SPA-H鋼的光譜分析方法

周凱

（四川攀鋼集團新鋼業(yè)有限公司技術檢測中心，四川 西昌 615012）

SPA-H鋼的光譜分析方法

周凱

（四川攀鋼集團新鋼業(yè)有限公司技術檢測中心，四川 西昌 615012）

介紹了某鋼業(yè)有限公司開發(fā)生產(chǎn)耐候鋼過程中，采用真空直讀光譜儀檢測分析的方法，通過加強對儀器調校確保分析性能，加強煉鋼工藝控制均勻鋼液化學成分，同時加強試驗樣品從取樣、制樣到檢測分析中重要環(huán)節(jié)的控制，使光譜儀分析SPA-H鋼做到分析數(shù)據(jù)及時準確，滿足SPA-H的生產(chǎn)需要。

光譜儀；儀器性能；化學成分；分析方法

0 引言

耐候鋼（Weathering Steel）又稱為耐大氣腐蝕鋼（Atmospheric Corrosion Resistant Steel），是在鋼中加入少量的合金元素，如Cu、P、Cr、Ni等，使其在金屬基體表面上形成保護層，以提高鋼材的耐候性能，這類鋼的耐候性能比焊接結構用耐候鋼好，稱作高耐候性結構鋼[1]。耐候鋼屬于低合金高強度鋼（抗拉強度在400 MPa以上），在大氣環(huán)境中具有良好的耐腐蝕性能（是普通碳鋼的2～8倍），還具有優(yōu)良的力學、焊接等使用性能，廣泛應用于鐵路車輛、橋梁、船舶、汽車、鍋爐、建筑等領域[2]。

某鋼業(yè)有限公司為了滿足市場的需要，拓寬品種鋼種類，結合自身工藝裝備于2005年開發(fā)生產(chǎn)SPA-H高耐候熱軋鋼帶，化學成分范圍見表1。由于SPA-H鋼中加入Cr、Ni、Cu、P等元素，特別是加入較多P元素（P在鋼中易產(chǎn)生偏析），給化學成分檢測帶來一定的困難，同時由于轉爐煉鋼生產(chǎn)節(jié)奏快，每爐冶煉周期僅23 min左右，常規(guī)化學分析已不能滿足耐候鋼檢測要求，這樣對檢測的及時性和準確性提出了更高的要求。

表1 SPA-H鋼的化學成分 %

該公司技術檢測中心在公司SPA-H鋼的生產(chǎn)過程中采用瑞士ARL真空直讀光譜儀為檢測手段，ARL光譜儀激發(fā)分析時間僅為30 s，一個樣品從接樣到分析出結果只要3 min左右，滿足氧氣頂吹轉爐快節(jié)奏生產(chǎn)對檢測及時性的要求。這樣，使用ARL光譜儀分析SPA-H鋼就成為現(xiàn)實。

該公司技術檢測中心在開發(fā)生產(chǎn)SPA-H鋼的過程中，經(jīng)過大量對比試驗，不斷摸索、總結經(jīng)驗。通過加強儀器分析性能調校，提高檢測準確性；加強對SPA-H鋼冶煉工藝的控制，使鋼液化學成分均勻；在鋼水澆鑄過程中嚴格取樣制度，固定取樣時間和取樣位置、深度，避免取樣偏差，使成分具有代表性；在試驗樣品的制備過程中，采用樣品激冷使樣品內部金屬組織結構細化，提高檢測穩(wěn)定性，同時確保樣品打磨深度，避免表層成分差異，提高檢測代表性；在樣品激發(fā)分析過程中嚴格執(zhí)行崗位技術操作規(guī)程，樣品激發(fā)面確保無氣孔、無夾雜、無污染，并確保完全覆蓋激發(fā)孔，使分析數(shù)據(jù)準確可靠。這樣，通過對分析檢測各重要環(huán)節(jié)嚴格控制，使光譜儀分析SPA-H鋼做到分析數(shù)據(jù)及時準確，滿足了生產(chǎn)需要。

