直讀光譜技術在鍛鋼軋輥檢測中的推廣應用①

張大偉， 孫菲菲

(寶鋼軋輥科技有限責任公司，江蘇 常州 213019)

引 言

隨著檢測技術的不斷發展，工業生產對檢測效率的要求逐步提高，常規工業生產中，傳統的化學分析方法正逐漸被儀器分析取代，直讀光譜分析技術以其檢測精度高、檢測速度快的特點得到了較廣泛應用。但在實際生產中，直讀光譜儀的檢測精度仍受多方面條件影響，包括儀器廠家技術能力、儀器狀態、透鏡系統的清潔程度、電極的形狀等影響長期精度的因素；還包括儀器的調整(電極的位置)、標準樣品類型標準化的執行、保護氣(氬氣)的純凈度、電源的穩定性、環境的溫(濕)度、分析試樣的狀態等影響短期精度的因素。本文重點討論直讀光譜技術在鍛鋼軋輥檢測應用中的影響因素及解決方法。

1 試驗過程

儀器廠家的技術能力、儀器的狀態、透鏡系統的清潔程度、電極的形狀等影響長期精度的因素的存在會直接造成檢測結果錯誤，而非簡單影響檢測精度，此類問題在檢測中比較容易發現，故本文將不對此做詳細討論；需重點討論的是影響短期精度的因素，包括儀器的調整(電極的位置)、標準樣品類型標準化的執行、保護氣(氬氣)的純凈度、電源的穩定性、環境的溫(濕)度、分析試樣的狀態等。

1.1 試驗原理

每個元素都是由原子組成，而其原子核外電子均有獨特的分布。試樣接收外來能量(火花等)后，核外電子躍遷至高能級，高能級態電子不穩定，又會躍遷回基態，而躍遷回基態的過程，向外釋放具有特定波長的能量，原理如圖1所示。

ΔE=Eh-El=ch/λ

式中 ΔE為釋放的能量；Eh為高等級能量；El為低等級能量；c為光速；h為普朗克常數；λ為波長。

圖1 原理圖

通過收集計算不同波長強度，計算出激發試樣中各元素的含量。

1.2 試驗儀器

本試驗中主要應用的儀器有：SPECTRO TEST 直讀光譜儀；ICP-6300等離子發射光譜分析儀；CS-902G紅外碳硫分析儀。

1.3 常規影響因素的試驗

儀器繪制校準曲線時需使用標準樣品，標準樣品的化學性質和組織結構應與分析樣品相近似，且應涵蓋分析元素的含量范圍，最好組織和冶煉過程也與分析樣品相近[1]。試驗中用的標準樣品及其標準化學成分如表1所示。

表1 標準樣品化學成分含量/%

先將儀器調整至滿足試驗條件的狀態，然后分別進行：①調整電極距離；②去除電源穩壓器；③改變環境溫度；④改變氬氣純度；⑤改變樣品表面狀態，再檢測標準樣品A，記錄不同試驗條件下A樣品的檢測結果。

1.4 不同標樣的試驗

所有試驗條件調整到最佳，選取不同標準樣品B, 行類型標準化，檢測樣品A，各記錄3次檢測結果。

2 結果分析與討論

2.1 常規影響因素的試驗結果

從表2檢測結果可以看出：1)電極的距離不同會使得檢測結果偏差較大；2)正常的電流波動對檢測結果無明顯影響；3)一定范圍內的溫度波動，不影響正常檢測；4)環境溫度試驗結果確定，儀器可在-10～37 ℃環境溫度范圍內正常工作，而且檢測結果不受影響；5)氬氣純度不夠，會造成無法激發或激發不完全，從而使得檢測錯誤，檢測結果無參考意義。6)試樣表面的油污，會造成C的含量明顯增高，使得Si,P,S等非金屬元素結果出現偏差。

