直读光谱仪对金属材料化学分析准确度的影响

殷海艳，陈连芳

（1.江阴市产品质量监督检验所，无锡 江阴 214434；2.江苏澄信检验检测认证有限公司，无锡 江阴 214434）

直读光谱仪是进行定量和定性分析的重要工具。它被应用在许多领域。但是，从实际操作的角度来看，这些工具和设备的不当操作和不当维护将导致诸如检测数据损坏和不正确的检查结果。将不合格产品视为合格产品，并在实际生产中使用它们会给整个生产控制线带来潜在的安全威胁，甚至引发事故。因此，在使用直读光谱仪时，相关人员必须采取有效措施，分析影响直读光谱仪检测精度的因素，并根据影响因素制定相应的保修措施，以更好地发挥仪器的作用。

1 光电直读光谱仪概述

1.1 光电直读光谱仪特点

自动化程度高，选择性好，操作简便，分析速度快和多元素定量分析可以同时进行。在使用光谱误差分析时，传感器和测光仪的误差率通常超过1%，而在使用光电技术时，误差率则超过1%，可以将测量误差减小到小于0.2%，从而提供了高精度。分析样品中的高含量元素。光电光谱的灵敏度取决于光源的性质，仪器的状态，样品的组成和构件的性质。通常，当使用火花或电弧光源采集固体金属、合金或粉末时，检测范围可高达0.1.10 ppm，溶液试样为1纳克至1微克每毫升[1]。在与真空光谱仪结合使用时，这种光谱仪对非金属（如碳、硫和磷）也有很好的探测范围。光电光谱是一种非破坏性的径迹分析形式，可用于局部分析，使用原始材料确定直读光谱仪。可根据不同的要求安装各种基本板，如铁、铜和铅。例如，铅基成分被用于测试，直接读出光摄谱仪测量元件的第二通道。通常，此渠道是在选择供应商之后建立的。第一个是匹配当前使用的元素和内容范围，第二个是匹配可以在不久的将来针对新产品开发进行测试的元素和内容。最后，根据国内外行业的最新发展情况，确定未来发展趋势中使用的要素范围和内容。根据以上三个方面，定义元素的范围及其要测试的内容。该通道可以满足当前任务的需求。同时，也为企业的未来发展奠定了良好的基础。直接读出光谱的计器类型可分为非真空与真空的，取决于波长范围。真空仪器通常在紫外线和可见范围内工作，真空仪器可在短波范围内使用，分为单通道和多级通道谱仪，电池行业通常使用真空多通道的光谱仪[2]。

1.2 直读光谱仪的检测原理

直读光谱仪采用原子发射光谱法对金属材料的化学成分进行分析，其检测原理为：火花源在金属块样品与对电极之间产生火花，固体样品为蒸发形成气态。激发后，原子或离子，气体态原子或离子的外部电子跃迁到更高的能量水平。在受激状态下，电子不稳定性在几秒钟内恢复到原基状态或更低的能量水平，在这种情况下，能量以产生光谱线的光辐射形式发出，强度是根据观察元素的光谱线的特性来确定的[3]。

2 在钢铁行业中使用直读光谱仪的优势分析

在钢铁行业的化学分析过程中，直读光谱法可以有效地提高化学分析的速度，从而为炉前钢铁的生产和加工节省一定的时间和金钱。

2.1 多渠道和多元素分析和测试

使用直读光电光谱仪时，它可以检测和分析多种元素。直读式光电光谱仪可以在几分钟内同时报告20或30个元素的结果，企业可以基于这些准确的数据更好地监视钢铁生产，并提高钢厂的效率。

2.2 固态分析简化预处理

直读光谱仪的预处理模式比化学分析模式更简单。使用直读光谱仪进行检测和分析之前，只需要研磨待分析样品的表面即可；在进行化学分析时，处理需要对样品进行初步研磨，然后进行热分，样品处理程序复杂。

