直讀光譜儀對金屬材料化學(xué)分析準確度的影響

殷海艷，陳連芳

（1.江陰市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，無錫 江陰 214434；2.江蘇澄信檢驗檢測認證有限公司，無錫 江陰 214434）

直讀光譜儀是進行定量和定性分析的重要工具。它被應(yīng)用在許多領(lǐng)域。但是，從實際操作的角度來看，這些工具和設(shè)備的不當操作和不當維護將導(dǎo)致諸如檢測數(shù)據(jù)損壞和不正確的檢查結(jié)果。將不合格產(chǎn)品視為合格產(chǎn)品，并在實際生產(chǎn)中使用它們會給整個生產(chǎn)控制線帶來潛在的安全威脅，甚至引發(fā)事故。因此，在使用直讀光譜儀時，相關(guān)人員必須采取有效措施，分析影響直讀光譜儀檢測精度的因素，并根據(jù)影響因素制定相應(yīng)的保修措施，以更好地發(fā)揮儀器的作用。

1 光電直讀光譜儀概述

1.1 光電直讀光譜儀特點

自動化程度高，選擇性好，操作簡便，分析速度快和多元素定量分析可以同時進行。在使用光譜誤差分析時，傳感器和測光儀的誤差率通常超過1%，而在使用光電技術(shù)時，誤差率則超過1%，可以將測量誤差減小到小于0.2%，從而提供了高精度。分析樣品中的高含量元素。光電光譜的靈敏度取決于光源的性質(zhì)，儀器的狀態(tài)，樣品的組成和構(gòu)件的性質(zhì)。通常，當使用火花或電弧光源采集固體金屬、合金或粉末時，檢測范圍可高達0.1.10 ppm，溶液試樣為1納克至1微克每毫升[1]。在與真空光譜儀結(jié)合使用時，這種光譜儀對非金屬（如碳、硫和磷）也有很好的探測范圍。光電光譜是一種非破壞性的徑跡分析形式，可用于局部分析，使用原始材料確定直讀光譜儀。可根據(jù)不同的要求安裝各種基本板，如鐵、銅和鉛。例如，鉛基成分被用于測試，直接讀出光攝譜儀測量元件的第二通道。通常，此渠道是在選擇供應(yīng)商之后建立的。第一個是匹配當前使用的元素和內(nèi)容范圍，第二個是匹配可以在不久的將來針對新產(chǎn)品開發(fā)進行測試的元素和內(nèi)容。最后，根據(jù)國內(nèi)外行業(yè)的最新發(fā)展情況，確定未來發(fā)展趨勢中使用的要素范圍和內(nèi)容。根據(jù)以上三個方面，定義元素的范圍及其要測試的內(nèi)容。該通道可以滿足當前任務(wù)的需求。同時，也為企業(yè)的未來發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。直接讀出光譜的計器類型可分為非真空與真空的，取決于波長范圍。真空儀器通常在紫外線和可見范圍內(nèi)工作，真空儀器可在短波范圍內(nèi)使用，分為單通道和多級通道譜儀，電池行業(yè)通常使用真空多通道的光譜儀[2]。

1.2 直讀光譜儀的檢測原理

直讀光譜儀采用原子發(fā)射光譜法對金屬材料的化學(xué)成分進行分析，其檢測原理為：火花源在金屬塊樣品與對電極之間產(chǎn)生火花，固體樣品為蒸發(fā)形成氣態(tài)。激發(fā)后，原子或離子，氣體態(tài)原子或離子的外部電子躍遷到更高的能量水平。在受激狀態(tài)下，電子不穩(wěn)定性在幾秒鐘內(nèi)恢復(fù)到原基狀態(tài)或更低的能量水平，在這種情況下，能量以產(chǎn)生光譜線的光輻射形式發(fā)出，強度是根據(jù)觀察元素的光譜線的特性來確定的[3]。

2 在鋼鐵行業(yè)中使用直讀光譜儀的優(yōu)勢分析

在鋼鐵行業(yè)的化學(xué)分析過程中，直讀光譜法可以有效地提高化學(xué)分析的速度，從而為爐前鋼鐵的生產(chǎn)和加工節(jié)省一定的時間和金錢。

2.1 多渠道和多元素分析和測試

使用直讀光電光譜儀時，它可以檢測和分析多種元素。直讀式光電光譜儀可以在幾分鐘內(nèi)同時報告20或30個元素的結(jié)果，企業(yè)可以基于這些準確的數(shù)據(jù)更好地監(jiān)視鋼鐵生產(chǎn)，并提高鋼廠的效率。

2.2 固態(tài)分析簡化預(yù)處理

直讀光譜儀的預(yù)處理模式比化學(xué)分析模式更簡單。使用直讀光譜儀進行檢測和分析之前，只需要研磨待分析樣品的表面即可；在進行化學(xué)分析時，處理需要對樣品進行初步研磨，然后進行熱分，樣品處理程序復(fù)雜。