1 試驗方法

1.1 分析原理

樣品在高能預火花光源的作用下，元素的原子被蒸發(fā)并激發(fā)產(chǎn)生光輻射，經(jīng)分光系統(tǒng)色散后，被光電倍增管轉換為電信號，測量其電強度的大小，根據(jù)譜線強度與元素濃度的函數(shù)比例關系，即可測量出樣品中各元素的百分含量[3]。

1.2 主要儀器

ARL2460型真空直讀光譜儀（瑞士ARL有限公司）。

2 試驗要點

2.1 冶煉工藝控制

在煉鋼生產(chǎn)過程中，加入某一種或幾種合金元素，使其在鋼中的含量達到鋼種規(guī)格的操作過程通稱合金化。合金化操作必須使加入的合金元素均勻溶解于鋼液中（采用吹氬攪拌等方法）[4]。由于SPA-H鋼在出鋼過程中要加入較多（相對普通碳素鋼而言）的合金元素，以提高鋼液中的Cr、Ni、Cu、P的含量，增強鋼種耐大氣腐蝕能力。因此在冶煉過程中必須嚴格執(zhí)行鋼包吹氬攪拌工藝（吹氬時間≥6 min），使加入的合金成分均勻，滿足鋼種性能要求。

2.2 樣品制備

樣品必須“制備”，即是說它必須有一個干凈、光滑、平整的表面。至少比分析架上的孔稍大。分析的準確性和精度主要取決于分析表面的準備狀態(tài)。

2.2.1 樣品要求

分析樣品直徑為25～60 mm,高度為10～60 mm的塊狀樣品，要求內部無氣孔、無縮孔、無夾雜，組織結構均勻。

2.2.2 取樣要求

鋼液澆注時在連鑄中間包內取樣，取樣時間為每包(罐)鋼液澆注至1／3～2／3時取樣(一個為正樣，用于分析該爐鋼液的熔煉成分；另一個為副樣，作為備用)。取樣深度為深入鋼液30 cm處。成品分析則應從成品(連鑄坯或鋼材)中均勻部位取。

2.2.3 制樣要求

從模具中取出樣品迅速冷卻，使樣品保持有細晶粒的金屬組織，提高分析穩(wěn)定性。制樣時一般在高度方向的下端1／3處截取樣品，未經(jīng)切割的的樣品，其表面必須去掉1.5 mm（該公司煉鋼化驗現(xiàn)采用光譜磨樣機打磨制樣）。分析樣品和控制標樣應在同一條件下研磨，研磨好的樣品保證表面平整，無氣孔、無夾雜、裂紋和油污。

2.3 分析注意事項

（1）分析前確認儀器各項參數(shù)正常，確認環(huán)境溫度在16～30℃、相對濕度在20%～80%；確認氬氣壓力是否在0.2～0.3 MPa；儀器光譜室真空度在1～30 μmHg之間、溫度在（38±0.1）℃。每次分析前必須用電極刷清理激發(fā)倉，使分析間隙嚴格控制在3 mm，確保激發(fā)放電穩(wěn)定［5］。

（2）分析樣品確保無夾雜、無污染，平穩(wěn)放置于儀器激發(fā)架上，避免在樣品中心上進行分析，因為靠樣品邊緣部分均勻性更好，所以放置時應注意位置，不要讓樣品中心與激發(fā)孔中心重合，分析點應位于樣品半徑的1／2左右處。

（3）分析完畢后，確認激發(fā)燃燒正常，激發(fā)點熔化均勻、邊緣輪廓清晰，無“白點”現(xiàn)象，方可出具化學成分分析報告單。

（4）在儀器分析間隙，保證用一塊不分析的樣品覆蓋住激發(fā)孔，避免空氣進入火花室，因為在樣品激發(fā)產(chǎn)生火花的過程中，空氣中的氧氣會干擾等離子的形成，影響分析結果。

3 試驗數(shù)據(jù)

3.1 冶煉工藝

3.1.1 未嚴格冶煉工藝

表2為吹氬攪拌時間在2 min，其他試驗條件不變（取樣、制樣和分析都嚴格執(zhí)行標準）的情況下，同一試驗樣品打磨五次的分析檢測數(shù)據(jù)。在SPA-H鋼冶煉過程中，由于未嚴格執(zhí)行鋼包吹氬制度，吹氬攪拌時間不足，導致鋼液化學成分不均勻，使分析數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常波動。

