钢铁企业中X射线荧光光谱分析实验室的配置与设计

(中冶赛迪重庆环境咨询有限公司，重庆 400013)

X射线荧光光谱分析是一种非破坏性的现代仪器分析方法，它具有分析速度快、可分析元素范围广、分析结果准确稳定、分析样品状态及形状多样等优点，在冶金、地质、石油化工、建材、环境等领域具有广泛的应用[1]。本文介绍了钢铁企业中X射线荧光光谱分析实验室的设备配置及设计要求。

1 X射线荧光光谱分析基本原理

在X射线管内，一束电子流高速撞击阳极金属靶表面，产生初级X射线，当初级X射线照射到试样表面时，激发原子中内层能级上的电子并使其跃迁形成空位，立即可由外层较高轨道上的电子来填充，多余的能量以X射线光子的形式释放出来，即产生荧光X射线，也称为次级X射线[1]。由于X射线荧光产生于原子内层电子的跃迁，因此这种跃迁只能产生有限的几组谱线，即特征X射线。根据特征X射线的波长和强度，对被测试样中元素进行定性和定量分析。

实际上试样往往是由多种元素组成的，因此会产生各种特征X射线，所以需要采用各种分光晶体把各种特征X射线波长分开在不同的衍射角上，根据布拉格定律[1]可知：

2dsinθ=nλ

(1)

式中：d：分光晶体的晶面间距；

θ：衍射角；

n：衍射线级次，n =1，2…，n为整数；

λ：特征X射线的波长。

d为已知，θ角可从仪器上直接读出，因此可求出λ的值。布拉格定律是X射线定量分析的基础，根据特征X射线强度与相应元素含量之间的关系，可以进行元素的定量分析[1]。特征X射线的强度与分析元素的质量百分含量之间的关系可用下式表示[2]：

Ii=KCi/μm

(2)

式中：Ii：特征X射线的强度；

K：常数，与入射线强度和分析元素对入射线的质量吸收系数有关；

Ci：分析元素的质量百分含量；

μm：试样对初级X射线和荧光X射线的总质量吸收系数。

根据莫塞莱定律[1]，原子序数与特征X射线波长之间的数学关系式如下：

(3)

式中：λ：特征X射线的波长；

K、S：与线系有关的常数；

Z：原子序数。

只要测出了特征X射线的波长，就可以求出产生该波长的元素，即可做定性分析[2]。所以莫塞莱定律是X射线定性分析的基础。

X射线荧光光谱仪分析原理如图1(以波长色散型为例)。

2 X射线荧光光谱分析在钢铁企业的应用范围

由于XRF在主次量元素分析上的无可比拟的优势，以及X射线荧光光谱仪器的发展，XRF已经成为一门成熟的成分分析技术[1]。近年来，XRF在钢铁冶金分析方面发挥了重大作用，它是钢铁生产过程和质量控制的主要手段，应用于冶金物料、过程产品和成品等的检测分析。钢铁企业中采用X射线荧光光谱分析的主要品种及分析项目见表1。

X射线荧光光谱分析除了表1所列品种的成分外，还可分析冷轧钢板表面的镀层或涂层厚度。

表1 X射线荧光光谱分析的主要品种及分析项目

3 X射线荧光光谱分析实验室的设备配置

3.1 X射线荧光光谱分析在钢铁企业的分析流程

以上各品种的成分分析，在实验室一般采用仪器分析为主、湿法化学分析为辅的原则来进行分析流程设计。仪器分析主要采用X射线荧光光谱分析为主，再辅以红外碳硫分析、等离子体发射光谱或原子吸收分光光谱分析。

3.1.1 原材料样、渣样及杂辅料成分分析工艺流程

主要品种的X射线荧光光谱分析工艺流程见图2。

图2 原材料样、渣样及杂辅料成分分析工艺流程

3.1.2 铁水样、锌液样成分分析工艺流程(图3)

图3 铁水样、锌液样成分分析工艺流程

3.1.3 钢材成分分析工艺流程(图4)

