自动化快速分析检测实验室的质量控制

杨伟飞

(酒泉钢铁(集团)有限责任公司,嘉峪关 735100)

目前国内钢铁检验实验室均向自动化快速分析检测实验室方向发展。与传统的人工检验相比,自动化快速分析检测实验室利用自动化快速分析系统(简称快分系统),采用机器人代替检验人员,节约了大量的人力成本,有效提高了样品处理能力、工作效率和劳动生产率,并且检验过程无人工干预,对提高检验数据的准确度和可靠性具有非常好的引领示范作用,对理化检验过程的廉洁风险防控发挥了积极作用。本单位化验室于2017年通过自动化改造项目使用快分系统,项目实施后实现了炼钢混铁、脱硫、高炉罐、转炉、精炼、连铸钢样等工序的检验样品中化学成分的自动化分析和检验数据的自动传输。快分系统的应用对质量控制提出了新的要求,本工作探讨了自动化快速分析检测实验室在光谱分析质量控制中的应用。

1 快分系统组成及工作流程

快分系统由风动送样系统、样品发送终端、全自动单(双)工位铣床、搬运机器人、缺陷识别系统、激光打标归档系统、手动进样台、SPECTRO LAB 型光电直读光谱仪、试样处理系统(SPS,主要负责接收来样,并对来样进行运输、加工、分析以及归档等操作)、样品传输(TIS)通讯软件、实验室信息管理系统(LIMS)等组成。

快分系统工作流程如下:在样品发送终端选择试样号,通过风动送样系统将样品发送到化验室,由人工将试样送到全自动单(双)工位铣床加工位后联机选择试样号并启动铣床;加工好的试样由气缸自动送到出样位置,再由机械手夹取试样进行缺陷识别检测,然后将无缺陷试样送至光谱仪进行分析;分析完毕后,通过TIS通讯软件将数据发送到LIMS并上传至上位机;机械手抓取试样放置于激光打标仪下方,自动将试样号、分析日期、分析时间、班别印在试样表面,然后将试样放置到收纳箱内。

2 自动化快速分析检测实验室的质量控制

2.1 光谱仪的校准及日常维护点检

正常情况下,每周需要对光谱仪进行一次仪器标准化,并且当出现下列情况时,必须及时进行相应的仪器标准化:①电极位置重新调整后;②更换了新的氩气;③复制了包含标准化值的软件;④擦洗透镜后;⑤测量质控样品时,测量值和标准值之差超出质控样品的临界差CD0.95;⑥设备检修维护恢复后。另外,分析人员每班维护完仪器后需要对当班冶炼钢种进行类型标准化,类型标准化样品与冶炼钢种分析样品的元素及含量应相近。

光谱仪的日常维护点检包含以下几个方面:①定期对氩气、环境温湿度进行确认;②定期检查光谱仪电极刷清理积碳的效果,检查气缸手动升降是否正常,如不满足要求,需及时更换电极刷;③当使用过程中激发台内有积灰或异物时,应及时清理,清理后必须用质控样品进行检查、校正,必要时需对仪器进行类型标准化和标准化;④火花台激发孔周围应保持清洁,及时清理铁屑、玻璃等杂物,防止样品激发过程中漏气。

2.2 标准样品

光电直读光谱分析利用工作曲线来测定试样中元素的含量,标准样品质量的好坏直接影响工作曲线的线性关系,从而影响分析的准确度。一般来讲,标准样品的选择应遵循以下几个原则[1]:第一,准确性原则,即质量控制精度的要求;第二,经济性原则,即检验成本的承受能力;第三,适用性原则,即设备人员环境的适用状况;第四,简捷性原则,即使用最少的标准样品尽可能控制多个不同含量范围的元素。

2.3 监控样品、控制样品及类型标准化样品

监控样品用于监控仪器的漂移程度。光谱分析过程中由于环境、氩气压力等变化,以及透镜污染、电极玷污等因素会导致仪器的波动,因此需要按设定的时间间隔分析监控样品。若监控样品中目标元素的测定值超出质控图中目标元素测定值的上、下限,则按报警提示进行相应的标准化操作。

控制样品用于验证检验钢种类型标准化是否满足正确度检验要求,与ABC 精度管理样品组合使用。控制样品的结构、成分均匀,其元素含量范围对应监控钢种元素含量范围的中、上限,用于快速核查仪器偏差程度,以减少不必要的工作量。

类型标准化样品一般在分析某一类型钢种时使用,用于修正待分析样品与建立工作曲线的标准样品之间由于组织结构和化学组成不一致引起的结果偏差。类型标准化样品的组织结构、化学成分均匀,并且要与待分析样品一致,元素含量要有准确的定值。类型标准化样品最好是自制的生产内控样,如果没有合适的类型标准化样品,也可选用两个或多个类型标准化样品组合使用。