2.3 自动化和多功能性

随着时间的发展，直读光谱仪开始朝着智能化和自动化的方向发展。在微电子和计算机技术的支持下，直读光谱仪的检测和分析开始实现高效、智能和自动化。计算机控制的机器和数字模型的集成和应用可以有效地改善直读光谱仪对数据和信息的提取。

2.4 定量范围广

直接读出光谱仪的定量分析可从PPM水平扩大到百分比，这对分析痕量非常重要。在0.1%至1%或以下的范围内，光谱直接读出的准确性大大高于化学分析的准确性。同时，使用直接读数光谱仪也可以减少人为错误造成的干扰，从而提高直接读出光谱分析仪器的精确度。

3 影响金属材料化学分析光谱仪直接读取精度的因素

3.1 氩气纯度

通常选择氩作为光谱分析的重要保护介质。由于氩气不含氧气，并且200 mm以下的短波氧气光谱具有很强的吸收能力，因此经过一系列分析后，它将降低光谱的谱线强度。在紫外线短波非金属元素C，S和P的影响下，检测的结果会下降。在低纯度氩气的情况下，会发生扩散放电现象，并且激发点会扩散，中心与外部之间的分界线为黑色或白色。氩气的纯度是测试结果的重要影响因素。

3.2 氩气流量和基本压力

氩气的流量和压力也直接影响氩气在排出表面上的冲击能力。在较低的冲击容量的情况下，无法激发掉样品激发过程中形成的气体和化合物，同时，污染物会积聚在电极周围，从而在连续暴露后会加速放电不稳定。如果冲击能力较高，则会产生火花，加剧放电的不稳定性，最终影响测试结果，进而导致氩气损失。

3.3 参考材料的选择和使用

从实际应用的角度来看，直接读取光电光谱的一般分析方法是使用基准技术确定样品中每种元素的含量，测试的准确性高度依赖于基础类型和质量，例如，当分析16Mn钢样品时如果使用的零件是1Cr17Mn6Ni5不锈钢标准样品，将导致分析结果严重错误。

3.4 枪头放置方法

使用直读光谱仪时，如果移液器枪头的安装不正确，则样品和移液器枪头的端部之间会形成间隙。在该间隙的作用下，空气将流入激发室，流向电极并在样品之间的区域中流动，最终在样品被激发时发生漏光和漏气的问题。同时，在金属与氧气之间会形成火鹤灰、深灰色和白色等异常现象，最终将严重影响测试结果。如果将金属样品放置在正确的位置，它将更好地发挥激发腔室对氩气的保护作用，并在金属熔化后形成雪花状的银激发点。

3.5 电极和电极之间的距离

发射光谱法的一个重要作用是激发电极，当检测和分析时，激发电极材料不能包含被测元素。例如，使用碳电极分析铁基材料会严重影响碳测定的准确性，因此，在分析铁基材料时通常会选择含银或钨材料的电极。使用这些电极时，电极之间距离的大小也会影响最终分析的准确性，最终会缩短间距并影响最终分析的准确性。

4 提高用于金属材料化学分析的直读光谱仪精度的对策

4.1 通过优化直读光谱仪的测量步骤来提高用于金属材料化学分析的直读光谱仪的准确性

首先，是设备的使用环境。光谱仪所在的实验室必须防震，通风且清洁。在正常条件下，光谱仪的实验环境要求为15%～70%的湿度，并且室温必须保持在0°C到35°C之间。同一校准期内的室温变化不能超过±5°C。其次，要求现场监控电源电压。在一个特定的实现条件中，直读光谱仪设备的电源电压必须控制在220 V左右。如果电压在必要条件下升高，则最终必须控制在380 V之内。第三，检查内部的氩气压力。氩气瓶内的氩气纯度对最终测量值有非常重要的影响。因此，有必要在测试过程中检查氩气是否连接到主机和仪表上。确认连接后，打开氩气阀以测试氩气。压力值要求氩气始终保持在4 MPar以上。

