探析鋼鐵中錳含量的三種檢測方法比較

馬尚清

（西寧特殊鋼股份有限公司，青海 西寧 810001）

鋼鐵中元素含量檢測一直都是行業(yè)人員所重點關(guān)注的問題，這關(guān)系著后期鋼鐵材料的開發(fā)利用。不過在鋼鐵元素含量檢測中，由于檢測方式不同，檢測結(jié)果沖突性加大，為后續(xù)工作帶來阻礙。為此，科學(xué)選擇檢測方式，確定檢測結(jié)果準(zhǔn)確性，就成為檢測人員關(guān)注的重點內(nèi)容。下文通過對比分析鋼鐵中錳含量的三種檢測方法，來確定檢測方式，希望對從業(yè)人員有所幫助。

1 錳元素的相關(guān)概念

錳是鋼鐵中較為重要的金屬元素，一般以固溶體及化合態(tài)形式存在，對鋼鐵有益無害。在鋼鐵冶煉中，其內(nèi)的錳元素與硫酸、稀硝酸可直接形成二價錳離子，具有較高的穩(wěn)定性，保證鋼鐵冶煉的整體效果。對于鋼鐵中錳含量的檢測，可利用分光光度法實行測量。即將鋼鐵置于酸性環(huán)境下，內(nèi)部錳元素會逐漸轉(zhuǎn)化成七價錳，也就是高錳酸，根據(jù)高錳酸的顏色與寒冷度正比分析法或滴定試驗法，來確定錳元素含量。另外，錳還是很好的脫氧和脫硫劑，能夠降低鋼鐵冶煉中出現(xiàn)的熱脆性問題，增大鋼強度和硬度。低合金鋼中錳的含量在0.8%～1.5%左右。

目前，因鋼鐵品種不同，錳元素含量也不同，選擇的檢測方式自然也會存在差異。較常使用的檢測方法有：高錳酸鹽比色法，但靈敏度偏低；高碘酸鉀廣度法，簡單便捷，使用范圍廣，不過特殊樣品的檢測準(zhǔn)確率不高；二胺替比林乙烯基甲烷光度法，硝酸銀作催化劑。以過硫酸銨作為氧化劑，對比錳反應(yīng)后的色度變化或容量參數(shù)，以此判斷錳含量。該方法的穩(wěn)定性強、檢測結(jié)果準(zhǔn)確性高，應(yīng)用范圍廣。

2 鋼鐵中雜質(zhì)元素的特征

2.1 鋼鐵中雜質(zhì)元素的來源

鋼鐵在冶煉過程中，雜質(zhì)元素的產(chǎn)生與添加的金屬或非金屬原材料、提純分離技術(shù)存在緊密聯(lián)系。冶煉過程中也不可避免的會存在一些雜質(zhì)成分，其中以磷、硫元素的出現(xiàn)概率最高。在分析鋼鐵中雜質(zhì)元素來源時了解到，原材料帶來的雜質(zhì)元素偏多，如使用的生鐵、鐵礦石、廢鋼等，尤其廢鋼，作為電爐冶煉的主要材料，雖然按直接生產(chǎn)成本計算，廢鋼的煉鋼成本要高于生鐵煉鋼，但是與用鐵礦石和生鐵煉鋼相比，廢鋼鐵煉每噸鋼可減少近1.6噸碳排放，社會效益可觀。下文就將從原材料入手，詳細(xì)分析雜質(zhì)元素的來源渠道：

首先，生鐵礦石。生態(tài)礦作為煉鋼的主要材料，其在融化成鐵水中，殘存的雜質(zhì)元素會融入其中，即使經(jīng)過后續(xù)冶煉，這些殘留元素也只會以另一種形式存在，并不會消除，增加鋼鐵產(chǎn)品中雜質(zhì)含量。隨著雜質(zhì)元素的增多，鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量也會受到一定影響。