2.4 快分系统中临界差的选择

GB/T 4336—2016[2]规定用临界差CD0.95来衡量监控样品、控制样品是否满足检验要求,但在实际应用过程中,测量数据明显小于CD0.95。文献[3]提出采用比CD0.95更小的0.65r(r为重复性限)作为临界差;对于个别元素如铬,0.65r又过于严苛,在实际应用时,临界差可选择为0.65r～r。

根据GB/T 4336—2016(包含国家标准第1号修改单XG1—2017)[2]和T/CSTM 00010.2—2017[4]中精密度的r计算公式,将各元素相应含量段的r直接转换成标准偏差(s),得到钢铁成分重复性分析误差(部分元素的重复性分析误差见表1)。利用仪器程序软件中允许差可以自行设置的功能,将误差一一录入仪器分析软件并保存,在分析过程中仪器软件会自行判断待测样品测量值是否满足r要求,若两次测量值极差满足表1相应r要求,软件自动计算平均值并上传;若两次测量值极差不满足r要求,仪器会继续分析,直到满足要求;若测量值始终不能满足r要求,则需重新制样分析。

表1 钢铁成分重复性分析误差Tab.1 Repeatability analysis error of steel composition

2.5 ABC管理

ABC管理主要是对仪器设备的短期精度、长期精度、准确度的波动进行管理,将波动控制在理想范围内。A 管理是指对同一试样重复分析值之差的管理,光谱分析中用两次激发结果差值的管理界限、不同班次对同一试样重复分析差值的管理界限、不同仪器对同一试样分析差值的管理界限;B 管理是指对标准样品分析值与标准值之差的管理;C 管理是指对未知试样的仪器分析值与化学分析值之差的管理[5]。

A 管理对试样的均匀性、定值准确度都有较为严格的要求,所以需选用有准确定值的标准样品或内控管理试样[6]。B管理是A 管理的补充与完善,因此B管理的样品选用要求与A 管理的一致。结合生产工序现场质量要求不断地实践、总结,形成快分系统的ABC管理精度(部分元素的ABC 管理精度见表2),进而对各元素精度进行控制。

表2 快分系统的ABC管理精度Tab.2 ABC management precision of automated rapid analytical system

在自动状态下,接班人员完成仪器点检、维护和类型标准化以后,还必须进行AB管理精度分析,并且在设定的时间间隔(6 h)再次分析B 管理样品。若由仪器工作曲线漂移引起AB 管理精度超差,则进行标准化校正;若由仪器硬件引起AB 管理精度超差,待查明原因修复后重新进行AB 管理精度确认。正常情况下AB管理样品的元素按照样品元素含量低、中、高三段进行控制,分析结果偏差必须在AB管理精度范围内方可分析生产试样。每季度采用一定数量的以往的C 管理样品确认光谱仪工作曲线,元素含量要有低、中、高梯度,要求光谱分析值与其他检验方法的偏差不能大于C管理精度。

2.6 LIMS在质量控制中的应用

利用LIMS的预警功能,结合判定通知单,设定每个钢种元素含量的上、下限,对各个样品检验元素设定逆序、百分比等预警指标,用不同颜色、亮块等进行提示预警,及时发现异常检验数据并采取有效措施,对检验可疑数据进行再分析,核查确认无误后发布,避免了质量异议风险。通过LIMS对不同人员进行相应授权,对检验全过程进行监控,确保数据转移、修正(平移修正和转动修正)、更改信息全程记录可追溯,杜绝检验数据的人为干扰,保证检验数据的可靠及安全。

2.7 质量管理控制评价

每月对炼钢检验快分系统运行情况进行分析、总结、评价,具体包括以下几个方面内容:①检测数量、报告差错率及差错原因、延迟报告率及原因、仪器故障时间及原因、异议情况及结果;②班组、作业区质量抽查情况;③不同仪器间比对、实验室间比对分析结果及评价、结论;④仪器的核查情况及评价、结论;⑤异常情况的处置;⑥存在的问题及控制措施等。

本工作介绍了快分系统组成及工作流程,通过光谱仪的校准及日常维护点检,标准样品、监控样品、控制样品及类型标准化样品的使用,以及临界差和ABC管理等质量控制技术,利用LIMS对异常数据进行预警提示,建立了一整套用于自动化快速分析实验室的质量管理控制系统,提高了光谱仪自动化分析的准确度,以及自动化快速分析实验室内部质量管理的水平和能力。