图4 钢材成分分析工艺流程

3.2 X射线荧光光谱分析实验室设备的选型配置

X射线荧光光谱分析实验室的设备选型应以技术先进成熟可靠、操作快速方便为原则，具体选型立足于国产，对国内尚无成熟技术的关键性仪器设备采用国外引进[3]。因此X射线荧光光谱仪采用国外引进，成分制样设备采用国产。

3.2.1 X射线荧光光谱仪

钢铁企业分析所用的X射线荧光光谱仪主要为波长色散型，它可以分为多道同时型、扫描型和多道与扫描型相结合的光谱仪。多道同时型适用于相对固定组成和大批量试样分析，具有分析元素固定、检测速度快、校正软件简单、仪器价格便宜等优势，缺点是除仪器选定元素外，其它元素无法检测[2]；扫描型适用于科研及多用途的工作，拥有90多个元素的分析能力，具有定量和半定量分析能力，对检测成分复杂、小批量试样、特殊元素多的材料起到很重要作用，缺点是仪器造价高、分析软件复杂等[2]；多道与扫描型相结合则结合了两者的优点[1]。目前，钢铁企业中一般根据实验室承担的具体分析项目，选择同时配置多道同时型和扫描型两种，但以配置多道同时型为主。

X射线荧光光谱仪由激发样品的光源、色散系统、探测系统、谱仪控制和数据处理等几部分组成[1]。示意图见图5。

图5 波长色散型X射线荧光光谱仪图示

目前，X射线荧光光谱仪的生产商很多，但五大生产商(瑞士的Thermo Fisher、荷兰的Panalytical、德国的Bruker、日本的Rigaku和Shimadzu)基本瓜分了全球的冶金、矿产、机械、建材等行业的用户[4]，用户可根据自身情况合理选择生产商及型号。

另外，X射线荧光光谱分析配套的稳压电源、循环水冷却装置需与X射线荧光光谱仪成套配置。

3.2.2 成分制样设备

采用X射线荧光光谱分析的制样方法有粉末压片法、玻璃熔融法和切削打磨法。粉末压片法适合分析厂内的生产样，该方法简单快速，但矿物效应和粒度效应突出，准确度较差[5]；玻璃熔融法适合在对外结算等准确度要求较高的品种，该方法分析结果准确可靠，能有效克服样品的矿物效应和粒度效应，同时降低基体的影响[5]；切削打磨法适合对块状金属试样的检测，该方法具有样品处理简单、分析速度快、结果准确等优点[2]。

(1)原材料、炉渣及杂辅料试样制样设备

铁矿石、熔剂、铁合金及炉渣一般为块状，需先经破碎机和粉碎机破碎成一定粒度的粉末，然后采用玻璃熔融法或粉末压片法制备成分析薄片。

对外购的铁矿石、熔剂、铁合金等，采用玻璃熔融法进行制备，配置的制样设备为：鄂式破碎机、密封式制样粉碎机、快速熔样机等；对钢铁企业自己生产的烧结矿、球团矿，以及生产过程中产生的炉渣，采用粉末压片法进行制备，配置的制样设备为：鄂式破碎机、密封式制样粉碎机、压片机等。根据品种的粒度大小，选择开口尺寸相匹配的颚式破碎机；配置密封式制样粉碎机时要注意料钵的材质，铁合金试样需配备碳化钨料钵，其它试样配备高锰钢料钵；压片机一般选择最大压力为40t或60t。

耐火材料和杂辅料一般粉末状，制样比较简单。耐火材料采用玻璃熔融法，配置快速熔样机；杂辅料采用粉末压片法，配置压片机。

(2)铁水、锌液试样制样设备

采取铁水和锌液试样时，一般需采用模具或取样器，将采取的液态冷凝至固态。进行成分试样制备时，采用切削打磨法，根据试样的具体形状配置制样设备。

试样形状为柱状时，配置的制样设备为：切割机、磨样机或铣样机。试样形状为球拍状时，配置的制样设备为：剪柄机、磨样机或铣样机。关于磨样机的选择，与炼钢合建实验室时，由于试样量大，可配铣样机和磨样机；不考虑炼钢时，配置磨样机即可。

