耐候角鋼中Al元素分析影響因素研究

常 樂

（河鋼集團宣化鋼鐵公司，河北 075100）

0 引言

宣化鋼鐵公司（以下簡稱宣鋼）角鋼主導產品為低合金高強度結構鋼Q420B以及耐低溫Q420C、Q420D等品種，比例達到62%。Al在鋼中主要用來脫氧和細化晶粒，同時在鋼中有著強化固溶作用，可以提高滲碳鋼的耐磨性、疲勞強度等力學性能。Al是一種極易被污染的元素，現有的檢測方法周期長、速度慢，無法滿足爐前快速分析要求。而在耐候角鋼的冶煉過程中，需要及時、準確測定鋼中Al元素的含量，為解決這一問題，公司實驗室開展了耐候角鋼冶煉過程鋼中微量Al元素光譜分析方法的研究。

通過實驗，我們確立了鋁元素的光譜分析條件，選擇了Al元素特征分析譜線，建立了Al元素光譜工作曲線，并作了精度及準確度試驗。本文闡述了光譜儀快速分析試樣的制備要求，分析了影響鋼中Al元素分析穩定性和準確性的因素，并給出提高分析穩定性和準確性的解決方案。

1 直讀光譜儀參數條件及樣品制備

1.1 試樣的制備要求

為了滿足煉鋼爐前快速分析的實際要求，目前宣鋼爐前化驗室光譜儀分析試樣的制備不能實現自動銑樣，而是采取研磨機磨制的制樣方法。直讀光譜儀試樣加工時，要求試樣不過熱、不燒焦、不發藍，顯微組織均勻、細小（金相組織應達到GB/T6829-92中1-2級）,研磨深度大于2mm。加工好的試樣不可接觸其它的脂類物質，不可用手觸摸，并且要求試樣紋路清晰、平整潔凈，沒有氣孔、沙眼、縮孔、疏松、毛刺、裂紋和夾雜等缺陷。試樣在激發前要充分涼透，且放置時間不能太長，以減小分析誤差，確保分析結果準確性。

研磨機磨制試樣，對砂紙的成分、粒度以及不同樣品間的交叉污染都有著極高的要求。如研磨機采用Al2O3砂紙進行人工磨制，試樣表面會附著Al2O3，會使Al分析結果偏高；若改用粒度在60～80目的SiC專用砂紙加工，效果較為理想；如果磨制樣品時用已經磨制過其他鋼種的砂紙，可能會使樣品中本來含量就很低的Al元素測量結果不穩定，因此對砂紙的要求非常嚴格。第一，在光譜激發過程中，粒度較大的砂紙會造成樣品表面不均勻和漏氣，進而影響鋼中微量Al分析的精度和準確度，因此要選擇粒度較小的碳化硅砂紙，但它不耐磨，分析含Al樣品時，應根據情況及時更換砂紙，以免因表面不平而影響分析結果；第二，在測定微量Al時,要避免高含量與低含量樣品在同一磨盤磨制，防止樣品之間交叉污染影響微量Al元素分析的準確性。

1.2 直讀光譜儀參數及條件

1.2.1 直讀光譜儀參數確定

通過對Q420D、Q420E等含有微量Al元素的樣品進行分析實驗，確定了Al元素的分析參數，以分析Q420D鋼中Al元素為例具體參數見表1。

表1 Q420D鋼中Al元素直讀光譜儀分析參數

1.2.2 直讀光譜儀設備準備

儀器除塵、清理火花臺、更換水瓶里的水、清潔空氣過濾網、做氬氣凈化再生、清洗集塵杯(稀鹽酸浸泡)、清潔透鏡、電極及輔助電極清理、描跡、標準化。

2 影響Al元素分析穩定性因素及解決方案

2.1 穩定性影響因素分析

Al作為鋼中痕量元素，成分含量極小，試驗人員在分析Al元素時，發現其分析極不穩定，分析數值之間偏差較大（見表2），嚴重影響分析結果的準確性，為此，我們針對Al元素分析穩定性差進行了技術研究。

表2 鋼中Al元素分析穩定性的測試數據

研究發現，影響Al元素分析穩定性的因素主要有兩個方面。一是選取標準樣品方面，標準樣品選取不合適會導致在每次類型標準化后，引起曲線校正系數的改變，從而使生產試樣的分析結果產生較大波動；二是生產試樣加工方面，生產試樣表面有一定厚度的氧化層，如果不能完全去除，會嚴重影響分析結果，在分析鋼中含量微小的痕量元素時，試樣加工的好壞對最終準確結果的分析判定尤為關鍵。

