OES 등의 빠른 분석방법을 통해 철강 표면의 산화물량을 예측할 수 있으며, 기존 8시간 이상 소요되던 분석 시간을 10분 이내로 단축할 수 있었다.According to the present invention, the amount of oxides on the steel surface can be predicted through a fast analysis method such as GD-OES, and the analysis time, which previously took more than 8 hours, can be reduced to within 10 minutes.

예측 모델식의 검증Validation of predictive model equation

상기 제 3 단계에서 구한 예측 모델식은 종래 잘 알려진 검증 방법에 의해 그 정확도를 평가할 수 있다. The prediction model equation obtained in the third step can be evaluated for its accuracy by a conventionally well-known verification method.

다만 비제한적인 일 구현례로서 본 발명에서는 예측 모델식에 의해 계산된 예측값(y예측값)과, 종래 방법인 전해 추출로 얻은 표면 산화철 정량값(y기준값)의 차이를 통해 예측값의 정확성을 검증하였다. However, as a non-limiting example, in the present invention, the accuracy of the predicted value was verified through the difference between the predicted value (y predicted value ) calculated by the predictive model equation and the surface iron oxide quantitative value (y reference value ) obtained by electrolytic extraction, which is a conventional method. .

본 발명에서 예측값의 성능은 검량선의 R-제곱값이 아닌 하기 식 2 로 표현되는 MAPE (mean absolute percentage error, 평균 절대 백분율 오차)로 확인을 하였으며, MAPE 결과가 작을수록 예측값이 기준값과 잘 일치한다고 판단할 수 있고, 상기 MAPE 값이 15% 이하인 것이 바람직하다.In the present invention, the performance of the predicted value was confirmed by the MAPE (mean absolute percentage error, mean absolute percentage error) expressed by the following equation 2, not the R-square value of the calibration curve, and the smaller the MAPE result, the better the predicted value matches the reference value. It can be determined, and the MAPE value is preferably 15% or less.

[식 2]

Figure 112018126476425-pat00002
[Equation 2]
Figure 112018126476425-pat00002

비제한적인 일 구현례로서 철강 샘플에 대하여 GD-OES로 분석하여 깊이 방향으로의 Fe 원소 농도 프로파일을 측정하고 이를 예측 모델식에 대입하여 예측값을 구하고 이를 테스트 데이터(y예측값)로 한다. 다음 동일한 철강 샘플에 대하여 종래 방법인 ICP-OES 를 이용한 산화철 정량 분석을 실시하고 그 결과를 테스트 레이블(y기준값)로 한다. 2 이상의 n개 철강 샘플에 대하여 동일한 작업을 실시한 후 상기 식 2 에 대입하여 MAPE 를 구하여 예측 모델식의 성능을 평가할 수 있다.As a non-limiting embodiment, a steel sample is analyzed by GD-OES to measure the Fe element concentration profile in the depth direction, and then a predicted value is obtained by substituting it into a prediction model equation, and this is used as test data (y predicted value ). Next, a quantitative analysis of iron oxide using ICP-OES, a conventional method, is performed on the same steel sample, and the result is taken as a test label (y reference value ). After performing the same operation on two or more n steel samples, it is possible to evaluate the performance of the predictive model equation by substituting it into Equation 2 to obtain the MAPE.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, it should be noted that the following examples are only for exemplifying the present invention and not for limiting the scope of the present invention. This is because the scope of the present invention is determined by matters described in the claims and matters reasonably inferred therefrom.

(실시예)(Example)

먼저 30개의 철강 샘플을 준비하고, 각 철강 샘플에 대해 종래 전기분해 방식으로 철강 표면 산화철 정량 분석을 실시하고 그 결과(기준값)를 하기 표 1 에 나타내었다. 이후 각 철강 샘플에 대해 GD-OES 로 표면으로부터 깊이방향으로 Fe 농도 분석을 실시하여 Fe 원소 농도 프로파일을 구하였으며, 철강 표면 산화철 정량값 및 Fe 원소 농도 프로파일을 기초로 다변량 분석(PLS-R)하여 예측 모델식을 도출하였다. 도출된 예측 모델식을 이용하여 각 철강 샘플에 대해 예측값을 계산하였으며, 이를 이용하여 MAPE 값을 구하고 15% 이하를 만족함을 확인하였다.First, 30 steel samples were prepared, and each steel sample was subjected to quantitative analysis of iron oxide on the steel surface by a conventional electrolysis method, and the results (reference values) are shown in Table 1 below. Afterwards, Fe concentration analysis was performed from the surface to the depth direction with GD-OES for each steel sample to obtain the Fe element concentration profile, and a multivariate analysis (PLS-R) based on the quantitative value of iron oxide on the steel surface and the Fe element concentration profile was performed. The prediction model equation was derived. The predicted value was calculated for each steel sample using the derived predictive model equation, and the MAPE value was calculated using this, and it was confirmed that it satisfies 15% or less.

