X射线荧光光谱分析技术在质量检测中的应用研究

2020-12-08陈万斌

中国金属通报 2020年12期

陈万斌

（西宁特殊钢股份有限公司，青海西宁 810001）

1 X射线荧光理论

X射线是利用特征X射线的一些特殊性完成基本操作的，其特殊性可体现在力量、概率等方面上，操作完成后获得的相关数据，可被直接应用在分析设计中，对于产品研发和设计有着促进作用。而X射线荧光理论是由莫斯提出的较为复杂的理论体系。该理论中指出，任何固有元素都有其特征性的X射线，且射线频率的平方根与原子序数之间存在着紧密联系。同时这两个元素也是实现质量检测的关键[1]。

2 X射线荧光光谱分析技术在质量检测中的运用

2.1 X射线荧光光谱仪器类型

根据现有的钢铁企业质量检测数据报告分析可知，X射线荧光光谱仪仪器的类型以波长色散性X射线光谱仪和能量色散性X射线光谱仪这两种为主，这也是目前应用最为广泛的光谱仪器。前者是目前钢铁企业使用最为广泛的检测仪器类型，共分为两种，一是多道型WDXRF，二是扫描型WDXRF。多道型在2005年以前被广泛应用，并占据主导地位，之后随着产业的进步，扫描型WDXRF出现，性能、检测精准性、分析速度明显高于多道型，成为钢铁企业质量检测中的重要设备。能量色散型X射线荧光光谱仪共分为SI半导体探测器、放射性核素便携式谱仪、SDD、SI-PIN探测器、原位EDXRF这几种。前两种探测仪器的出现时间较早，应用领域也较多，之后随着技术发展，SDD、SI-PIN探测器应运而生，不过这类型探测设备需要与微型X射线管搭配使用，才能保证设备精准性，检测结果有效性。

2.2 X射线荧光光谱分析技术检测的产品类型

2.2.1 进场原料、辅料及过程产品检测

X射线荧光光谱仪被应用到钢铁企业产品检测中，就是对原料、辅料、半成品材料等实行检测，具有较多雷同性，下文就从三方面对其检测内容予以详细说明。

首先，原材料检测。对于钢铁企业来说，生产中所需的原材料以铁矿石、普通铁合金、进厂溶剂、辅料等为主，最先开始应用X射线荧光光谱分析技术检测的材料以铁矿石为主，是在上世纪末期，利用内标法玻璃熔片技术对不同类型铁矿石材料进行成分检测，其中包括块矿石、进口粉矿、铁精矿等多种类型材料。检测得出的结果直接被应用在对外作业中。对检测报告分析可知，影响铁矿石质量的主要因素为高猛、高镁等元素，同时通过X射线荧光光谱分析技术的应用，解决传统质量检测中存在的问题，更新和优化检测方式方法[2]。

目前，我国在铁矿石样品分析上取得了显著效果，并从质量检测中获取完整精准的硫元素荧光光谱。同时，随着技术水平的提高，还研发出可检测矿石中钾、铅、锌等元素含量的技术，对于鉴别矿石中有害物质具有积极意义。X射线荧光光谱检测技术在原材料质量检测中，还体现了快速、批量的特征。如现存的铁合金粉末压片X射线荧光光谱分析法、硅铁、锰铁、锰硅合金、硅铝合金分析法、铁合金熔融分析技术等，这些技术都对铁矿石质量检测带来了更多优势，为钢铁企业的发展及技术创新奠定坚实基础[3]。

此外，随着我国铁矿石种类的增多，钢铁企业为迎合市场发展需求，加大了研究力度，针对萤石、电熔镁砂、石灰石、冶金石灰、轻烧白云石、石英石、蛇纹石等检测方法开展重点分析，以期能够改善铁矿石质量检测水平，为生产和设计提供依据。

其次，过程产品检测。过程产品包括烧结矿、铁水等，传统的检测方式以化学分析法为主，虽然可了解主要元素存在情况，但相比于X射线荧光光谱分析技术还存在一些不足。为此，X射线荧光光谱分析技术逐渐取代化学分析法成为过程产品检测的主要方式。之后在相应技术完善下，研发出粉末压片发替代传统的化学分析法，实现对烧结矿及烧结混合料元素的检测。应用该技术后，检测周期从原来的60分钟缩短到几分钟，检测效率大大提升。且利用该技术可一次性检测到二氧化硫、氧化钙、三氯代乙醇等9个元素。最后，高炉渣、钢渣及其他杂料检测。对这些材料的检测应用的是粉末压片X射线荧光分析技术、粉末压片和熔融玻璃片X射线荧光技术、微量元素测定技术等，且取得了显著效果。

2.2.2 耐火材料、土层与钢等质量检测

X射线荧光光谱检测技术已经在钢铁企业内得到广泛应用，性能也得到较大扩展，做到多种不同材料的质量检测，拓宽技术应用范围。如宝钢利用该技术对耐火材料、铝制硅质、镁质耐火材料、铝碳质耐火材料实行质量检测，获取完善的光谱线;鞍钢、酒钢利用该技术对锰矿中和不锈钢中多元素含量进行检测分析;攀钢则利用该技术对低合金钢中元素进行分析。现阶段，X射线荧光光谱检测技术除被应用在常规材料元素检测中外，在冷轧涂层、涂层原料、氧化铁泥球、除尘灰、保护渣等成分分析中也具有显著优势。

