論直讀光譜法測定鋼鐵中碳硫元素結果的準確性

付春梅

（西寧特殊鋼股份有限公司，青海 西寧 810001）

1 直讀光譜儀與直讀光譜儀原理

1.1 直讀光譜儀

直讀光譜儀又被稱之為原子發射光譜儀，簡稱OES，其是在二戰后期衍生的一種元素分析設備，目的是滿足二戰后歐洲一些國家鋼鐵生產的需要。當時直讀光譜儀較為笨重，占地面積較大，直到上世紀60年代后，計算機技術的進步，才使得直讀光譜儀得到了優化，解決了傳統應用中的問題，提升自動化水平，為現代鋼鐵企業冶煉生產提供保障[1]。

1.2 直讀光譜儀原理

直讀光譜儀利用的是原子發射光譜分析原理，具體流程為：樣品在電弧或電火花作用下生成原子蒸汽，蒸汽被計劃后會產生不同的發射光譜，這些發射光譜會通過光導纖維快速傳遞到光譜儀中，利用分光室內的色散儀將不同波段的射線光譜，傳入光管內完成測量，按照光譜強度正比值及內部預制校準曲線即可了解被測樣品中元素種類和含量。最終結果會以百分比形式展現出來。

現代直讀光譜儀按照工作原理可分為經典光譜儀和新型光譜儀兩種。前者利用經典空間色散原理識別元素，確定含量，屬于狹縫光譜儀；后者是借助調制原理來達到檢測目標，屬于分光光譜儀。

2 碳元素分析中影響準確性的因素

2.1 試驗分析

一是儀器準備。本次檢測工作中，采用瑞士生產的ARL4460型光譜儀，特點為：可檢測25種之多的元素，可測定酸溶鋁和酸溶硼，不過對工作環境溫濕度有要求，溫度應控制在15～30℃之間，濕度在80%以上，要求在儀器使用時溫差變化不得超過5℃。二是分析要求。氬氣濃度大于99.995%、輸入壓力0.20MPa～0.30MPa、鎢電極，頂角9O°、分析間隙3mm。CS-901B紅外碳硫分析儀要求載氣為氧氣，分析時間30秒，助熔劑為鎢粒。三是實驗方法。分別選取標準和待測樣品，并實施打磨處理。實驗中先對標準樣品實行平行激發，按照標準曲線校正分析曲線。再對待測樣品進行平行激發，獲取平均值完成對比分析。兩組樣品均平行激發3次[2]。

2.2 結果與討論

2.2.1 條件選擇

預燃、沖洗和曝光時間。在對中低合金鋼樣品檢測中，直讀光譜儀的出廠時間設定在25秒，其中沖洗時間10秒，預燃7秒，曝光8秒。之后以單因素實驗的方式，實施樣品檢測。參數調整完成后，將其放入到YSB178a-2045鋼光譜控樣內，檢測參數精準度。在鋼光譜控樣中，平行激發次數約10次，記錄每次所得數值，最終計算得出平均值、標準偏差、相對標準偏差。實驗結果可知，將出廠設備參數下調，可縮短單樣分析時間，提高分析效率，保證精準度。如將沖洗縮短到2秒，預燃縮短到6秒、曝光縮短到3秒，單樣分析縮短14秒，分析速率提高56。

2.2.2 氬氣純度與流量

在直讀光譜分析中，氬氣含量不足會增加氧氣對譜線的吸收，進而降低譜線強度，影響結果準確性。尤其是在對碳、硫等元素分析中，這些元素均處于紫外線區，一旦氬氣不足，譜線會直接被氧氣吸收變淡，最終得到的含量檢測結果會偏低。為此，在碳、硫元素檢測中，要在高純度（近100%）的環境下進行。氬氣環境可利用氬氣提純或流量增加兩種方式實現。前者簡單，只需使用精純氬氣即可。后者因涉及到放電沖擊能力的強弱，在設置中，需結合實際情況予以科學處理。需注意的是沖擊力過高或過低，都會影響樣品檢測質量，影響最終檢測結果。沖擊力過低，樣品表面附著的化合物或氣體難以及時清除，阻礙激發效用，進而造成放電不穩定，增加檢測重復性；若沖擊能力過大，易使火花產生跳動，同樣造成放電不穩定，浪費氬氣。

為提高分析結果的精度，用隨機所帶的超低碳、硫、磷工作曲線來考察氬氣流量對測定的影響。綜合實驗結果了解到，氬氣或流量合適的環境下，可精準測得碳元素含量，對硫元素的影響不明顯[3]。

2.2.3 試樣制備

上文提過，試樣表面會對激發效果帶來影響，為改善檢測結果精確度，需對選擇樣品實施科學處理，減少表面雜質附著量；試樣大小尺寸需與激發臺相符，注重激發面覆蓋的全面性；試樣表面紋路應清晰、不可太光滑但也不能存在過多的縱橫交叉面。采用常規的砂紙制樣時，試樣需研磨到一定深度才能有效去除試樣表面缺陷。如試樣加工時間較長，會使試樣表面過熱，降低分析結果準確度。此外，在試驗中了解到，試樣表面溫度變化也會對最終分析結果帶來影響，降低最終檢測精準度。在試驗中，分別選擇兩塊試驗，一個表面用砂輪機處理，一個表面未經任何處理。對比分析后發現，前者在溫度控制上效果明顯，且紋路清晰，不容易受到不良因素的影響，可加強碳元素檢測含量的準確性，而后者存在變數較多，最終準確性有待考量。