철강 샘플Steel samples 기준값(g/㎡)Reference value (g/㎡) 예측값(g/㎡)Predicted value (g/㎡) MAPEMAPE 샘플 1Sample 1 0.3780.378 0.3330.333
5.1%

5.1%
샘플 2Sample 2 0.3110.311 0.2960.296 샘플 3Sample 3 0.2760.276 0.3020.302 샘플 4Sample 4 0.2880.288 0.3080.308 샘플 5Sample 5 0.2430.243 0.3010.301 샘플 6Sample 6 0.2980.298 0.2870.287 샘플 7Sample 7 0.2620.262 0.2930.293 샘플 8Sample 8 0.3070.307 0.3100.310 샘플 9Sample 9 0.2740.274 0.2760.276 샘플 10Sample 10 0.2790.279 0.2970.297 샘플 11Sample 11 0.2180.218 0.2450.245 샘플 12Sample 12 0.3020.302 0.2820.282 샘플 13Sample 13 0.3340.334 0.2800.280 샘플 14Sample 14 0.3120.312 0.3050.305 샘플 15Sample 15 0.3220.322 0.2930.293 샘플 16Sample 16 0.1130.113 0.1190.119 샘플 17Sample 17 0.1620.162 0.1240.124 샘플 18Sample 18 0.1040.104 0.1260.126 샘플 19Sample 19 0.1360.136 0.1410.141 샘플 20Sample 20 0.0950.095 0.1230.123 샘플 21Sample 21 0.1110.111 0.1380.138 샘플 22Sample 22 0.1100.110 0.1060.106 샘플 23Sample 23 0.0800.080 0.1000.100 샘플 24Sample 24 0.1110.111 0.1200.120 샘플 25Sample 25 0.1420.142 0.1040.104 샘플 26Sample 26 0.1120.112 0.1030.103 샘플 27Sample 27 0.1250.125 0.1170.117 샘플 28Sample 28 0.1010.101 0.1100.110 샘플 29Sample 29 0.0880.088 0.1010.101 샘플 30Sample 30 0.1210.121 0.1240.124

다음으로 다른 철강 샘플 4 개를 준비한 후, 이번에는 GD-OES 로 표면으로부터 깊이방향으로 Fe 농도 분석을 실시하여 Fe 원소 농도 프로파일을 구한 뒤 이를 상기 예측 모델식에 대입하여 예측값을 계산하였다. 또한 종래 방법으로 표면 산화물 정량 분석을 실시한 뒤 상기 예측값과 비교하였으며, 그 결과를 하기 표 2 에 나타내었다.Next, after preparing four other steel samples, this time, Fe concentration analysis was performed from the surface to the depth direction with GD-OES to obtain the Fe element concentration profile, and then substituting it into the prediction model equation to calculate the predicted value. In addition, after performing the quantitative analysis of the surface oxide by the conventional method was compared with the predicted value, the results are shown in Table 2 below.

철강 샘플Steel samples 예측값(g/m2)Predicted value (g/m 2 ) 전기분해에 의한
표면 산화철 정량값
(g/m2)
Electrolytic
Quantitative value of surface iron oxide
(g/m 2 )
차이
(%, 편의)
Difference
(%, Convenience)
샘플 31Sample 31 0.3270.327 0.3420.342 4.64.6 샘플 32Sample 32 0.2950.295 0.2680.268 9.19.1 샘플 33Sample 33 0.2690.269 0.2760.276 2.62.6 샘플 34Sample 34 0.1300.130 0.1260.126 3.23.2

