利用Spark－DAT法檢測鋼中硼和夾雜物

沈 忱

（天津鋼鐵集團有限公司技術中心，300301）

0 引言

火花數據采集處理系統（Spark－DAT），又名單火花分析法，也叫做火花源發射光譜儀－脈沖差別分析法（OES－PDA），是火花源原子發射光譜儀的一種高端配置。Spark－DAT使OES的應用領域更加廣泛，由于其能夠在很短的時間內檢測分析出鋼鐵中的微量元素和夾雜物，有助于鋼鐵冶煉過程中的雜質控制和工藝優化。通過鋼鐵中夾雜物的快速分析或高科技替代手段，能夠改善由于夾雜物的存在而影響的鋼材性能。

1 Spark－DAT分析技術在鋼鐵行業的應用

過去十年間，使用Spark－DAT對元素的定量檢測以及夾雜物的分析，在鋼鐵行業中已經越來越多。概括來說，這項分析技術可以用于以下幾個方面：

（1）酸溶（或不溶）物分析：Spark－DAT對元素被激發時所獲得的火花強度的分布進行數據處理，從而能夠利用數學建模計算出酸溶（或不溶）物的成分含量。

（2）材質的純凈度：Spark－DAT可以統計出各元素通道中不同強度的脈沖計數。其中低強度的脈沖信號表示該元素以固溶的形式存在，高強度的脈沖信號則表示對應元素析出相的形式，脈沖計數值也可以用來表示這種材質的純凈度。因此，該項技術可在實際生產中隨時隨地監控工藝流程各階段產物的純凈度變化，從而對工藝流程的改良具有重要意義。

（3）夾雜物的分析：Spark－DAT能夠快速分析鋼中的夾雜物。通過對30多個元素通道中火花強度的同時采集，可以快速推斷出材質中夾雜物的組成成分，還可以獲得共存多元夾雜物的組成成分。

（4）元素分析精度的改善：Spark－DAT可以提高含量較低的元素（比如鋼中含量較低的C、N、O等元素）的分析精度。同時能夠有效地排除外部因素造成的異常信號，從而得到理想情況下的激發信號，提高了C、N、O等元素的分析精度。

Spark－DAT也可以用于很多不同的日常用途，如填補或者替代常規的夾雜物分析技術；替代關于夾雜物的相關性能或者特征的分析技術等。另一方面，Spark－DAT在精簡或者替代現有的夾雜物分析技術方面也蘊含著巨大的潛能。

Spark－DAT在分析過程中能夠逐一獲得電火花信號，它不會像常規的獲取方式一樣將全部的單一火花的信號（單火花信號）進行統計匯總，而是通過采集每次火花激發出的光強度并單獨儲存下來，用于特別處理。Spark－DAT也并非采用傳統的峰值積分法（PIMS）計算方式，在將光電信號傳輸給計算機之前，火花數據采集處理系統并不是單純地采用積分的方式，而是對所儲存下來的光強度信號進行數字信號分析，從中提取最有用的信息。

Spark－DAT中元素的定量檢測和夾雜物分析均使用相同的儀器，與其他常規的夾雜物分析方法相比，極大地減少了各種成本消耗。元素的定量檢測和夾雜物的分析既能夠分開進行，又能夠同步進行。Spark－DAT的操作過程中也包含著若干階段，如惰性氣體（氬氣）沖洗、樣品預燃、樣品激發以及信號收集等。在這種情況下，Spark－DAT的信號收集工作可以優先于元素測定的積分時間，在首個信號收集階段對單火花信號進行統計匯總。而用于光譜化學分析的光電信號則在積分時間進行統計匯總，并不會使OES的分析時間增加。例如，使用火花源原子發射光譜儀，合金鋼中元素的定量檢測從開始激發試樣到分析數據顯示在計算機上，整個過程消耗的時間為20 s左右，而單一夾雜物的分析只需要5 s左右的時間，即使進行同步分析，整個過程消耗的時間也會少于25 s。如果Spark－DAT中的數據匯總工作可以安排在定量檢測的預積分時間內，那么元素的定量檢測和夾雜物的分析能夠在23～25 s內逐步完成，而原來的普通OES分析方法所需要的時間則為30 s。由于進行同步分析之外所消耗的時間對于很多鋼鐵企業來說，都在可接受的范圍內，因此這些企業可以將Spark－DAT中夾雜物的分析項目增加到檢測流程中。

本文通過Spark－DAT法，利用ARL－4460火花源原子發射光譜儀的隨機校準曲線，通過使用特定的標準樣品，以及優化樣品制備手段等方式，分析鋼中的硼元素的成分含量，以及鋼中一些夾雜物的情況。

