基于光電直讀光譜法的鋼中全鋁和酸熔鋁影響因素分析

李俊麗

（首鋼長(zhǎng)治鋼鐵有限公司，山西長(zhǎng)治 046031）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鋼材在各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，相關(guān)部門對(duì)鋼產(chǎn)品的質(zhì)量具有較高的要求。為了保證鋼鐵的使用質(zhì)量、性能，在鋼產(chǎn)品制作過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行必要的化學(xué)分析。鋁是煉鋼過(guò)程中常運(yùn)用的脫氧劑、致密劑、去氣劑，酸溶鋁主要指氮化鋁、金屬鋁，酸不溶鋁主要指氧化鋁。兩者并無(wú)明顯區(qū)別，但氧化鋁不會(huì)在酸中溶解，氮化鋁不會(huì)完全在酸中溶解。光電直讀光譜法在兩者的分析對(duì)比中發(fā)揮重要的作用，其對(duì)新工藝、新技術(shù)在煉鋼中的推廣、鋼材質(zhì)量及性能提升均具有重要意義。

傳統(tǒng)化學(xué)分析中，耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)且成本較高，會(huì)產(chǎn)生較多的物料消耗，具有使用限制。為了減少鋼產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中化學(xué)分析占用的時(shí)間，減輕化學(xué)分析步驟，可采用光電直讀光譜法對(duì)常規(guī)元素、不同形態(tài)鋁進(jìn)行分析，促進(jìn)鋼鐵行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)主要運(yùn)用凈化器、磨樣機(jī)、銑樣機(jī)、光譜儀，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的精確性、試驗(yàn)的進(jìn)度，需要科學(xué)選擇設(shè)備型號(hào)。

凈化器、磨樣機(jī)、光譜儀使用的型號(hào)分別為氬氣凈化器、TM-150、HV-V1、ARL4460。

氬氣的壓力需要控制在2.5×105Pa，可徹底清除樣品中殘留的室內(nèi)空氣、雜質(zhì)氣體。

除此之外，氬氣的沖洗時(shí)間、預(yù)燃時(shí)間、積分時(shí)間等，需要根據(jù)激發(fā)室的容積、氬氣純度和流量、待測(cè)樣品表面對(duì)水分和氧氣平均吸收量等諸多因素進(jìn)行決定。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要科學(xué)選擇氬氣純度，避免樣品在激發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)選擇性氧化，維持放電狀態(tài)的穩(wěn)定性，以不斷提高光譜分析的精度。氬氣中水分、氧氣等會(huì)影響樣品的激發(fā)放電進(jìn)程，含量較高時(shí)研究人員無(wú)法得到準(zhǔn)確的預(yù)燃時(shí)間，需要保持在99.995%以上的純度。

1.2 試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)對(duì)周圍環(huán)境具有較高要求，其基體選擇Fe和Al分析線為396.1 nm。分析電極采用三峰放電方式，錐角鎢電極30°，極距設(shè)置為3 mm，氬氣純度應(yīng)控制在99%～99.996%之間。

除此之外，激發(fā)流量應(yīng)控制為10 L/min，待機(jī)流量需要控制在0.1～0.5 L/min，試驗(yàn)過(guò)程需要在常溫25 ℃環(huán)境下進(jìn)行，且濕度需要控制在30%～70%[1]。

2 影響因素

2.1 取樣方法

在試驗(yàn)過(guò)程中，針對(duì)試驗(yàn)的選取，需要試驗(yàn)人員選擇適宜的取樣器、合理的取樣方法。取乒乓球拍形的生產(chǎn)試樣，通過(guò)風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)將其送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，相同的鋼包分別在不同的取樣器使用下進(jìn)行取樣。

相同鋼包運(yùn)用不同取樣方法時(shí)，其試驗(yàn)結(jié)果會(huì)存在較大差異，影響最終的試驗(yàn)結(jié)果。

不同的取樣器在材質(zhì)上具有差異性，如部分取樣器含有鋁成分，在樣品傳遞過(guò)程中，若周圍環(huán)境溫度較高，取樣器中的鋁成分會(huì)與樣品產(chǎn)生熔融，導(dǎo)致樣品結(jié)果含量較大。為了避免不同取樣器對(duì)取樣結(jié)果造成影響，應(yīng)采用無(wú)鋁取樣器完成采樣[2]。