其次，廢鋼。一方面廢鋼冶煉中，內(nèi)部原有的雜質(zhì)會繼續(xù)留在產(chǎn)品內(nèi)，增加雜質(zhì)元素含量。另一方面是由于合金鋼元素、鍍層及表面涂層中的雜質(zhì)隨著冶煉過程，逐漸附著到產(chǎn)品上，增加雜質(zhì)含量。這些雜質(zhì)元素以罐頭盒鍍錫板等方式，納入到廢鋼的循環(huán)利用中，常見的鍍層金屬有鋅元素、鎳元素，及銅元素等，其中鋅元素可以在煉鋼中去除。但如果在鐵合金中含有這些殘余元素，在鋼水精煉中又無法去除，則會影響產(chǎn)品性能。

2.2 儀器設(shè)備和樣品

由于本次研究選擇三種不同檢測方式，原子吸收光譜檢測法、電感耦合等離子體檢測法和直讀光譜檢測法，所以在儀器設(shè)備選擇上，也應(yīng)按照這三種檢測方式要求，分別選用了原子吸收光譜儀、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀和SCP直讀光譜儀。檢測樣品則選擇Q235鋼、304不銹鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼這三種。

2.3 儀器工作條件

原子吸收光譜儀的的工作條件為：儀器波長控制在279.5nm，燈光電流設(shè)定5毫安，狹縫寬度0.2nm左右，燃?xì)饬髁棵啃r控制在60升以內(nèi)。

電感耦合等離子體光譜儀的工作條件：波長控制在257.61nm，設(shè)備功率1300w，等離子體每分鐘控制在15L左右，霧化器設(shè)定為每分鐘0.8L，輔助設(shè)備參數(shù)每分鐘控制在0.2L；

直讀光譜儀的工作條件：波長參數(shù)293.3nm，氬氣輸入壓力在0.4兆帕左右，激發(fā)氬氣流量控制在每分鐘8L，容器真空度則為70mTorr。

3 檢測原理

3.1 原子吸收光譜儀

原子吸收光譜儀的使用是向待測樣品發(fā)射光波信號，在通過樣品蒸汽時，會產(chǎn)生不同的光譜譜線，判斷這些光譜譜線的明暗變化，來測定樣品中元素含量，獲取精準(zhǔn)檢測結(jié)果。在對鋼鐵中錳元素含量檢測中，先將樣品利用鹽酸和硝酸分解，之后加入高氯酸，并持續(xù)加熱。高氯酸加入后，樣品會蒸發(fā)，且產(chǎn)生大量白煙，持續(xù)加熱，觀察樣品情況，直到不存在白煙后，冷卻定容。再依次加入標(biāo)準(zhǔn)溶液、樣品溶液，利用錳空心陰極燈為輔助，觀察光譜變化情況，對比標(biāo)準(zhǔn)的錳元素波長，得出最終含量檢測結(jié)果。儀器會以標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度值對應(yīng)濃度自動繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線和樣品溶液的吸光度，自動計算出樣品溶液中錳元素的濃度值，根據(jù)稱樣量得出鋼鐵樣品中的錳含量。

3.2 電感耦合等離子體光譜儀

該檢測方式是將高頻能量加到耦合線圈上，借助磁場作用原理對檢測樣品予以分解，分解后的樣品經(jīng)處理蒸發(fā)后，會形成不同的譜線圖標(biāo)，通過譜線收集確定其中錳元素的含量。具體來說。電感耦合等離子體光譜儀的操作原理為：

儀器的射頻發(fā)射器會先發(fā)射高頻能量到耦合線圈上，耦合線圈中心部位放置等離子矩管，在高頻能量作用下，矩管內(nèi)的氬氣發(fā)生電力分解成電子和離子，導(dǎo)電的氣體受高頻電磁場作用，形成與耦合線圈同心的渦流區(qū)，電流會產(chǎn)生高熱，從而形成火炬形狀的可以自持的等離子體，由于高頻電流的趨膚效應(yīng)及內(nèi)管載氣的作用，使等離子體呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)。樣品在氬氣的帶動下進(jìn)入到霧化系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變成氣溶膠形式，并進(jìn)入到等離子體的軸向通道，利用高溫及惰性氣體作用，使其發(fā)生轉(zhuǎn)變，折射不同譜線，對這些譜線加以收集和分析，再對比標(biāo)準(zhǔn)波長值，了解其中錳元素含量。