2.2 影響因素解決方案

2.2.1 選擇適當的標樣

光譜分析是根據物質的特征光譜來確定分析物的化學組成和相對含量的方法，必須使用標準樣品進行質量控制，所以標準樣品的選擇非常重要。選擇標準樣品時要遵循標準樣品含量與預期檢測樣品含量盡可能的趨近的原則，否則樣品檢測的精度就會降低。另外，當對某一標準樣品進行測定時，樣品的局部不均勻、樣品的磨制、樣品被激發的位置不同、以及樣品本身的定值，也都可能造成測定結果的偏差。因此，爐前化驗室經過認真篩選最終決定選用與煉鋼生產要求低Al元素趨近的標準樣品50Mn（Al含量值為0.010%）。

2.2.2 對分析試樣加工工藝的技術處理

試樣應均勻、無裂紋、無氣孔、無夾渣，具有代表性。鋼的爐前分析主要為熔煉分析，熔煉分析試樣為乒乓球拍狀，分析前需要用磨樣機去掉表皮氧化層，加工為分析樣品。加工后的試樣表面應光潔平整、無氧化、無污染。試樣表面處理的好壞將直接影響分析結果的精密度和準確度，特別是對鋼中含量微小的痕量元素的分析，因此試樣制備尤為關鍵。

3 影響Al元素分析準確度因素及解決方案

3.1 準確度影響因素分析

工作曲線也是影響分析準確度的重要原因，待測元素含量偏低時，稍微的曲線漂移就無法校正回來，直接影響分析結果。因此，需重新制作Al元素專用曲線，用于微量Al元素的質量控制。繪制工作曲線時，要按步驟要求激發各標樣，每塊控制樣品至少激發三次，并選擇權值，繪制校準曲線，應根據待測元素相對強度的平均值與標準樣品中該元素與內標元素的濃度比繪制工作曲線。

另外在測量譜線過程中，由于狹縫寬度和譜線寬度接近，鋁元素波長394.4nm譜線與相近的Nb、V、Mo、Cr、Mn元素的波長譜線產生共存元素干擾，與Al元素譜線發生重疊吸收效應，使鋁分析值發生變化，在分析中必須進行重疊修正。

3.2 影響因素解決方案

3.2.1 工作曲線干擾校正

在繪制校準曲線時，采用最小二乘法擬合計算干擾系數，使Al的校準曲線斜率處于最佳位置，線性關系良好。圖1、圖2為干擾校正前后曲線對比。由圖2可以看出，在添加干擾元素進行曲線擬合后，曲線上的點分散度明顯減小，從而使線性更好，消除了干擾元素的影響，獲得了滿意的結果。

圖1 干擾校正前

3.2.2 工作曲線定期校準

干擾校正后Al的工作曲線擬合良好，適用于日常生產試樣Al元素的分析。但由于一些客觀因素的影響，設備的曲線會發生漂移，產生系統誤差，因此要定期對設備工作曲線進行校準，保證設備處于良好運行狀態。選擇漂移校正樣品時，應遵循使用較少的漂移校正樣品涵蓋較多的元素分析通道，同時能被盡可能多的分析程序所使用這一原則。加入每條曲線漂移校正元素通道，選擇需要加入的元素通道，選擇分析該元素所用的內標元素，應當與分析程序中該元素的內標設置相同。

一般來講，每條曲線要由高標與低標兩塊標樣進行標準化校準。但根據經驗，單點校正法也可用于較低含量元素分析。由于部分光譜儀鋁曲線出廠前采用的是單點校正，實驗數據表明，在單點校準方法下，Al含量的測定值偏低。為此，我們對高低標準樣品庫中的校正樣品進行選擇后，確定高標08Al（Al：0.044%）作為Al元素曲線的高標樣品對曲線進行重新校準。采用兩點校準后，與實驗數據相對比，提高了準確性，并得出結論，儀器校正后的α、β值與初始值(n=1)偏離過大，對鋼中痕量Al的準確測定產生不利影響；若α、β值在0.8～1.2之間,分析值與標準值之間的偏差很小。

4 結果驗證

微量Al工作曲線制作完成后需要對其進行精密度和準確度試驗，選取含Al的樣品5個，在相同條件下分析10次，其精度及準確度表見表3。由表3分析結果可以看出，其分析誤差滿足快速分析的要求，同時也滿足了煉鋼工藝的要求。

5 結語

宣鋼實驗室開展耐候鋼中微量Al元素光譜快速分析研究以來，通過對影響鋼中Al元素分析穩定性和準確性的因素分析，采取了精細制樣、合理選擇標準樣品、干擾效應消除等措施，以及采用精密度、準確度實時效驗等方法，使耐候角鋼中Al元素分析的及時性、穩定性和準確有了很大的提高。

實踐表明，在為期六個月生產Q460D、Q420E、Q420D、Q345E等鋼種的過程中，Al元素光譜快速分析結果準確可靠，有效地指導了耐候鋼的順利冶煉，為煉鋼廠降低生產成本提供有力的技術支持和保障。通過此次攻關，耐候鋼中Al元素的測定水平又上了一個新的臺階，為鋼中其它元素的準確測定提供了借鑒，值得推廣應用。