火花放电原子发射光谱法测定钢筋碳当量的影响因素探讨

邱桂文

（中铁十六局集团第五工程有限公司，河北 唐山 063000）

热轧带肋钢筋一直是我国主要的建筑材料之一，近年来占了我国钢材年产总量的20%以上。钢筋混凝土用热轧带肋钢筋的使用性能包括力学性能和工艺性能，二者均与钢筋中碳的含量及合金的含量有关。为了用一个单一参量来表示碳及合金元素对热肋带肋钢筋的影响，人们提出了碳当量的概念，即：将除了碳以外的其他合金元素按一定的比例关系换算为碳元素，然后将所换算得到的系数与碳元素相加。碳当量是决定热轧带肋钢筋性能及工程应用的关键因素，对控制工程质量具有重要的指导意义。碳当量越大，热轧带肋钢筋越容易发生焊接开裂[1]。因此，《钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》（GB/T 1499.2-2018 ）分别对不同牌号的热轧带肋钢筋规定了碳当量的最大值。

目前，检测热轧钢筋碳当量的方法主要有传统湿法化学分析法、原子吸收光谱法、电感耦合等离子体、原子发射光谱法等。火花放电原子发射光谱法是一种金属固体样品分析方法，可实现常量和微量多元素同时测定，并具有自动化程度高、分析速度快、精度高等优点，所以被广泛用于测定热轧带肋钢筋的碳当量[2]。

火花放电原子发射光谱仪的工作原理是：光源发生器在金属样品与电级之间放电，来激发原子使核外电子发生跃迁，发射出特征谱线，通过测定光的波长来确定元素种类，通过特征谱线的强度确定元素的含量[3]。在试验过程中，如果操作不规范，就可能导致试验数据不准确，并得到错误的检验结论，继而埋下安全隐患甚至造成安全事故。

目前，学者们对影响测量准确度的部分因素如氩气纯度、氩气流量、标样的选用、电源稳定性、类型标准化、温湿度等进行了大量的研究[4]，但针对样品测试面不平整度、样品测试面的处理方法、光谱仪通电时间、光谱磨样机转速等对试验准确度的影响的研究却很少。本文通过比较不同试验条件下的测试结果，分析样品测试面不平整度、样品测试面的处理方法、光谱仪通电时间、光谱磨样机转速对试验结果的影响，以提高试验的准确度。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

德国斯派克分析仪表公司生产的SPECTROCHECK型光电直读式光谱仪；高纯氩气（纯度为99.999%），佛山三水德力梅塞尔气体有限公司生产；光谱磨样机，济阳县轻工机械厂生产；塞尺；切割机。

分析纯乙醇（纯度大于95%）；分析纯无水乙醇（纯度大于99.7%）;光谱控样，北京市海淀区海新标准物质研究室生产。

1.2 仪器工作条件

光谱室温度为18℃~22℃，湿度小于60%；稳定电压为220V；氩气为0.5MPa；光谱仪静态时氩气流量为0.5L/min，火花室冲洗时氩气流量为12L/min，光谱仪测量时氩气流量为8L/min；冲洗时间为6s；预燃时间为15s；分析时间为6s；钨对电极，直径为6mm，顶端为45。的圆锥型；分光计的一级光谱线色散的倒数为0.4nm，焦距为0.5m，波长范围为165nm~410nm，分光计的真空度保证在3Pa以下；光谱分析间隙为5mm。

1.3 试验材料

样品是由福建省三钢集团有限责任公司提供的HRB400热轧带肋钢筋。由于湿法化学分析法是仲裁方法，其准确性受到广泛认可，所以采用湿法化学分析法测定值作为样品碳当量的认定值。样品的取样和制样方法采用GB/T 20066-2006《钢和铁 化学成分测定用试样的取样和制样方法》，试验样品参数见表1。

表1 对比样品参数

1.4 试验方法

热轧带肋钢筋碳当量的测定采用GB/T 4336-2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》。

1.4.1 类型标准化

火花放电原子发射光谱法的分析采用类型标准化方法，使用控制样品对原始校准曲线的有限区域范围进行修正。本次试验选取的控制样品为海新标准物质研究室生产的HRB400光谱控样，其与比对试验所用样品具有相似的冶金加工过程、相似的组织结构和化学成分，可以用于类型标准化的修正。

1.4.2 样品分析

①试验前检查仪器是否符合2.2的工作条件。②激发样品2次-5次，以保证仪器处于最佳状态。③在2.2的工作条件下，激发标准样品4次，对校准曲线进行校正。④使用控制样品校正分析样品与绘制工作曲线样品的差异。⑤激发分析样品，每个样品激发3次。⑥直接在光谱仪上读出C、Mn、Cr、V、Mo、Cu、Ni的含量，并各求出其平均值，以%表示。

1.4.3 碳当量的计算

碳当量Ceq（%）的计算按照GB/T 1499.2-2018《钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》，碳当量计算公式为。

