直讀光譜儀對金屬材料化學分析準確度的影響

殷海艷，陳連芳

（1.江陰市產品質量監督檢驗所，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。它被應用在許多領域。但是，從實際操作的角度來看，這些工具和設備的不當操作和不當維護將導致諸如檢測數據損壞和不正確的檢查結果。將不合格產品視為合格產品，并在實際生產中使用它們會給整個生產控制線帶來潛在的安全威脅，甚至引發事故。因此，在使用直讀光譜儀時，相關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，并根據影響因素制定相應的保修措施，以更好地發揮儀器的作用。

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，儀器的狀態，樣品的組成和構件的性質。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商之后建立的。第一個是匹配當前使用的元素和內容范圍，第二個是匹配可以在不久的將來針對新產品開發進行測試的元素和內容。最后，根據國內外行業的最新發展情況，確定未來發展趨勢中使用的要素范圍和內容。根據以上三個方面，定義元素的范圍及其要測試的內容。該通道可以滿足當前任務的需求。同時，也為企業的未來發展奠定了良好的基礎。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工作，真空儀器可在短波范圍內使用，分為單通道和多級通道譜儀，電池行業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射光譜法對金屬材料的化學成分進行分析，其檢測原理為：火花源在金屬塊樣品與對電極之間產生火花，固體樣品為蒸發形成氣態。激發后，原子或離子，氣體態原子或離子的外部電子躍遷到更高的能量水平。在受激狀態下，電子不穩定性在幾秒鐘內恢復到原基狀態或更低的能量水平，在這種情況下，能量以產生光譜線的光輻射形式發出，強度是根據觀察元素的光譜線的特性來確定的[3]。

2 在鋼鐵行業中使用直讀光譜儀的優勢分析

在鋼鐵行業的化學分析過程中，直讀光譜法可以有效地提高化學分析的速度，從而為爐前鋼鐵的生產和加工節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同時報告20或30個元素的結果，企業可以基于這些準確的數據更好地監視鋼鐵生產，并提高鋼廠的效率。

2.2 固態分析簡化預處理

直讀光譜儀的預處理模式比化學分析模式更簡單。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，樣品處理程序復雜。

2.3 自動化和多功能性

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

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，光譜直接讀出的準確性大大高于化學分析的準確性。同時，使用直接讀數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。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，檢測的結果會下降。在低純度氬氣的情況下，會發生擴散放電現象，并且激發點會擴散，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，無法激發掉樣品激發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，從而在連續暴露后會加速放電不穩定。如果沖擊能力較高，則會產生火花，加劇放電的不穩定性，最終影響測試結果，進而導致氬氣損失。

3.3 參考材料的選擇和使用

從實際應用的角度來看，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類型和質量，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，將導致分析結果嚴重錯誤。

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，空氣將流入激發室，流向電極并在樣品之間的區域中流動，最終在樣品被激發時發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象，最終將嚴重影響測試結果。如果將金屬樣品放置在正確的位置，它將更好地發揮激發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點。

3.5 電極和電極之間的距離

發射光譜法的一個重要作用是激發電極，當檢測和分析時，激發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分析的直讀光譜儀精度的對策

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

首先，是設備的使用環境。光譜儀所在的實驗室必須防震，通風且清潔。在正常條件下，光譜儀的實驗環境要求為15%～70%的濕度，并且室溫必須保持在0°C到35°C之間。同一校準期內的室溫變化不能超過±5°C。其次，要求現場監控電源電壓。在一個特定的實現條件中，直讀光譜儀設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。第三，檢查內部的氬氣壓力。氬氣瓶內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 根據對參考材料的常規驗證和標準化，提高用于金屬材料化學分析的直讀光譜儀的準確性

一是加強人員培訓。檢測精度與操作員的日常行為和習慣密切相關。在測試和分析過程中，所有人員都必須接受專業培訓，并且在必要的培訓之后，為了掌握更多使用設備的方法，他們可以在機器上執行操作直到熟練。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號鋼的測試結果。根據表1中的數據，可以發現，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%。根據上述測試結果的分析，發現如果不及時處理透鏡，則較短波長的非金屬元素的測量結果將會出現問題。

5.2 應對措施

（1）加強操作人員培訓。首先，操作員必須具有較高的綜合素質。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備之前接受特殊培訓，并且必須通過培訓獲得必要的專業理論知識和實踐經驗，并獲得該職位的資格證書。其次，設備操作人員應在使用直讀光譜儀之前通過培訓提高其技能，并通過培訓掌握設備的使用，基本結構，應用原理，基本特性，維護知識等。第三，設備操作員必須具有強烈的責任心，并且在執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；當氣瓶內的壓力下降到1.5 MPa時，以及在激發點出現白點時，都必須及時更換氬氣。其次，為確保分析結果的穩定性和準確性，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）參考材料的使用應具有合格生產的說明。采樣時，所有樣品必須具有專業的制造資格和工廠資格證書。測試產品時，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。目的是減少發現操作期間的檢測錯誤，提高產品檢測的準確性。

（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，應先使用專業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 結語

在重工業中，使用各種儀器和設備，并且每種設備的物理和化學性質是不同的。隨著現代社會的發展，許多鋼鐵公司已經開始使用直讀光譜儀確定化學成分。憑借高效的設備維護，以確保設備符合實驗要求。為了提高測試值的準確性，適當的人員應加強定量和定性分析。直讀光譜儀在測試操作的過程中應嚴格遵守相關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果。