2.2 制樣方法

當(dāng)前鋼鐵企業(yè)對(duì)鋼樣品具有高質(zhì)量的生產(chǎn)要求，如完成加工的鋼樣品需要無(wú)油污、無(wú)夾渣、無(wú)砂眼，同時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)較大裂紋。乒乓球拍試樣通過(guò)人工磨樣機(jī)進(jìn)行磨制，在鋼樣品加工完成后，應(yīng)避免用手觸碰，同時(shí)也不可與其他脂類物質(zhì)產(chǎn)生過(guò)多接觸，避免影響鋼樣品質(zhì)量。加工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制操作溫度，維持其組織結(jié)構(gòu)的細(xì)密均勻性，減少分析結(jié)果的誤差。

傳統(tǒng)鋼樣品生產(chǎn)中，通過(guò)60目Al2O3砂紙進(jìn)行磨制，導(dǎo)致磨料侵入，成本較高且效果不理想，影響分析結(jié)果的確定性[3]。為了使試樣產(chǎn)品達(dá)到生產(chǎn)需求，減少砂帶磨制樣品時(shí)分析結(jié)果的偏差，可采用銑樣機(jī)對(duì)樣品表面進(jìn)行銑削，可提高酸溶鋁和全鋁的分析準(zhǔn)確性。銑樣機(jī)刀片不易影響樣品銑削對(duì)鋁的分析結(jié)果，在具體應(yīng)用中，相關(guān)人員應(yīng)根據(jù)刀片的磨損情況及時(shí)進(jìn)行更換，避免其表面不平整，影響整體分析結(jié)果。

2.3 預(yù)燃時(shí)間

本次研究根據(jù)需要設(shè)置了不同的預(yù)燃時(shí)間，分別為2、6、10、14、18 s，對(duì)不同預(yù)燃時(shí)間節(jié)點(diǎn)的鋁元素變化情況進(jìn)行分析，探討預(yù)燃時(shí)間對(duì)分析結(jié)果造成的影響。

鋁元素在預(yù)燃2～6 s時(shí)，鋁元素的含量變化存在較大的浮動(dòng)性，在10～14 s后其含量結(jié)果和譜線圖趨于穩(wěn)定[4]。針對(duì)鋼產(chǎn)品生產(chǎn)，為了使其滿足樣品生產(chǎn)的根本需求，9～14 s預(yù)燃可對(duì)鋼產(chǎn)品中不同形態(tài)鋁含量進(jìn)行準(zhǔn)確、穩(wěn)定檢測(cè)。在火花源中，鋁具有親氧性，放電過(guò)程中試樣的表面會(huì)出現(xiàn)選擇性氧化，導(dǎo)致表面侵蝕程度小，其重爐時(shí)間較短，且具有較差的均勻性，無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定激發(fā)的目的。因此，相關(guān)人員應(yīng)科學(xué)選擇預(yù)燃時(shí)間，確保樣品達(dá)到良好的預(yù)燃狀態(tài)，保證結(jié)果分析的準(zhǔn)確性。

2.4 積分方式

傳統(tǒng)鋼產(chǎn)品鋁含量的檢驗(yàn)，全積分方式無(wú)法徹底去除夾雜、氣孔，導(dǎo)致分析結(jié)果不正確。全積分方法指將光電倍增管輸出的電流，在積分器上以單位時(shí)間積累的總電壓作為譜線的強(qiáng)度，再根據(jù)強(qiáng)度進(jìn)行全積分。該方法無(wú)法有效去除激發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的夾雜、氣孔，易將不正常的信號(hào)進(jìn)行積分，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不準(zhǔn)確[5]。