상기 표 2 에서 볼 수 있는 바와 같이, 예측 모델에 의한 예측값들의 MAPE는 3.9%로써 본 발명의 정량 분석 방법에 따르면 높은 정확도로 빠르고 신속하게 철강 표면 산화철의 정량값을 예측할 수 있는 것을 확인할 수 있다.As can be seen in Table 2, the MAPE of the predicted values by the predictive model is 3.9%, and according to the quantitative analysis method of the present invention, it can be confirmed that the quantitative value of iron oxide on the steel surface can be predicted quickly and quickly with high accuracy.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의기술자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although it has been described with reference to the above embodiments, it will be understood that a person skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims. I will be able to

Claims (5)

2 이상의 철강 샘플을 준비하고, 철강 표면 산화물을 전기화학적 방법으로 선택적으로 추출하여 그 추출성분을 분석함으로써, 각각의 상기 철강 샘플의 표면 산화철을 정량 분석하여 학습 레이블을 구하는 제 1 단계;
각각의 상기 철강 샘플에 대하여 표면 산화층을 포함한 모재 표면으로부터 깊이 방향으로의 Fe 원소 농도 프로파일을 측정하여 학습 데이터를 구하는 제 2 단계;
상기 학습 레이블과 상기 학습 데이터를 기초로 다변량 분석(multivariate analysis)을 이용하여 상기 철강 샘플의 표면 산화철량과 상기 Fe 원소 농도 프로파일의 상관관계를 나타내는 예측 모델식을 수립하는 제 3 단계; 및
측정하고자 하는 철강의 표면으로부터 깊이 방향으로의 Fe 원소 농도 프로파일을 측정하고, 측정된 Fe 원소 농도 프로파일을 상기 예측 모델식에 대입하여 표면 산화철량의 예측값을 계산하는 제 4 단계;
를 포함하는 철강 표면 산화철의 정량 분석 방법.
A first step of preparing two or more steel samples, selectively extracting a steel surface oxide by an electrochemical method, and analyzing the extracted component, to quantitatively analyze the surface iron oxide of each of the steel samples to obtain a learning label;
A second step of obtaining learning data by measuring the Fe element concentration profile in the depth direction from the surface of the base metal including the surface oxide layer for each of the steel samples;
A third step of establishing a prediction model equation representing a correlation between the amount of iron oxide on the surface of the steel sample and the concentration profile of the Fe element using a multivariate analysis based on the learning label and the learning data; And
A fourth step of calculating a predicted value of the amount of surface iron oxide by measuring the Fe element concentration profile in the depth direction from the surface of the steel to be measured, and substituting the measured Fe element concentration profile into the prediction model equation;
Quantitative analysis method of iron oxide on a steel surface comprising a
제 1 항에 있어서,
상기 예측 모델식은 하기 식 2 로 표현되는 MAPE 값이 15% 이하인 것을 특징으로 하는 철강 표면 산화철의 정량 분석 방법.
[식 2]
Figure 112018126476425-pat00003

(여기서, y기준값 은 종래 추출 방법에 의한 정량 분석값이고, y예측값 은 상기 예측 모델식에 의해 계산된 예측값이며, n 은 분석에 사용한 샘플 수이다.)
The method of claim 1,
The predictive model formula is a method for quantitative analysis of iron oxide on the surface of steel, characterized in that the MAPE value represented by the following Equation 2 is 15% or less.
[Equation 2]
Figure 112018126476425-pat00003

(Here, y reference value is a quantitative analysis value by a conventional extraction method, y predicted value is a predicted value calculated by the above prediction model equation, and n is the number of samples used for analysis.)
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 단계 또는 상기 제 4 단계에서의 깊이 방향 Fe 원소 농도 프로파일은 GD-OES를 이용하여 분석하는 것을 특징으로 하는 철강 표면 산화철의 정량 분석 방법.
The method of claim 1,
A method for quantitative analysis of iron oxide on a steel surface, characterized in that the depth-direction Fe element concentration profile in the second step or the fourth step is analyzed using GD-OES.
제 1 항에 있어서,
상기 다변량 분석은 PLS-R 모델인 것을 특징으로 하는 철강 표면 산화철의 정량 분석 방법.
The method of claim 1,
The multivariate analysis is a method for quantitative analysis of iron oxide on a steel surface, characterized in that the PLS-R model.
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