表2 吹氬攪拌時間為2 min時同一試樣5次試驗分析數(shù)據(jù)

從表2可看出，由于SPA-H鋼在冶煉過程中不嚴格執(zhí)行吹氬攪拌制度，導致鋼液化學成分嚴重不均勻，除Ni、Cu兩元素五次分析的標準偏差均小于

0.001 ，數(shù)據(jù)較穩(wěn)定外，其它元素都出現(xiàn)不同程度偏析，特別是在爐后出鋼過程中加入的Si、Mn、Cr、P等元素標準偏差較大，偏析嚴重，無法準確定量檢測，使分析檢測數(shù)據(jù)失去準確性。

3.1.2 嚴格冶煉工藝

表3為嚴格控制工藝紀律（吹氬時間≥6 min在），同一試樣打磨五次的分析檢測數(shù)據(jù)。

表3 吹氬時間≥6 min時同一試樣5次試驗數(shù)據(jù)

從表3可看出，在SPA-H鋼的冶煉過程中，出鋼合金化嚴格執(zhí)行吹氬攪拌制度，吹氬時間必須≥6 min，促進爐后加入的Si、Mn、Cr、P等合金熔化，使其均勻進入鋼液中（Si、Mn、Cr、P等元素的標準偏差均在0.001左右），消除了分析檢測中Si、Mn、Cr、P的波動。

3.2 取樣試驗

3.2.1 取樣不規(guī)范

表4為取樣深度僅深入鋼液表層，其它分析條件不變（鋼液吹氬攪拌時間≥6 min，制樣、分析都嚴格執(zhí)行標準）的情況下，同一樣品打磨五次的分析檢測數(shù)據(jù)。在鋼液澆注過程中，在連鑄中間包內取該爐的熔煉樣品，由于取樣操作不規(guī)范，取樣深度不夠造成樣品成分偏析。

表4 取樣深度不足30 cm時同一試樣5次試驗檢測數(shù)據(jù)

從表4可看出，Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Cu的標準偏差都在0.001左右，分析數(shù)據(jù)都比較準確穩(wěn)定，僅C的分析數(shù)據(jù)波動較大，標準偏差高達0.014，這是由于取樣深度不夠導致中間包保溫覆蓋劑碳化稻殼（含C較高）中的C返入鋼液表層所致。

3.2.2 嚴格取樣制度

表5為在連鑄中間包澆注過程中，嚴格取樣操作規(guī)定，在每爐（包）鋼水澆注至1／3時取第一個樣，澆注至2／3時取第二個樣，使樣品能真實代表該爐（包）鋼液的熔煉化學成分，同時，嚴格取樣深度（深入鋼液30 cm左右），其它分析條件不變（鋼液吹氬攪拌時間≥6 min，制樣、分析都嚴格執(zhí)行標準）的情況下，同一樣品打磨五次的分析檢測數(shù)據(jù)。

表5 嚴格控制取樣深度后同一試樣5次試驗分析數(shù)據(jù)

由表5可看出，在嚴格控制取樣制度后，C的標準偏差降為0.001 02，避免了保溫覆蓋劑（碳化稻殼）中的C進入樣品內影響SPA-H鋼中C的分析檢測準確性。

3.3 制樣試驗

3.3.1 制樣不規(guī)范

在樣品制備過程中，由于制樣操作不規(guī)范，樣品打磨深度不夠（不足1.5 mm）,也可能造成樣品分析檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動。表6為樣品打磨深度＜1.0 mm時，其它分析條件不變（鋼液吹氬攪拌時間≥6 min、取樣深度在30 cm左右、分析操作嚴格執(zhí)行崗位技術操作規(guī)程）的情況下，同一分析樣品打磨五次（每次僅輕微打磨，第五次打磨完畢后，樣品總共打磨深度不足1.0 mm）的對比分析數(shù)據(jù)。

表6 打磨深度＜1.0 mm時同一試樣5次試驗分析數(shù)據(jù)

