论直读光谱法测定钢铁中碳硫元素结果的准确性

2020-12-08付春梅

中国金属通报 2020年12期

付春梅

（西宁特殊钢股份有限公司，青海西宁 810001）

1 直读光谱仪与直读光谱仪原理

1.1 直读光谱仪

直读光谱仪又被称之为原子发射光谱仪，简称OES，其是在二战后期衍生的一种元素分析设备，目的是满足二战后欧洲一些国家钢铁生产的需要。当时直读光谱仪较为笨重，占地面积较大，直到上世纪60年代后，计算机技术的进步，才使得直读光谱仪得到了优化，解决了传统应用中的问题，提升自动化水平，为现代钢铁企业冶炼生产提供保障[1]。

1.2 直读光谱仪原理

直读光谱仪利用的是原子发射光谱分析原理，具体流程为：样品在电弧或电火花作用下生成原子蒸汽，蒸汽被计划后会产生不同的发射光谱，这些发射光谱会通过光导纤维快速传递到光谱仪中，利用分光室内的色散仪将不同波段的射线光谱，传入光管内完成测量，按照光谱强度正比值及内部预制校准曲线即可了解被测样品中元素种类和含量。最终结果会以百分比形式展现出来。

现代直读光谱仪按照工作原理可分为经典光谱仪和新型光谱仪两种。前者利用经典空间色散原理识别元素，确定含量，属于狭缝光谱仪；后者是借助调制原理来达到检测目标，属于分光光谱仪。

2 碳元素分析中影响准确性的因素

2.1 试验分析

一是仪器准备。本次检测工作中，采用瑞士生产的ARL4460型光谱仪，特点为：可检测25种之多的元素，可测定酸溶铝和酸溶硼，不过对工作环境温湿度有要求，温度应控制在15～30℃之间，湿度在80%以上，要求在仪器使用时温差变化不得超过5℃。二是分析要求。氩气浓度大于99.995%、输入压力0.20MPa～0.30MPa、钨电极，顶角9O°、分析间隙3mm。CS-901B红外碳硫分析仪要求载气为氧气，分析时间30秒，助熔剂为钨粒。三是实验方法。分别选取标准和待测样品，并实施打磨处理。实验中先对标准样品实行平行激发，按照标准曲线校正分析曲线。再对待测样品进行平行激发，获取平均值完成对比分析。两组样品均平行激发3次[2]。

2.2 结果与讨论

2.2.1 条件选择

预燃、冲洗和曝光时间。在对中低合金钢样品检测中，直读光谱仪的出厂时间设定在25秒，其中冲洗时间10秒，预燃7秒，曝光8秒。之后以单因素实验的方式，实施样品检测。参数调整完成后，将其放入到YSB178a-2045钢光谱控样内，检测参数精准度。在钢光谱控样中，平行激发次数约10次，记录每次所得数值，最终计算得出平均值、标准偏差、相对标准偏差。实验结果可知，将出厂设备参数下调，可缩短单样分析时间，提高分析效率，保证精准度。如将冲洗缩短到2秒，预燃缩短到6秒、曝光缩短到3秒，单样分析缩短14秒，分析速率提高56。

2.2.2 氩气纯度与流量

在直读光谱分析中，氩气含量不足会增加氧气对谱线的吸收，进而降低谱线强度，影响结果准确性。尤其是在对碳、硫等元素分析中，这些元素均处于紫外线区，一旦氩气不足，谱线会直接被氧气吸收变淡，最终得到的含量检测结果会偏低。为此，在碳、硫元素检测中，要在高纯度（近100%）的环境下进行。氩气环境可利用氩气提纯或流量增加两种方式实现。前者简单，只需使用精纯氩气即可。后者因涉及到放电冲击能力的强弱，在设置中，需结合实际情况予以科学处理。需注意的是冲击力过高或过低，都会影响样品检测质量，影响最终检测结果。冲击力过低，样品表面附着的化合物或气体难以及时清除，阻碍激发效用，进而造成放电不稳定，增加检测重复性；若冲击能力过大，易使火花产生跳动，同样造成放电不稳定，浪费氩气。

为提高分析结果的精度，用随机所带的超低碳、硫、磷工作曲线来考察氩气流量对测定的影响。综合实验结果了解到，氩气或流量合适的环境下，可精准测得碳元素含量，对硫元素的影响不明显[3]。