3 X射线荧光光谱分析技术应用探讨

3.1 光谱检测仪器的选择

钢铁企业目前应用的X射线荧光光谱分析仪以波长色散型为主，被分为多道同时型、扫描型和多道与扫描混合型这三种。

多道同时型检测仪可针对固定元素开展检测，具有成本低廉、检测时间短，安装和操作简单等优势，但由于仅限固定元素，使用范围受限，扫描型检测仪在科研和很多领域均有应用，该类型仪器可检测和分析近百种元素，具有较强的定量、半定量分析功能，可适用于各种复杂情况下，确保检测分析结果的精准性。不过该设备在使用中消耗成本较高，安装软件复杂性强;多道和扫描型检测仪融合两种模式的优点，用在实验分析及项目研究中有着显著效果。不过由于该类型检测仪所需的搭配设备较多，在选用上需做到具体问题具体分析。X射线荧光光谱仪是由五部分构成的，即色散系统、激发系统、探测系统、控制系统和数据处理系统。

每个系统对应相关控制模块，加快检测和分析速度。目前生产制造X射线荧光光谱仪的企业较多，种类繁杂，在实际选用中需结合自身需求科学选型。需注意的是，长波色散性X射线荧光光谱仪在使用中，要配备稳压电源、循环水冷却装置。

3.2 样品制备及检测方式确定

应用X射线荧光光谱分析技术时，需先做好样品制备，科学选择检测样品。对于钢铁企业来说，其存在的液体样品较少，多是以固体样品为主。而在固体样品制备中，又以块状金属样品居多，如生铁、钢样等，这类样品在切削打磨后可直接应用，处理简单，检测分析效率较高，检测结果准确性强。

钢铁企业在质量检测中使用的方式方法为：一是破碎粉末压片法。选取样品要先进行破碎，检查合格后，利用硼酸、铝盒或聚酯对其实施嵌边处理，处理后直接放到仪器制定位置内，开启仪器，收集样品X射线，获得精准检测结果。该方式具有操作简单，检测效率快有时，不过仅限于在同品种、同力度或具有相同矿物反应下进行，保证检测结果准确性。因此，方式多数被应用在烧结矿或球团等材料检测分析中。该方式在对原材料检测分析上还需进一步探究，检测结果有待商榷。二是高温熔融玻璃片法。先将硼酸盐溶液滴入到专业锅具内实施高温熔融处理，使其形成较薄的玻璃片，之后进行检测分析。该方法在使用中，因材料不同，方式方法存在一些差异。如果材料为非还原性粉末样品，直接高温熔融处理，如果材料是还原性样品，要在熔融过程中添加适量氧化剂，保证高温熔融过程中不会对锅具带来较大影响。优势为检测结果精准度高，不存在其他不良反应。

综上，X射线荧光光谱分析技术在钢铁企业中的应用，可快速提升质量检测及数据分析效率，精确获取检测结果，这对于后续设计和生产工作起到推动作用，可为钢铁企业发展带来新的机遇。

3.3 定量分析技术

如今，钢铁企业中X射线荧光光谱分析技术落实遵循的标准，以传统标准曲线为主，在样品选择上会以标准曲线为依据，选择相近或人工合成样品，确保标准曲线的合理性，加强检测工作效果。在使用X射线荧光光谱检测技术时，虽然优势较多，如操作简单，干扰小等，但因谱线叠加或元素吸收的影响，获得的标准曲线可能存在不准确性，在实际工作中，要采用合理的方式加以灵活调整，改善检测结果。

最常见的调整方式为数学矫正法，分为影响系数法和基本参数法两种。其中影响系数法又被分为经验系数和理论影响两类。经验系数中主要对内控补偿化学制和荧光值予以获取，将两组数值实施拟合处理，计算得出影响系数，利用影响系数对荧光分析结果实施校正处理，获得最终精准检测结果。理论影响利用SHERMAN方程构建数学模型，将元素间的关系以矩阵的方式呈现出来，之后在方程中计算元素间的增强吸收元素系数，再利用理论系数做出校正，得出最终数值。而固定道的分析一般以经验系数和理论影响两种方式为主，后者是先利用理论依据对荧光强度及物理常数和参数进行推算，之后再利用数学方程计算，最后利用数学校正法校正得出的参数值，确定最终结果。该方法在扫描型WDRXF中的应用最为广泛，不仅可降低样品采集数量，对样品标准样的要求也不高，只要条件合适，均能检测出准确的数值参数，实用性较强。对于钢铁企业来说，上述两种方法的应用解决了传统检测中大批量采样带来的麻烦，除了基本元素含量的掌握外，对非常规元素也有显著作用，可加强检测准确性。