耐候角钢中Al元素分析影响因素研究

常 乐

（河钢集团宣化钢铁公司，河北 075100）

0 引言

宣化钢铁公司（以下简称宣钢）角钢主导产品为低合金高强度结构钢Q420B以及耐低温Q420C、Q420D等品种，比例达到62%。Al在钢中主要用来脱氧和细化晶粒，同时在钢中有着强化固溶作用，可以提高渗碳钢的耐磨性、疲劳强度等力学性能。Al是一种极易被污染的元素，现有的检测方法周期长、速度慢，无法满足炉前快速分析要求。而在耐候角钢的冶炼过程中，需要及时、准确测定钢中Al元素的含量，为解决这一问题，公司实验室开展了耐候角钢冶炼过程钢中微量Al元素光谱分析方法的研究。

通过实验，我们确立了铝元素的光谱分析条件，选择了Al元素特征分析谱线，建立了Al元素光谱工作曲线，并作了精度及准确度试验。本文阐述了光谱仪快速分析试样的制备要求，分析了影响钢中Al元素分析稳定性和准确性的因素，并给出提高分析稳定性和准确性的解决方案。

1 直读光谱仪参数条件及样品制备

1.1 试样的制备要求

为了满足炼钢炉前快速分析的实际要求，目前宣钢炉前化验室光谱仪分析试样的制备不能实现自动铣样，而是采取研磨机磨制的制样方法。直读光谱仪试样加工时，要求试样不过热、不烧焦、不发蓝，显微组织均匀、细小（金相组织应达到GB/T6829-92中1-2级）,研磨深度大于2mm。加工好的试样不可接触其它的脂类物质，不可用手触摸，并且要求试样纹路清晰、平整洁净，没有气孔、沙眼、缩孔、疏松、毛刺、裂纹和夹杂等缺陷。试样在激发前要充分凉透，且放置时间不能太长，以减小分析误差，确保分析结果准确性。

研磨机磨制试样，对砂纸的成分、粒度以及不同样品间的交叉污染都有着极高的要求。如研磨机采用Al2O3砂纸进行人工磨制，试样表面会附着Al2O3，会使Al分析结果偏高；若改用粒度在60～80目的SiC专用砂纸加工，效果较为理想；如果磨制样品时用已经磨制过其他钢种的砂纸，可能会使样品中本来含量就很低的Al元素测量结果不稳定，因此对砂纸的要求非常严格。第一，在光谱激发过程中，粒度较大的砂纸会造成样品表面不均匀和漏气，进而影响钢中微量Al分析的精度和准确度，因此要选择粒度较小的碳化硅砂纸，但它不耐磨，分析含Al样品时，应根据情况及时更换砂纸，以免因表面不平而影响分析结果；第二，在测定微量Al时,要避免高含量与低含量样品在同一磨盘磨制，防止样品之间交叉污染影响微量Al元素分析的准确性。

1.2 直读光谱仪参数及条件

1.2.1 直读光谱仪参数确定

通过对Q420D、Q420E等含有微量Al元素的样品进行分析实验，确定了Al元素的分析参数，以分析Q420D钢中Al元素为例具体参数见表1。

表1 Q420D钢中Al元素直读光谱仪分析参数

1.2.2 直读光谱仪设备准备

仪器除尘、清理火花台、更换水瓶里的水、清洁空气过滤网、做氩气净化再生、清洗集尘杯(稀盐酸浸泡)、清洁透镜、电极及辅助电极清理、描迹、标准化。

2 影响Al元素分析稳定性因素及解决方案

2.1 稳定性影响因素分析

Al作为钢中痕量元素，成分含量极小，试验人员在分析Al元素时，发现其分析极不稳定，分析数值之间偏差较大（见表2），严重影响分析结果的准确性，为此，我们针对Al元素分析稳定性差进行了技术研究。

表2 钢中Al元素分析稳定性的测试数据

研究发现，影响Al元素分析稳定性的因素主要有两个方面。一是选取标准样品方面，标准样品选取不合适会导致在每次类型标准化后，引起曲线校正系数的改变，从而使生产试样的分析结果产生较大波动；二是生产试样加工方面，生产试样表面有一定厚度的氧化层，如果不能完全去除，会严重影响分析结果，在分析钢中含量微小的痕量元素时，试样加工的好坏对最终准确结果的分析判定尤为关键。