(3)钢材试样制样设备

钢材为轧钢生产线的产品，由于需要检测拉伸、弯曲、金相等物理性能，因此制备成分分析试样时，可利用那些物理性能检测试样。粗加工的制样设备利用轧钢实验室配置的剪板机、锯床、铣床、磨床等，然后送至X射线荧光光谱仪所在的实验室进行磨削加工。因此只需配置磨样机即可。

冷轧钢板表面的镀层或涂层厚度检测试样制样设备与钢材试样制样设备基本上一致。对薄板还可配置冲床。

4 X射线荧光光谱分析实验室设计的注意事项

根据钢铁企业实验室规划方案，X射线荧光光谱分析实验室可安排在铁前检化验中心、铁钢分析中心、成品试验中心或者中心实验室等，X射线荧光光谱分析实验室主要包括X荧光分析室(与其它大型仪器共用实验房间时可命名为仪器分析室)、熔融压片室、试样制备室和辅助室等。实验室设计时要注意以下要求：

(1)实验室位置

实验室位置要尽量远离污染源、振源、电磁源，避免或减少对精密仪器分析结果的影响；朝向采用南北朝向，避免阳光向精密仪器直射[6]。

(2)实验室房间布置

X荧光分析室设置在实验室的一楼为宜，辅助室紧邻布置，其它房间尽量与之临近布置。

(3)建筑、结构

各房间地坪负荷应不低于800kg/m2；试样制备室为水磨石地坪，其它房间为耐磨防滑地板砖地坪，X荧光分析室需考虑防振措施；各房间的墙面一般刷白色优质涂料，试样制备室易产尘，便于墙面清洁，可采用高1.2m～1.5m的油漆墙裙；试样制备室不设吊顶，天棚刷白色优质涂料，其它房间一般设吊顶，吊顶后净高不低于3.2m；小房间设单开门，门宽为1m；大房间设双开门，门宽为1.5～2.0m。

(4)通风设施

X射线荧光光谱仪对环境温度和湿度都有一定的要求，因此设计X荧光分析室时要求室内温度23±5℃，相对湿度不大于70%；熔样机在工作中会产生高温废气，需要单独设计局部排风装置抽至室外；破碎机在工作时会产生粉尘，需根据设备除尘要求设计除尘器；辅助室布置X射线荧光光谱仪配套的循环水冷却装置和P10气瓶，需设计间断性通风换气设施。

(5)供配电设施

实验室应设置双路电源供电，应设单相220V/三相380V交流电源，三相五线制，50Hz，电压波动小于±10%；X射线荧光光谱仪应单独接地，接地电阻≤1Ω；X射线荧光光谱仪配套的稳压电源应为UPS电源，另设计断电保护装置，避免突然断电对仪器造成损坏；实验室所有开关和电源插座都应设置静电接地系统；实验室采用日光灯照明，照度不低于300Lx。

5 结束语

X射线荧光光谱分析适用于固态、液态、粉末等多种材料中多元素的快速分析，已逐渐成为钢铁生产中的一种重要分析检测手段，为钢铁企业把好质量关起到了重要作用。针对不同形状的试样选择不同的分析流程、制样方法及设备，可以为企业创造更好的经济效益。通过对X射线荧光光谱分析的工艺流程、实验室设备选型配置，以及实验室设计应注意事项等的总结，为实验室建设及管理提供了可靠的资源。

[1]王立新. 冶金仪器分析技术与应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2010：213-215.

[2]程张生,胡述戈,等. X射线荧光光谱分析技术在质量检测中的应用探讨[J]. 河南冶金, 2014,22(5): 25-27.

[3]李 江. 钢铁企业环境监测站设计探讨[J]. 分析试验室, 2009,28(b05): 316.

[4]曲月华,王一凌. X射线荧光光谱分析技术 [J]. 鞍钢技术, 2013,3: 10.

[5]覃丹柳,钟梅英,郑卫红. 钴内标X射线荧光光谱分析法在铁矿石分析中的应用 [J]. 柳钢科技, 2013,2: 39.

[6]骆巨新. 分析实验室装备手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2003：15.