2.3 自動化和多功能性

隨著時間的發(fā)展，直讀光譜儀開始朝著智能化和自動化的方向發(fā)展。在微電子和計算機技術(shù)的支持下，直讀光譜儀的檢測和分析開始實現(xiàn)高效、智能和自動化。計算機控制的機器和數(shù)字模型的集成和應(yīng)用可以有效地改善直讀光譜儀對數(shù)據(jù)和信息的提取。

2.4 定量范圍廣

直接讀出光譜儀的定量分析可從PPM水平擴大到百分比，這對分析痕量非常重要。在0.1%至1%或以下的范圍內(nèi)，光譜直接讀出的準確性大大高于化學(xué)分析的準確性。同時，使用直接讀數(shù)光譜儀也可以減少人為錯誤造成的干擾，從而提高直接讀出光譜分析儀器的精確度。

3 影響金屬材料化學(xué)分析光譜儀直接讀取精度的因素

3.1 氬氣純度

通常選擇氬作為光譜分析的重要保護介質(zhì)。由于氬氣不含氧氣，并且200 mm以下的短波氧氣光譜具有很強的吸收能力，因此經(jīng)過一系列分析后，它將降低光譜的譜線強度。在紫外線短波非金屬元素C，S和P的影響下，檢測的結(jié)果會下降。在低純度氬氣的情況下，會發(fā)生擴散放電現(xiàn)象，并且激發(fā)點會擴散，中心與外部之間的分界線為黑色或白色。氬氣的純度是測試結(jié)果的重要影響因素。

3.2 氬氣流量和基本壓力

氬氣的流量和壓力也直接影響氬氣在排出表面上的沖擊能力。在較低的沖擊容量的情況下，無法激發(fā)掉樣品激發(fā)過程中形成的氣體和化合物，同時，污染物會積聚在電極周圍，從而在連續(xù)暴露后會加速放電不穩(wěn)定。如果沖擊能力較高，則會產(chǎn)生火花，加劇放電的不穩(wěn)定性，最終影響測試結(jié)果，進而導(dǎo)致氬氣損失。

3.3 參考材料的選擇和使用

從實際應(yīng)用的角度來看，直接讀取光電光譜的一般分析方法是使用基準技術(shù)確定樣品中每種元素的含量，測試的準確性高度依賴于基礎(chǔ)類型和質(zhì)量，例如，當分析16Mn鋼樣品時如果使用的零件是1Cr17Mn6Ni5不銹鋼標準樣品，將導(dǎo)致分析結(jié)果嚴重錯誤。

3.4 槍頭放置方法

使用直讀光譜儀時，如果移液器槍頭的安裝不正確，則樣品和移液器槍頭的端部之間會形成間隙。在該間隙的作用下，空氣將流入激發(fā)室，流向電極并在樣品之間的區(qū)域中流動，最終在樣品被激發(fā)時發(fā)生漏光和漏氣的問題。同時，在金屬與氧氣之間會形成火鶴灰、深灰色和白色等異常現(xiàn)象，最終將嚴重影響測試結(jié)果。如果將金屬樣品放置在正確的位置，它將更好地發(fā)揮激發(fā)腔室對氬氣的保護作用，并在金屬熔化后形成雪花狀的銀激發(fā)點。

3.5 電極和電極之間的距離

發(fā)射光譜法的一個重要作用是激發(fā)電極，當檢測和分析時，激發(fā)電極材料不能包含被測元素。例如，使用碳電極分析鐵基材料會嚴重影響碳測定的準確性，因此，在分析鐵基材料時通常會選擇含銀或鎢材料的電極。使用這些電極時，電極之間距離的大小也會影響最終分析的準確性，最終會縮短間距并影響最終分析的準確性。

4 提高用于金屬材料化學(xué)分析的直讀光譜儀精度的對策

4.1 通過優(yōu)化直讀光譜儀的測量步驟來提高用于金屬材料化學(xué)分析的直讀光譜儀的準確性

首先，是設(shè)備的使用環(huán)境。光譜儀所在的實驗室必須防震，通風(fēng)且清潔。在正常條件下，光譜儀的實驗環(huán)境要求為15%～70%的濕度，并且室溫必須保持在0°C到35°C之間。同一校準期內(nèi)的室溫變化不能超過±5°C。其次，要求現(xiàn)場監(jiān)控電源電壓。在一個特定的實現(xiàn)條件中，直讀光譜儀設(shè)備的電源電壓必須控制在220 V左右。如果電壓在必要條件下升高，則最終必須控制在380 V之內(nèi)。第三，檢查內(nèi)部的氬氣壓力。氬氣瓶內(nèi)的氬氣純度對最終測量值有非常重要的影響。因此，有必要在測試過程中檢查氬氣是否連接到主機和儀表上。確認連接后，打開氬氣閥以測試氬氣。壓力值要求氬氣始終保持在4 MPar以上。