檢測中此類問題可以通過以下方法進行驗證：

(1)激發點：如圖2所示，同一試樣在不同激發條件下，產生的激發點存在各種差異，點1, 2外圈為褐色、內圈黑色、中心為麻點，為正常激發點檢測結果準確；點3,4外圈為灰色，內圈無或者部分黑色，中心為麻點，多為試樣與激發槍之間密封性不好，使得少量能量損失造成，此類檢測結果略有波動，檢測相對準確；點5, 6激發點與試樣無明顯界限，呈白色或灰色，多為氬氣不純造成，造成不完全激發，此類檢測結果偏差較大，尤其是C, P, S等非金屬元素，檢測結果無參考意義；點7斑點較小呈灰色，多為電極距離、角度、磨損(如圖3所示)等情況造成未激發，無數據結果。

(2)激發過程：正常激發時，激發火花為藍色，聲音相對清脆，積分時間固定；激發異常時，火花多為褐色、聲音刺耳，積分時間較長。

圖2 不同的激發點形態

圖3 激發電極的不同狀況

2.2 不同標樣的試驗檢測結果

所有影響因素中，造成激發異常的因素比較容易發現并能有效避免，其他影響因素對檢測結果的影響較小，此文不做贅述，相應的解決辦法在文獻[2]中有詳細敘述；本文重點討論標準樣品對檢測結果的影響。

從表3檢測結果可以看出：C樣品進行類型標準化后，檢測樣品A，所得結果與標定值基本一致；B樣品進行類型標準化后，檢測樣品A，所得結果重復性很好、波動較小，但檢測結果與標定值存在一定偏差。采用與樣品A化學成分更接近的C樣品進行類型標準化后，檢測結果更接近標定值，所以要求檢測中標準樣品的化學成分范圍應大于或者近于待測樣品的化學成分范圍。

3 控制樣品的制作

現行的標準樣品都是常規的標準牌號樣品。而鍛鋼軋輥并非標準牌號材質，其常用化學成分范圍如表4所示。

目前無法直接采購到所有元素與軋輥分析樣品化學成分含量相近的標準樣品，而且也無法保證其結構形態與待測樣品一致。在實際工作中，鍛鋼軋輥檢測時通常需要幾塊標準樣品共同完成校準曲線的繪制，而不同樣品之間的反復校準會引入誤差；分析樣品和標準樣品的冶煉過程、某些物理狀態的差異，常使校準曲線發生變化；各標準樣品之間的差異，標注樣品與待測樣品之間的差異，也會引入檢測誤差；這樣一來不但嚴重降低了檢測效率，也明顯增加了檢測的不確定性。綜上所述，目前無法從市場中直接采購到完全符合冷軋輥材質的直讀光譜標準樣品。為了避免此類偏差的影響，常用一個與分析樣品各方面狀態一致的控制樣品用于分析[3]，從而可以用一塊控制樣品完成所有元素的校準，減小檢測誤差。

表2 不同試驗條件下A樣品檢測結果

表3 不同標準化后A樣品檢測結果

控制樣品選自常規鍛鋼軋輥，增加其制造余量，使其按常規熱處理工藝經過冶煉、鍛造、球化、淬火、高溫回火工序，截取產品增加部分為原始試樣，鉆取鐵屑試樣，選三家國家認可的、具有化學成分分析資質的單位，用ICP等離子發射光譜分析儀、紅外碳硫分析儀，對鐵屑進行化學成分分析，所得檢測結果取平均值，即定為控制樣品的標準值，如表5所示。再將試樣加工至便于操作的形狀、尺寸，進行防銹處理，則控制樣品制作完成，可應用于實際生產中。

表4 鍛鋼軋輥常用化學成分范圍/%

w(C)w(Si)w(Mn)w(P)w(S)w(Cr)w(Ni)w(Mo)w (V)0.70～1.100.30～1.000.10～0.80≤0.02≤0.0154.50～6.000.30～0.800.20～0.800.10～0.60

表5 控制樣品的化學成分/%

4 結束語

根據以上直讀光譜技術在實際生產中的檢測結果，可知實際應用中要求：①氬氣純度不低于99.999%，壓力在0.5 MPa左右；②電極距離為2 mm；③正常工作環境溫度范圍為-10～37 ℃；④測試試樣表面平整、干凈；⑤標準樣品化學性質、組織、結構、冶煉方式應與分析樣品相近似，無合適標準樣品時，應制作控制樣品代替標準樣品使用。