Ceq= C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15

2 结果与讨论

2.1 通电时间对碳当量测试值的影响

关闭电源后，重新开机，一般要求应保证足够的通电时间。分别在通电1h、3h、5h、7h、9h、11h后，测量样品Ceq(0.30)和Ceq(0.42)的碳当量，见表2、图1。从表2、图1可以看出，在通电时间不同的情况下，样品所测得的碳当量值没有显著差异。但在通电时间小于7小的情况下进行试验，所测的碳当量值不稳定，而通电时间大于7小时后测试值稳定性较高。

分析认为当通电时间不足时，光谱仪的测光系统稳定性不够，导致测得的相对光谱强度不稳定，而样品中的成分含量用相对光谱强度来表示，所以最终导致碳当量的测试值不稳定。当通电时间超过7h后，光谱仪的测光系统稳定性强，样品的碳当量测试值也稳定。所以，光谱仪开始试验前应保证至少7h的通电时间。

2.2 光谱磨样机转速对碳当量测试值的影响

本研究使用的光谱磨样机为砂纸磨盘，研磨材料为氧化锆，砂纸的粒度为0.2mm。对样品表面进行研磨时，分别设置磨样机转速为300r/min、500r/min、700r/min、900r/min、1100r/min。将光谱仪通电时间设为9h，分别测量在不同转速下研磨测试面的样品Ceq(0.30)和Ceq(0.42)的碳当量值，见表3、图2。分析表3和图2，可发现：若采用的研磨材料为氧化锆、砂纸粒度为0.2mm，当磨样机转速从300r/min升至700r/min时，样品测得的碳当量值较稳定、没有显著差异；当磨样机转速达到900r/min后，碳当量测试值急剧下降。

图2 磨样机转速与碳当量测试值的关系

表3 不同转速下所测得的碳当量值 Ceq/%

这是由于磨样机转速小于700r/min时，研磨过程中产生的热量能够及时散发，但当转速达到900r/min时，由于样品表面温度过高，造成样品表面的C发生氧化反应、生成二氧化碳，C的损失导致碳当量测试值偏低。所以，使用研磨测试面时，磨样机转速不可过大。

2.3 样品测试面的不平整度对碳当量测试值的影响

使用光谱磨样机反复打磨样品测试面，并以塞尺测量其不平整度，直至试样的不平整度为0.07mm，将光谱仪通电时间设为9h、光谱磨样机转速设为500r/min，测定样品Ceq(0.30)和Ceq(0.42)的碳当量值，以同样的方法分别测定不平整度为0.06mm、0.05mm、0.04mm、0.03mm、0.02mm、0.01mm时样品的碳当量值，见表4、图3。通过分析表4、图3，可发现：不平整度在0.01mm至0.04mm之间时，样品的碳当量测试值无明显差别，数值较稳定；不平整度达到0.05mm后，样品的碳当量测试值突然增大。

图3 不平整度与碳当量测试值的关系

表4 样品测试面不平整度与碳当量测试值的关系 Ceq/%

分析认为当样品不平整度大于0.05mm时，由于待测样品不平整导致激发时漏光。漏光造成光谱仪测得的相对光谱强度出现偏差，从而导致碳当量的测试值不准确。因此，研磨样品测试面时必须保证不平整度不大于0.04mm。

2.4 样品测试面的处理方式对碳当量测试值的影响

将通电时间定为9h、磨样机转速为500r/min、样品测试不平整度小于0.04mm，对样品测试面进行以下三个方式的处理：①对测试面研磨后，不做其它处理；②用磨样机对样品测试面研磨后，用99.7%的酒精擦拭；③用磨样机对样品测试面研磨后，用95%的酒精擦拭。由表5可看出，不同的处理方式，对样品碳当量测试值的影响较大。测定结果见表5。

表5 样品测试面处理方式与碳当量测试值的关系 Ceq/%

分析认为，采用方法1时测试面上存在油污，且磨样机砂轮片上有很多细小的金属颗粒，当磨样机高速转动时，样品表面容易粘着细小金属颗粒，从而影响了检测结果。采用方法2和方法3有效得去除了样品表面的油污和金属颗粒，使试验结果更加准确。但与方法2比较，方法3中因为95%的酒精中仍含少量水分，在一定程度上造成试验结果有所偏差。从表5的结果看，方法2是最好的处理方式。

2.5 正确度试验

分别对通电时间、磨样机转速、测试面不平整度及测试面的处理方式进行了优化，对优化前后样品碳当量进行测试，结果如表6所示。

表6 试验优化前后样品碳当量测试值 Ceq/%

结果表示，对于不同的热轧带肋钢筋，其碳当量测试值在优化后的正确度较优化前都有明显提高，可以更好地满足分析要求。

3 结论

本文对火花放电原子发射光谱法测定热轧带肋钢筋碳当量进行了分析探索，并通过试验分析了光谱仪通电时间、磨样机转速、测试面不平整度及测试面的处理方式对碳当量测试值的影响。结果表明，通电时间影响碳当量测试值的稳定性，磨样机转速、测试面平整度、测试面的处理方法对碳当量测试值有显著影响。当通电时间大于9h、磨样机转速不超过700r/min、测试面不平整度小于0.04mm、测试面研磨后用无水乙醇擦拭，热轧带肋钢筋碳当量测试值的正确度得到明显提高，能够更好地满足实际生产需要。