4.2 根據(jù)對參考材料的常規(guī)驗證和標準化，提高用于金屬材料化學(xué)分析的直讀光譜儀的準確性

一是加強人員培訓(xùn)。檢測精度與操作員的日常行為和習(xí)慣密切相關(guān)。在測試和分析過程中，所有人員都必須接受專業(yè)培訓(xùn)，并且在必要的培訓(xùn)之后，為了掌握更多使用設(shè)備的方法，他們可以在機器上執(zhí)行操作直到熟練。在測試過程中，必須檢查操作員的資格，只有在確認他們具有在工作場所工作的資格后，才能使用該儀器。其次，電極，適配器和橡膠圈是儀器中的消耗品，在使用過程中必須進行測試和驗證，以確保這些消耗品的有效性。

5 實驗分析

5.1 實驗真實情況分析

（1）法蘭的實際檢查中，表1所示為20號鋼的測試結(jié)果。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，在進行標準化檢查之前，P元素的基本偏差和S元素的含量分別為114.28%和70.6%，標準化檢測操作后P元素和S元素含量的相對偏差分別為28.6%和23.5%。測試時，使用標準化的分析校正曲線可以有效減少偏差。

表1 標準化前后相對偏差

（2）使用一周后的窗石英透鏡出現(xiàn)明顯的污染，用該透鏡測得的平均碳含量為0.254%，更換透鏡后的碳含量為0.178%。根據(jù)上述測試結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)如果不及時處理透鏡，則較短波長的非金屬元素的測量結(jié)果將會出現(xiàn)問題。

5.2 應(yīng)對措施

（1）加強操作人員培訓(xùn)。首先，操作員必須具有較高的綜合素質(zhì)。為了更好地利用直讀光譜儀，操作人員必須在使用儀器和設(shè)備之前接受特殊培訓(xùn)，并且必須通過培訓(xùn)獲得必要的專業(yè)理論知識和實踐經(jīng)驗，并獲得該職位的資格證書。其次，設(shè)備操作人員應(yīng)在使用直讀光譜儀之前通過培訓(xùn)提高其技能，并通過培訓(xùn)掌握設(shè)備的使用，基本結(jié)構(gòu)，應(yīng)用原理，基本特性，維護知識等。第三，設(shè)備操作員必須具有強烈的責(zé)任心，并且在執(zhí)行某些操作時必須嚴格遵守標準操作程序。

（2）正確使用氬氣。首先，在更換氬氣之前，必須先排空氬氣瓶內(nèi)的空氣，清潔瓶頸處的所有污染物，并在使用過程中仔細檢查氬氣管線是否完好。如果氬氣瓶頸上有灰塵，則必須及時清潔。如果在氬氣瓶的頸部檢測到泄漏，則必須及時更換氣瓶的頸嘴；當氣瓶內(nèi)的壓力下降到1.5 MPa時，以及在激發(fā)點出現(xiàn)白點時，都必須及時更換氬氣。其次，為確保分析結(jié)果的穩(wěn)定性和準確性，必須在儀器操作過程中嚴格控制氬氣的純度，即必須將氬氣的純度控制在99.95%以上。

（3）參考材料的使用應(yīng)具有合格生產(chǎn)的說明。采樣時，所有樣品必須具有專業(yè)的制造資格和工廠資格證書。測試產(chǎn)品時，參考材料的成分必須與測試樣品的成分相同。最好選擇具有相同分析純度的標準品。另外，在選擇用于光譜學(xué)的標準樣品時，必須充分考慮其外部物理形式，并盡可能選擇足夠大的冶金棒狀樣品。目的是減少發(fā)現(xiàn)操作期間的檢測錯誤，提高產(chǎn)品檢測的準確性。

（4）用極距計定期檢查極距。通過檢查兩極之間的距離以查看是否需要更換電極，并利用兩極之間的距離，將電極調(diào)整到指定的要求。

（5）用砂紙打磨工件表面。在對樣品進行光譜分析之前，應(yīng)先使用專業(yè)的砂紙打磨樣品的表面，但是，在拋光操作中不能使用碳化硅砂紙，因為碳化硅砂紙的碳和硅含量很容易導(dǎo)致元素分析錯誤。通常，使用40-50目氧化鋁砂紙或金剛砂砂紙進行測試。

6 結(jié)語

在重工業(yè)中，使用各種儀器和設(shè)備，并且每種設(shè)備的物理和化學(xué)性質(zhì)是不同的。隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，許多鋼鐵公司已經(jīng)開始使用直讀光譜儀確定化學(xué)成分。憑借高效的設(shè)備維護，以確保設(shè)備符合實驗要求。為了提高測試值的準確性，適當?shù)娜藛T應(yīng)加強定量和定性分析。直讀光譜儀在測試操作的過程中應(yīng)嚴格遵守相關(guān)標準和工作操作程序，以正確的操作確保得出準確的測試結(jié)果。