2.2 影响因素解决方案

2.2.1 选择适当的标样

光谱分析是根据物质的特征光谱来确定分析物的化学组成和相对含量的方法，必须使用标准样品进行质量控制，所以标准样品的选择非常重要。选择标准样品时要遵循标准样品含量与预期检测样品含量尽可能的趋近的原则，否则样品检测的精度就会降低。另外，当对某一标准样品进行测定时，样品的局部不均匀、样品的磨制、样品被激发的位置不同、以及样品本身的定值，也都可能造成测定结果的偏差。因此，炉前化验室经过认真筛选最终决定选用与炼钢生产要求低Al元素趋近的标准样品50Mn（Al含量值为0.010%）。

2.2.2 对分析试样加工工艺的技术处理

试样应均匀、无裂纹、无气孔、无夹渣，具有代表性。钢的炉前分析主要为熔炼分析，熔炼分析试样为乒乓球拍状，分析前需要用磨样机去掉表皮氧化层，加工为分析样品。加工后的试样表面应光洁平整、无氧化、无污染。试样表面处理的好坏将直接影响分析结果的精密度和准确度，特别是对钢中含量微小的痕量元素的分析，因此试样制备尤为关键。

3 影响Al元素分析准确度因素及解决方案

3.1 准确度影响因素分析

工作曲线也是影响分析准确度的重要原因，待测元素含量偏低时，稍微的曲线漂移就无法校正回来，直接影响分析结果。因此，需重新制作Al元素专用曲线，用于微量Al元素的质量控制。绘制工作曲线时，要按步骤要求激发各标样，每块控制样品至少激发三次，并选择权值，绘制校准曲线，应根据待测元素相对强度的平均值与标准样品中该元素与内标元素的浓度比绘制工作曲线。

另外在测量谱线过程中，由于狭缝宽度和谱线宽度接近，铝元素波长394.4nm谱线与相近的Nb、V、Mo、Cr、Mn元素的波长谱线产生共存元素干扰，与Al元素谱线发生重叠吸收效应，使铝分析值发生变化，在分析中必须进行重叠修正。

3.2 影响因素解决方案

3.2.1 工作曲线干扰校正

在绘制校准曲线时，采用最小二乘法拟合计算干扰系数，使Al的校准曲线斜率处于最佳位置，线性关系良好。图1、图2为干扰校正前后曲线对比。由图2可以看出，在添加干扰元素进行曲线拟合后，曲线上的点分散度明显减小，从而使线性更好，消除了干扰元素的影响，获得了满意的结果。

图1 干扰校正前

3.2.2 工作曲线定期校准

干扰校正后Al的工作曲线拟合良好，适用于日常生产试样Al元素的分析。但由于一些客观因素的影响，设备的曲线会发生漂移，产生系统误差，因此要定期对设备工作曲线进行校准，保证设备处于良好运行状态。选择漂移校正样品时，应遵循使用较少的漂移校正样品涵盖较多的元素分析通道，同时能被尽可能多的分析程序所使用这一原则。加入每条曲线漂移校正元素通道，选择需要加入的元素通道，选择分析该元素所用的内标元素，应当与分析程序中该元素的内标设置相同。

一般来讲，每条曲线要由高标与低标两块标样进行标准化校准。但根据经验，单点校正法也可用于较低含量元素分析。由于部分光谱仪铝曲线出厂前采用的是单点校正，实验数据表明，在单点校准方法下，Al含量的测定值偏低。为此，我们对高低标准样品库中的校正样品进行选择后，确定高标08Al（Al：0.044%）作为Al元素曲线的高标样品对曲线进行重新校准。采用两点校准后，与实验数据相对比，提高了准确性，并得出结论，仪器校正后的α、β值与初始值(n=1)偏离过大，对钢中痕量Al的准确测定产生不利影响；若α、β值在0.8～1.2之间,分析值与标准值之间的偏差很小。

4 结果验证

微量Al工作曲线制作完成后需要对其进行精密度和准确度试验，选取含Al的样品5个，在相同条件下分析10次，其精度及准确度表见表3。由表3分析结果可以看出，其分析误差满足快速分析的要求，同时也满足了炼钢工艺的要求。

5 结语

宣钢实验室开展耐候钢中微量Al元素光谱快速分析研究以来，通过对影响钢中Al元素分析稳定性和准确性的因素分析，采取了精细制样、合理选择标准样品、干扰效应消除等措施，以及采用精密度、准确度实时效验等方法，使耐候角钢中Al元素分析的及时性、稳定性和准确有了很大的提高。

实践表明，在为期六个月生产Q460D、Q420E、Q420D、Q345E等钢种的过程中，Al元素光谱快速分析结果准确可靠，有效地指导了耐候钢的顺利冶炼，为炼钢厂降低生产成本提供有力的技术支持和保障。通过此次攻关，耐候钢中Al元素的测定水平又上了一个新的台阶，为钢中其它元素的准确测定提供了借鉴，值得推广应用。