同樣的，在電感耦合等離子體檢測前，要先按照原子吸收光譜法的方式予以溶解，以保證后續(xù)操作有效性。同時，該儀器的應(yīng)用，可確定樣品硬度情況，以標(biāo)準(zhǔn)溶液的強度值對應(yīng)濃度自動繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線和樣品溶液的強度，自動計算出樣品溶液中錳元素的濃度值，根據(jù)稱樣量得出鋼鐵樣品中的錳含量。

3.3 直讀光譜儀

直讀光譜儀利用原子發(fā)射光譜學(xué)的理論，樣品在經(jīng)過電弧或電火花放電激發(fā)后生成原子蒸汽，產(chǎn)生一定的發(fā)射光譜，有儀器的分光室將這些光譜儀光導(dǎo)纖維形式實行科學(xué)分段，按照光譜變化情況了解其中元素種類，對應(yīng)的光譜強度也就是元素的含量值，再利用內(nèi)部預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)曲線將含量數(shù)值轉(zhuǎn)化成百分比直觀顯示出來。將制備好的鋼鐵塊狀樣品作為一個電極，用光源發(fā)生器使樣品與對電極之間激發(fā)發(fā)光，并將該光束引入分光室，利用色散元件將光譜分解后，測量選定的內(nèi)標(biāo)線和分析線的強度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)樣品制作的標(biāo)準(zhǔn)曲線，直接求出鋼鐵樣品中Mn元素的含量。

4 檢測結(jié)果

選取的三種樣品經(jīng)過以上三種檢測方式后，我們得出的各項數(shù)值參數(shù)為：Q235鋼檢測后得出標(biāo)準(zhǔn)值為0.622%，允許偏差在0.03上下，采用三種檢測方式得出的結(jié)果為0.613%、0.605%、0.650%；304不銹鋼檢測后得出標(biāo)準(zhǔn)值為0.9%，允許偏差在0.03上下，采用三種檢測方式得出的結(jié)果為0.886%、0.914%、0.928%；合金結(jié)構(gòu)鋼檢測后得出標(biāo)準(zhǔn)值為1.48%，允許偏差在0.04上下，采用三種檢測方式得出的結(jié)果為1.491%、1.494%、1.445%。

5 對比三種檢測方法的優(yōu)劣勢

一是原子吸收光譜法。精密度、靈敏度高、選擇性強、應(yīng)用范圍廣，具有較強的抗干擾能力，對低含量元素、微量元素、無機物或有機物含量均可檢測。但無法在同一時間內(nèi)實現(xiàn)多種元素的共同檢測，只能確定元素種類，具有一定局限性。且不能測定共振線處于真空紫外區(qū)域的磷、硫等元素，鋼鐵中的硫、磷含量需使用其他方法完成檢測；標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的線性范圍窄，給實際分析工作帶來不便。

二是電感耦合等離子體光譜檢測法。分析速度快，檢測元素種類多，用時時間短，且可同時檢測金屬和非金屬材料。設(shè)備的抗干擾能力較差，影響譜線強度的因素較多，有時需要人為剔除干擾譜線；在測量非金屬元素時光譜線不靈敏；氬氣、氮氣等氣體耗量大，后期檢測成本較高。

三是直讀光譜檢測。樣品處理流程簡單，簡單打磨即可直接應(yīng)用到檢測中。可實現(xiàn)無損檢測，檢測效率高。后期樣品譜線分析速度較快，準(zhǔn)確性強。該檢測儀器只能單一檢測金屬樣品，檢測前，要構(gòu)建化學(xué)分析模型，容易受到不良因素影響，出現(xiàn)結(jié)果偏差。獲得的檢測結(jié)果較前兩種方式略顯粗糙。

6 結(jié)束語

從實驗分析中了解到，在鋼鐵中的錳元素含量檢測，原子吸收光譜法、電感耦合等離子體光譜檢測法的檢測效果明顯高于制度光譜檢測法，檢測結(jié)果的精準(zhǔn)度和清晰度也較高。不過在使用前兩種方式時，需結(jié)合自身條件科學(xué)選擇，以免造成不必要的經(jīng)濟損失，而最后一種方式可應(yīng)用在初期或前期分析中。