2 實驗部分

2.1 分析方法

采用單火花分析法，即火花源發射光譜儀-脈沖差別分析法（OES－PDA）。

2.2 實驗條件

環境條件：室內溫度15~30℃，在同一個再校準周期內室內溫度變化不超過±5℃，相對濕度小于80%。

2.3 儀器設備

分析設備：ARL-4460型直讀光譜儀；制樣設備：HV－V型全自動快速銑樣機。

2.4 標準物質精密度

ARL-4460火花源原子發射光譜儀硼元素的精密度（重復性限和再現性限）計算公式為：重復性限r＝0.069 0m＋0.00002，再現性限 R＝0.2729 m＋0.0004。

選擇一種光譜分析標準樣品，標樣編號YSBS11268-2005，硼元素標準值（質量分數）為0.011%，通過公式計算出重復性限r=0.000779；再現性限R=0.003402。

2.5 Spark－DAT測定硼元素

將編號為YSBS11268-2005的標準樣品，通過全自動快速銑樣機來進行樣品制備，然后立即將制備好的樣品分別激發6次，記錄6次的激發值，再通過ARL－4460火花源原子發射光譜儀的OXSAS系統軟件計算出平均值（AVG）、標準偏差（SD）和相對標準偏差（RSD）。分析數據以及計算結果如表1所示。

表1 Spark－DAT法的分析數據

2.6 硼的酸溶分析

編號為YSBS11268-2005的標準樣品，通過對硼元素激發時獲取的火花強度分布進行統計處理，從而能夠用數學模式計算出酸溶硼（Bs）以及酸不溶硼（Bins）的含量，如表2所示。

表2 Spark－DAT法的酸溶情況分析數據

2.7 硼的單火花譜圖

編號為YSBS11268-2005的標準樣品，經過Spark－DAT進行單火花信號采集后的硼元素的譜圖，如圖1所示。

2.8 夾雜物分析

通常情況下，鋼中比較常見的夾雜物一般會有碳化物（碳化鋁、碳化鈦等）、氮化物（氮化鋁等）、氧化物（氧化錳、氧化鋁和氧化鈣等）、硼化物（硼化鈦等）、無機鹽（氯化鈉、氯化鎂、氯化鉀、氯化鈣等）、耐火材料（二氧化硅）、尖晶石（鋁酸鎂）、金屬間化合物（鉻－錳－鐵等）以及各種不同的化合物（磷化鎂、磷化鋁、硫化物、鋁化合物等）。它們基本都可以使用Spark－DAT法來進行分析，采用專門的算法計算出峰（或者相關峰）的數目，就可以表示出各種夾雜物的存在。

圖1 硼的單火花譜圖

編號為YSBS11268-2005的標準樣品、夾雜物的強度峰個數的分析情況如表3所示。

3 結果與討論

（1）從表1中的實驗數據可以看出，通過Spark－DAT法測定硼元素的結果，符合分析方法的精密度要求。

（2）從表2中的實驗數據可以看出，使用Spark－DAT法檢測鋼中的酸溶硼（Bs）的結果比較令人滿意，基本能夠滿足生產過程中實驗監測的要求。Spark－DAT法并不是采用虛擬曲線，而是采用真實曲線統計出來的光強度值，從而計算出酸溶硼（Bs）。經過實驗數據表明，Spark－DAT法比其它的分析方法更加科學、準確、可靠，在實際應用中的優勢也更加明顯。

（3）從表3中的實驗數據可以看出，編號為YSBS11268-2005的標準樣品，對其中可能含有的夾雜物分析結論為：三氧化二鋁、氧化鈣、二氧化鈦、鋁酸鈣、硫化鈣。

（4）Spark－DAT法相當于在OES法中添加了一個新的維度，可以使元素的定量檢測和夾雜物的分析同步進行。與其它的夾雜物分析方法相比，Spark－DAT法能夠實現夾雜物的快速檢測和有效分析，還可以對細化加工過程中的夾雜物進行及時監控。較低的投資成本是Spark－DAT法的另一大優勢，與很多需要專用儀器設備的分析方法相比，Spark－DAT法并不需要特殊的樣品制備手段和其它額外消耗，樣品的制備可以采用常規的OES法樣品制備條件，過程更簡單，成本消耗更低。

表3 元素的強度峰情況

（5）Spark－DAT法還能夠在單一儀器設備上更好地監控一些對鋼種性質和性能具有顯著影響的微量元素，例如碳、氮、磷、硫、鎳、鉻、銅、鉬、釩、鈮、鎢、砷、錫、鈷、鉛、銻、鉍、硒，以及某些情況下的氧。這一優勢能夠實現分析投入和消耗成本的顯著降低，同時能夠讓生產工藝流程具備更短的響應時間、更少的生產能量消耗。

（6）除了對鋼中鋁、硼等元素的可溶（或不可溶）部分進行含量測定，以及對部分夾雜物進行分析之外，Spark－DAT還有很多其他的應用方式。比如可以取代一些比較耗時或者分析成本較高的方法來測定某些鋼種的特性或性質；可以很快地篩選出金屬成品中的夾雜物，方便質量監控信息的及時反饋；可以評定一些定義為過程標記的夾雜物，即監測生產工藝流程中的一些關鍵夾雜物等。