2.2.3 试样制备

上文提过，试样表面会对激发效果带来影响，为改善检测结果精确度，需对选择样品实施科学处理，减少表面杂质附着量；试样大小尺寸需与激发台相符，注重激发面覆盖的全面性；试样表面纹路应清晰、不可太光滑但也不能存在过多的纵横交叉面。采用常规的砂纸制样时，试样需研磨到一定深度才能有效去除试样表面缺陷。如试样加工时间较长，会使试样表面过热，降低分析结果准确度。此外，在试验中了解到，试样表面温度变化也会对最终分析结果带来影响，降低最终检测精准度。在试验中，分别选择两块试验，一个表面用砂轮机处理，一个表面未经任何处理。对比分析后发现，前者在温度控制上效果明显，且纹路清晰，不容易受到不良因素的影响，可加强碳元素检测含量的准确性，而后者存在变数较多，最终准确性有待考量。

2.3 碳元素检测中的影响因素

一是温度变化。试样制备中，样片表面温度会快速升高，此时应采取冷却降温措施。对于含碳量较高的试样，冷却时，注意缓慢匀速进行，过激动作会破坏表面发光效果，造成发光不良或不发光情况。样品制备中，温度最好控制在40℃以内，注重样品纹路的清洗，以完成光谱转化和识别，增强最终分析结果的有效性。检测中发现，碳的分析值远远低于钻芯取样的红外吸收法的碳测定结果，原因是试样的脱碳层较厚，为保证检测结果的准确性，宜将断面作为试样的激发面。

二是铝含量影响。铝含量过高时，碳元素最终测定结果会高于实际值。这是因为碳的原子线为193.090NM，铝的原子线为193.003NM，在直读光谱测定时，铝的原子线会增大碳的原子线强度，使最终结果高于实际值。同时，铝含量过高，激发中造成扩散放电，最终检测结果偏高。

三是环境温度影响。外界温度升高，尤其是在夏季，样品表面温度升高，无法被完全激发，使得最终检测结果高于实际含量。如果具备空调系统，可将室内温度调至25℃，以加强检测准确性。根本原因是温度的变化会使工作曲线产生漂移，故在不同季节温度变化较大时，要尽量保持仪器工作环境恒温，及时做完全标准化对工作曲线予以校正。每8h做一次标准化校正，分析结果即能满足准确度要求。

2.4 硫元素的影响因素

硫元素因谱线波长较短，影响因素多，识别难度大，使得最终检测结果准确性受到影响，在实际作业中，一般会以红外碳硫仪辅助直读光谱仪共同开展检测工作，但这样检测效率会有所降低。硫的影响因素如下。

2.4.1 样品组织结构

检测中选用样品有两种，标准样品和样品。标准样品是按照国际标准样品要求制作的，以锻造、轧制结构为主；样品是以浇铸形态出现的。两者虽然选材相同，但制作工艺明显不同，组织结构与性能会存在差异，受光源侵蚀后谱线反射会存在较大差异，使最终分析结果存疑。尤其是在硫元素检测中，因其自身特征影响，最终检测结果与实际含量存在偏差。为消除组织结构不同造成的影响，在光谱分析中采取如下措施：在原校准曲线的基础上，根据样品特点制作现场校准曲线；用控制样品进行类型标准化，用控制样品类型标准化后的曲线实行样品分析。

2.4.2 样品制备

要想加强硫元素检测结果精确性，在样品制备中，表面不得附着多余杂质，纹路要清晰，无砂眼、气孔等问题。一个条件不满足，光谱分析值和红外吸收值都将出现较大偏差。样品打磨时应注意不得过于光滑。另外，试样打磨后的冷却过程，是由外至内逐渐冷却的，由于中心温度高于边缘温度，硫向中心富集造成偏析，易使测定结果偏差较大。因此在制取试样时要缓冷，避免急冷。

2.4.3 温度控制

温度过高，检测值会高于实际值。因此，检测前，需测定温度，或对样品实施冷却处理，达到标准要求后，开展检测工作。硫是钢中易偏析的元素，分析时应至少激发3个点，激发点要分布均匀。试样中采用上述措施，硫量的分析准确度提高，抽取120组硫的光谱分析值与红外吸收法分析值比对。

3 特殊形状的光谱分析

3.1 形状处理

特殊形状试样单靠打磨是很难打造出适合激发的面或者固定在激发台上的，应先处理再使用。不同形状试样的处理方式为：曲率半径小的试样直接压扁，形成一个完整平面，之后实施检测。厚度在5mm以下的试样，利用夹具固定切割出一个完整平面，打磨处理后应用；对于厚度小于5mm的不锈钢试样，将其切割成一定面积的小试样后，固定在两侧带有螺丝固定的凹槽夹具上完成打磨；对于直径大于3mm的焊丝或焊条进行轻微冲击压扁后，再开展光谱分析。