4.2 根据对参考材料的常规验证和标准化，提高用于金属材料化学分析的直读光谱仪的准确性

一是加强人员培训。检测精度与操作员的日常行为和习惯密切相关。在测试和分析过程中，所有人员都必须接受专业培训，并且在必要的培训之后，为了掌握更多使用设备的方法，他们可以在机器上执行操作直到熟练。在测试过程中，必须检查操作员的资格，只有在确认他们具有在工作场所工作的资格后，才能使用该仪器。其次，电极，适配器和橡胶圈是仪器中的消耗品，在使用过程中必须进行测试和验证，以确保这些消耗品的有效性。

5 实验分析

5.1 实验真实情况分析

（1）法兰的实际检查中，表1所示为20号钢的测试结果。根据表1中的数据，可以发现，在进行标准化检查之前，P元素的基本偏差和S元素的含量分别为114.28%和70.6%，标准化检测操作后P元素和S元素含量的相对偏差分别为28.6%和23.5%。测试时，使用标准化的分析校正曲线可以有效减少偏差。

表1 标准化前后相对偏差

（2）使用一周后的窗石英透镜出现明显的污染，用该透镜测得的平均碳含量为0.254%，更换透镜后的碳含量为0.178%。根据上述测试结果的分析，发现如果不及时处理透镜，则较短波长的非金属元素的测量结果将会出现问题。

5.2 应对措施

（1）加强操作人员培训。首先，操作员必须具有较高的综合素质。为了更好地利用直读光谱仪，操作人员必须在使用仪器和设备之前接受特殊培训，并且必须通过培训获得必要的专业理论知识和实践经验，并获得该职位的资格证书。其次，设备操作人员应在使用直读光谱仪之前通过培训提高其技能，并通过培训掌握设备的使用，基本结构，应用原理，基本特性，维护知识等。第三，设备操作员必须具有强烈的责任心，并且在执行某些操作时必须严格遵守标准操作程序。

（2）正确使用氩气。首先，在更换氩气之前，必须先排空氩气瓶内的空气，清洁瓶颈处的所有污染物，并在使用过程中仔细检查氩气管线是否完好。如果氩气瓶颈上有灰尘，则必须及时清洁。如果在氩气瓶的颈部检测到泄漏，则必须及时更换气瓶的颈嘴；当气瓶内的压力下降到1.5 MPa时，以及在激发点出现白点时，都必须及时更换氩气。其次，为确保分析结果的稳定性和准确性，必须在仪器操作过程中严格控制氩气的纯度，即必须将氩气的纯度控制在99.95%以上。

（3）参考材料的使用应具有合格生产的说明。采样时，所有样品必须具有专业的制造资格和工厂资格证书。测试产品时，参考材料的成分必须与测试样品的成分相同。最好选择具有相同分析纯度的标准品。另外，在选择用于光谱学的标准样品时，必须充分考虑其外部物理形式，并尽可能选择足够大的冶金棒状样品。目的是减少发现操作期间的检测错误，提高产品检测的准确性。

（4）用极距计定期检查极距。通过检查两极之间的距离以查看是否需要更换电极，并利用两极之间的距离，将电极调整到指定的要求。

（5）用砂纸打磨工件表面。在对样品进行光谱分析之前，应先使用专业的砂纸打磨样品的表面，但是，在抛光操作中不能使用碳化硅砂纸，因为碳化硅砂纸的碳和硅含量很容易导致元素分析错误。通常，使用40-50目氧化铝砂纸或金刚砂砂纸进行测试。

6 结语

在重工业中，使用各种仪器和设备，并且每种设备的物理和化学性质是不同的。随着现代社会的发展，许多钢铁公司已经开始使用直读光谱仪确定化学成分。凭借高效的设备维护，以确保设备符合实验要求。为了提高测试值的准确性，适当的人员应加强定量和定性分析。直读光谱仪在测试操作的过程中应严格遵守相关标准和工作操作程序，以正确的操作确保得出准确的测试结果。