光电直读光谱法测定不同规格钢材试样分析方法优化

么 琳

（河北钢铁集团宣钢公司技术中心，河北 张家口 075100）

近年来，随着我国高技术含量和高附加值产品的产量提高，钢材市场的国内占有率随之提高。河北钢铁集团宣钢公司（以下简称宣钢）为适应市场需求，不断对钢材产品进行攻关，随着硬线和焊丝钢产品的销量逐渐增加的同时，产品质量异议也逐步增多，尤其是成分质量异议，客户反馈碳元素成分超出标准范围，但是对应的熔炼成分抽查满足标准要求，不同规格的钢材在冶炼和轧制的过程中元素成分会出现不同程度的变化，熔炼成分已不能完全代表钢材成分，而对于小规格钢材的成分检测存在一定困难，由于样品截面较小，不可避免地出现漏气以及对激发点的侵蚀不一致等情况，导致分析结果精度较差。

1 实验仪器设备

岛津PDA-7000 型光电直读光谱仪；ARL4460光电直读光谱仪；SPECTRO M9 光电直读光谱仪；静远全自动快速铣样机；CZA-4A 型压气净化器。

2 实验的影响因素

2.1 更换60°锥角钨电极

光谱仪分析常规生产样品采用30°锥角电极，但是测定钢材试样时分析数据不稳定，不能用于在线生产质量控制，通过试验发现电极因为角度小，样品激发时间长造成锥角积灰严重，稍微的锥角变化就会引起样品分析准确度变化，为了提高样品的灵敏度和稳定性，更换60°锥角电极，增大电极的锥度和表面积，减少灰尘的堆积，同时使光轴不得偏离中心，放电间隙保持不变，防止聚焦在分光仪的谱线强度改变，测定结果保证元素分析的准确性和稳定性。

2.2 氩气的影响

1）氩气纯度。光谱仪分析时，空气中的氧会吸收200 nm 以下波段范围内的灵敏线，造成该波段内C、S、P 等元素分析结果偏低。氩气纯度的高低将直接影响到分析结果的准确性，因此我们采用瓶装高纯氩气，并使其通过净化器后再接入光谱仪，经过净化塔处理，氩气纯度可以达到99.998%，完全满足分析要求。

2）氩气流量。氩气流量小，不能排除火花室中的空气和试样激发分解出来的含氧化物，会引起扩散放电。经过反复试验，宣钢把氩气压力控制在0.30～0.35 MPa，静态时氩气流量为2 L/min；分析时氩气流量为10 L/min 效果最佳。

2.3 温湿度的影响

由于温度、湿度的变化，工作曲线常常会漂移，特别在夏季和冬季气温变化较大，试样含量值随之变化很大，对分析结果产生较大影响。通过实验得出：温度控制在20～30 ℃，相对湿度控制在80%以下的范围内，曲线不易发生较大漂移，这样就可以提高光谱分析的准确度。

3 样品制备

小规格的线材样品对取制样要求很高，否则直接影响分析结果的准确度，因此钢材试样必须经过校直，无气孔、无砂眼、无裂纹、均匀。磨制试样表面不能倾斜，不能磨成两个面，而且要磨到线材样品的横截面，不得发黄、发蓝、有水、有油，纹路一致。高度在5 cm 左右最佳。试样的激发点必须对准电极中心位，并借助小样品夹具，稳固试样，防止扩散放电，提高分析准确度及稳定性。对于样品磨制不完全、淬火、倾斜，要重新磨制，不能敷衍了事，样品弯曲、长度不合格、不满足分析条件的要及时退回重新取样。充分保证线材样品纹路清晰、无交叉纹。

4 分析方法的改进

4.1 分析参数选择

SPECTROM9光谱仪、ARL4460光谱仪及PDA7000光谱仪在分析小规格试样时都必须借助小样品夹具来完成样品的分析检测。小样品夹具在使用时需注意以下几点：首先，调整小样品夹具的摆放位置，使激发点能够在样品的中心位置，找到正确的位置后做好标记，方便后续分析使用。其次，要使样品的激发面与小样品夹具的底部平齐，不能超出底部或未到底部，电极与样品激发面的距离偏差也会直接导致分析数据的不准确。

通过多次试验发现，钢材试样对预然时间十分敏感。随着预燃时间的变化，各元素表面熔融稳定且又不影响其含量的准确测定，选择样品的分析参数见表1。

表1 样品分析参数比对 s

4.2 标准样品选择

由于线材样品和标准样品冶炼工艺、激发面积差别很大，日常分析中的标准样品不能用于分析线材样品，所以必须采取自制控样的方法。首先截取1米试样，切割成5 cm 数段，经磨制后用光谱仪对每段进行两端分析，分析时用连激的方式，选择激发面好的地方放到激发孔上，用样品压具压好，连续激发3 次，第1 点舍去，取2、3 点的平均值记录分析数据，测试试样的稳定性、均匀性，再对样品进行去表皮、制屑、化学分析定值，最后用红外碳硫仪和手工分析进行再验证。

4.3 校准曲线

分析条件确定后，使用自备的套装标准样品进行工作曲线制作，采用大量可以覆盖钢材成分含量范围的标样制作工作曲线，对于某一含量相对集中的元素或某一范围十分重要的采取增加这一元素在这一范围的权重值的方法，以提高分析准确度。对于曲线整体偏高或偏低的情况，可以用响应曲线来校正，使曲线整体平移到更加准确的位置。其中C 元素曲线采用GSBH40072 系列和GBE01395 系列以及IRSID1747、YSBS11280、433-1、20MnSi、17MnVNb 等22 块标样制作，制作完成后回归相关系数为0.998570，符合曲线要求。并以此方法依次建立相关元素所需曲线。曲线效果图如图1 所示。

图1 C2-FEWAIR-曲线

5 效果验证

通过试验表明SPECTRO M9 光谱仪和PDA7000光谱仪采用连续激发方式更适用于快速检测需求，即试样定位准确后连续激发2～3 次，分析结果与碳硫及手工分析结果作比对，选择合适的激发点报出。而ARL4460 光谱仪在制作小样品工作曲线后，只需激发一点便可得到准确的分析数据，分析结果见表2。

表2 光电直读光谱仪C 元素分析结果比对 %

6 结语

不同规格钢材试样分析方法为研究熔炼、连铸、钢材全过程成分变化规律提供准确的数据支持。该项目是宣钢应用光谱分析10 多年来首次对不同规格钢材在不同设备上选取不同标样进行自主研究的测量方法，并将其在生产中大量应用。这次的研究给以后其他钢种分析方法的研究留下了宝贵的经验，为新钢种开发指明了道路，为宣钢产品质量的提升，开拓钢材市场占有率，提高产品的知名度和开拓高端客户市场奠定了基础。