為了避免積分方式的不同影響最終檢測(cè)結(jié)果，可選擇脈沖分布分析的方法進(jìn)行試驗(yàn)。脈沖分布分析法（PDA）在鋼中鋁的定量鑒別分析上具有較強(qiáng)的適用性，可對(duì)每個(gè)脈沖的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行積分處理，去除不正常的脈沖。對(duì)鋼中夾雜物、粒徑分布進(jìn)行分析，分離非固溶元素、固溶元素的脈沖區(qū)，將火花放電的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為頻度分布，對(duì)其形狀的非對(duì)稱性進(jìn)行觀察。應(yīng)用脈沖分布分析法，在實(shí)際應(yīng)用中可有效處理涉及的積分，有效減少夾雜、氣孔的發(fā)生概率，避免對(duì)分析結(jié)果造成較大影響。

在脈沖積分方式分析過(guò)程中需要注意，1 000 V以上的脈沖可對(duì)氧化鋁的夾雜物進(jìn)行精確測(cè)量，在氧和鋁的每個(gè)脈沖發(fā)光強(qiáng)度中，檢測(cè)金屬鋁、氧化鋁的含量及放電情況，并對(duì)兩者的數(shù)值進(jìn)行相加，可得到準(zhǔn)確的全鋁含量。相較PNI積分方式，在鋼鐵鋁含量檢測(cè)中，PDA積分方式的應(yīng)用價(jià)值更高[6]。

2.5 工作曲線、共存元素

本次研究選用的光譜儀在出廠時(shí)其曲線標(biāo)樣較少，且標(biāo)樣點(diǎn)的分布不緊密，爐前試驗(yàn)分析結(jié)果誤差較大。相關(guān)人員應(yīng)結(jié)合行業(yè)有關(guān)鋼中鋁含量的規(guī)定范圍，根據(jù)標(biāo)樣中不同形態(tài)鋁的基本含量梯度，科學(xué)制定鋁的工作曲線。

除此之外，由于在試樣中存在大量的共存元素，如易電離元素，在電光火花電源中，其放電過(guò)程形成的電離，會(huì)產(chǎn)生較多的電子壓力、電力濃度，抑制共存元素分析發(fā)生電離反應(yīng)，影響譜線的強(qiáng)度。

相關(guān)人員進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，其將共存元素干擾修正加入新制作工作曲線上，可獲得良好的試驗(yàn)效果，提升了不同形態(tài)鋁的測(cè)定準(zhǔn)確性，如Mo、Mn、Ni、V等。

2.6 精密度試驗(yàn)

本次研究對(duì)4塊標(biāo)準(zhǔn)樣品均進(jìn)行了重復(fù)性試驗(yàn)，對(duì)其精密度進(jìn)行連續(xù)10次試驗(yàn)，整體測(cè)定結(jié)果、精密度計(jì)算結(jié)果較高。與此同時(shí)，選取了5塊不同時(shí)間內(nèi)表面平整且沒(méi)有裂紋的生產(chǎn)樣品，進(jìn)行化學(xué)分析、光譜分析對(duì)比試驗(yàn)，其整體準(zhǔn)確度較高。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著鋼材在多個(gè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，提升鋼產(chǎn)品質(zhì)量是大部分鋼鐵生產(chǎn)公司的主要目的。鋼鐵產(chǎn)品具體制作過(guò)程中，產(chǎn)品質(zhì)量會(huì)受多方面因素的影響。針對(duì)相關(guān)質(zhì)量把控人員，其需要嚴(yán)格把控相關(guān)因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，根據(jù)鋼鐵企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)情況，采取科學(xué)合理的質(zhì)量控制措施，不斷提升鋼鐵公司社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益。本文通過(guò)對(duì)不同形態(tài)鋁分析過(guò)程中各環(huán)節(jié)的影響因素進(jìn)行分析，為了避免分析結(jié)果受到影響，需要對(duì)取樣方式、制樣方式進(jìn)行改善，并改變鋁測(cè)定過(guò)程中設(shè)備的預(yù)燃時(shí)間、現(xiàn)場(chǎng)制作的工作曲線，同時(shí)加入共存元素的校正，避免不同環(huán)節(jié)因素對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。直讀光譜儀可對(duì)不同形態(tài)鋁在鋼中的含量進(jìn)行分析，且具有較高的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，分析范圍廣泛，適合用于鋁鋼的質(zhì)量控制工作，可推動(dòng)我國(guó)鋁鋼事業(yè)發(fā)展。