2.3 碳元素檢測中的影響因素

一是溫度變化。試樣制備中，樣片表面溫度會快速升高，此時應采取冷卻降溫措施。對于含碳量較高的試樣，冷卻時，注意緩慢勻速進行，過激動作會破壞表面發光效果，造成發光不良或不發光情況。樣品制備中，溫度最好控制在40℃以內，注重樣品紋路的清洗，以完成光譜轉化和識別，增強最終分析結果的有效性。檢測中發現，碳的分析值遠遠低于鉆芯取樣的紅外吸收法的碳測定結果，原因是試樣的脫碳層較厚，為保證檢測結果的準確性，宜將斷面作為試樣的激發面。

二是鋁含量影響。鋁含量過高時，碳元素最終測定結果會高于實際值。這是因為碳的原子線為193.090NM，鋁的原子線為193.003NM，在直讀光譜測定時，鋁的原子線會增大碳的原子線強度，使最終結果高于實際值。同時，鋁含量過高，激發中造成擴散放電，最終檢測結果偏高。

三是環境溫度影響。外界溫度升高，尤其是在夏季，樣品表面溫度升高，無法被完全激發，使得最終檢測結果高于實際含量。如果具備空調系統，可將室內溫度調至25℃，以加強檢測準確性。根本原因是溫度的變化會使工作曲線產生漂移，故在不同季節溫度變化較大時，要盡量保持儀器工作環境恒溫，及時做完全標準化對工作曲線予以校正。每8h做一次標準化校正，分析結果即能滿足準確度要求。

2.4 硫元素的影響因素

硫元素因譜線波長較短，影響因素多，識別難度大，使得最終檢測結果準確性受到影響，在實際作業中，一般會以紅外碳硫儀輔助直讀光譜儀共同開展檢測工作，但這樣檢測效率會有所降低。硫的影響因素如下。

2.4.1 樣品組織結構

檢測中選用樣品有兩種，標準樣品和樣品。標準樣品是按照國際標準樣品要求制作的，以鍛造、軋制結構為主；樣品是以澆鑄形態出現的。兩者雖然選材相同，但制作工藝明顯不同，組織結構與性能會存在差異，受光源侵蝕后譜線反射會存在較大差異，使最終分析結果存疑。尤其是在硫元素檢測中，因其自身特征影響，最終檢測結果與實際含量存在偏差。為消除組織結構不同造成的影響，在光譜分析中采取如下措施：在原校準曲線的基礎上，根據樣品特點制作現場校準曲線；用控制樣品進行類型標準化，用控制樣品類型標準化后的曲線實行樣品分析。

2.4.2 樣品制備

要想加強硫元素檢測結果精確性，在樣品制備中，表面不得附著多余雜質，紋路要清晰，無砂眼、氣孔等問題。一個條件不滿足，光譜分析值和紅外吸收值都將出現較大偏差。樣品打磨時應注意不得過于光滑。另外，試樣打磨后的冷卻過程，是由外至內逐漸冷卻的，由于中心溫度高于邊緣溫度，硫向中心富集造成偏析，易使測定結果偏差較大。因此在制取試樣時要緩冷，避免急冷。

2.4.3 溫度控制

溫度過高，檢測值會高于實際值。因此，檢測前，需測定溫度，或對樣品實施冷卻處理，達到標準要求后，開展檢測工作。硫是鋼中易偏析的元素，分析時應至少激發3個點，激發點要分布均勻。試樣中采用上述措施，硫量的分析準確度提高，抽取120組硫的光譜分析值與紅外吸收法分析值比對。

3 特殊形狀的光譜分析

3.1 形狀處理

特殊形狀試樣單靠打磨是很難打造出適合激發的面或者固定在激發臺上的，應先處理再使用。不同形狀試樣的處理方式為：曲率半徑小的試樣直接壓扁，形成一個完整平面，之后實施檢測。厚度在5mm以下的試樣，利用夾具固定切割出一個完整平面，打磨處理后應用；對于厚度小于5mm的不銹鋼試樣，將其切割成一定面積的小試樣后，固定在兩側帶有螺絲固定的凹槽夾具上完成打磨；對于直徑大于3mm的焊絲或焊條進行輕微沖擊壓扁后，再開展光譜分析。

3.2 標準化試樣分析

標準試樣分析中會因為前期預處理使其與其他試樣分析結果存在偏差。為此，在標準試樣選擇中，除了要遵守標準規范外，應對其物理性能、成分、規格等基礎信息展開研究，從中選出合理試樣開展檢測工作。檢測中對于碳、硫元素采用紅外吸收法，其他元素可應用濕法。

4 結果分析

精確度與準確度最終的試驗結果分為：化學法下，碳元素測定值為0.031W/%，硫元素0.020W/%，磷元素0.021W/%；本法測定中，碳元素測定值為0.028W/%，硫元素0.018W/%，磷元素0.013W/%；RSD下碳元素測定值為3.7/%，硫元素3.5/%，磷元素15.4/%。

5 結束語

上文以試驗研究方式，對直讀光譜法測定及碳硫元素結果準確性影響因素展開分析，希望對鋼鐵冶煉有所幫助，創造出更大的收益。