從表6可看出，由于制樣時操作不規(guī)范，樣品打磨深度不足，使S、P兩元素的分析檢測數(shù)據(jù)異常波動（S、P屬于非金屬夾雜元素，在鋼液中分布不易均勻，易產(chǎn)生偏析，特別是鋼液凝固過程中S、P在鋼液中心和表層有較大差異），S、P兩元素標準偏差較大，分析數(shù)據(jù)不準確。

3.3.2 嚴格制樣制度

表7為接到分析樣品后及時冷卻，樣品打磨深度嚴格保證≥1.5 mm，其它分析條件不變（鋼液吹氬攪拌時間≥6 min、取樣深度在30 cm左右、分析操作嚴格執(zhí)行崗位技術操作規(guī)程）的情況下，同一分析樣品打磨五次的對比分析數(shù)據(jù)。

表7 嚴格控制打磨深度后同一試樣5次試驗分析數(shù)據(jù)

從表7可看出，接到分析樣品應及時冷卻，以保持樣品有細晶粒的金屬組織，提高檢測穩(wěn)定性，同時可縮短分析時間，保證分析數(shù)據(jù)的及時性。樣品保證打磨深度（≥1.5 mm）后,S、P標準偏差降為0.001左右，消除了S、P在樣品表層和內部的不均勻差異，提高S、P檢測準確性。

4 試驗結論

SPA-H鋼的分析檢測過程中，在嚴格煉鋼吹氬攪拌工藝，嚴格取樣、制樣制度，嚴格分析操作等條件下同一爐號兩個樣品（分別命名為一號樣品、二號樣品）分別打磨五次的分析檢測數(shù)據(jù)，見表8、表9。

表8 嚴格操作過程后一號樣品5次試驗檢測數(shù)據(jù)

表9 嚴格操作過程后二號樣品5次試驗檢測數(shù)據(jù)

從表8、表9可看出，樣品中C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Cu等元素的每次檢測數(shù)據(jù)標準偏差基本都小于0.001，均相當準確穩(wěn)定，且同一爐號兩個樣品的分析數(shù)據(jù)也比較吻合。可見，每一次的分析數(shù)據(jù)都可以代表該爐鋼的熔煉成分，達到分析的目的和要求。因此，采用ARL真空直讀光譜儀分析方法，在SPA-H鋼的分析檢測過程中，通過加強冶煉工藝、取樣、制樣、分析等重要環(huán)節(jié)的控制，為SPA-H鋼產(chǎn)品的開發(fā)生產(chǎn)及時、準確提供了化學成分檢測數(shù)據(jù)，滿足生產(chǎn)需要。

[1]GB／T 4171-2000．高耐候結構鋼［S］．北京：國家冶金工業(yè)局，2000．

[2]王棟材，郭亮．耐候鋼的現(xiàn)狀與開發(fā)［J］．包鋼科技，1993(3)：2-3．

[3]朱明華．儀器分析［M］．北京：高等教育出版社，1993．

[4]張承武．煉鋼學［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，2006．

[5]GB／T 4336-2002．碳素鋼和中低合金鋼的火花源原子發(fā)射光譜分析方法［S］．北京：中華人民共和國冶金工業(yè)局，2002．

The Analysis Methods of SPA-H Steel(Weathering Steel)by the Photo-electric Direct Reading Spectrometry Instrument

ZHOU Kai
(Technical Test Center of Sichuan Pangang Group Xingangye Limited Company,Xichang,Sichuan 615012, China)

This paper introduces the analysis methods of using photo-electric direct reading spectrometry instrument in the produce of SPA-H steel(weathering steel)by technical test center of Sichuan Pangnag group Xingangye limited company.Calibration to the photo-electric direct reading spectrometry instrument can make sure the balance of chemical components in steel liquid.More attention to the control of important procedures as sampling,sample preparation,analysis and so on can help to meet the production need of SPA-H steel.

spectrograph;instrument performance;chemical components;analysis method

TG142.15

A

1673-1891（2016）04-0032-04

10.16104/j.issn.1673-1891.2016.04.009

2016-07-14

周凱（1970—），男，四川西昌人，助理工程師，研究方向：化驗分析工作。