光電直讀光譜法測定不同規格鋼材試樣分析方法優化

么 琳

（河北鋼鐵集團宣鋼公司技術中心，河北 張家口 075100）

近年來，隨著我國高技術含量和高附加值產品的產量提高，鋼材市場的國內占有率隨之提高。河北鋼鐵集團宣鋼公司（以下簡稱宣鋼）為適應市場需求，不斷對鋼材產品進行攻關，隨著硬線和焊絲鋼產品的銷量逐漸增加的同時，產品質量異議也逐步增多，尤其是成分質量異議，客戶反饋碳元素成分超出標準范圍，但是對應的熔煉成分抽查滿足標準要求，不同規格的鋼材在冶煉和軋制的過程中元素成分會出現不同程度的變化，熔煉成分已不能完全代表鋼材成分，而對于小規格鋼材的成分檢測存在一定困難，由于樣品截面較小，不可避免地出現漏氣以及對激發點的侵蝕不一致等情況，導致分析結果精度較差。

1 實驗儀器設備

島津PDA-7000 型光電直讀光譜儀；ARL4460光電直讀光譜儀；SPECTRO M9 光電直讀光譜儀；靜遠全自動快速銑樣機；CZA-4A 型壓氣凈化器。

2 實驗的影響因素

2.1 更換60°錐角鎢電極

光譜儀分析常規生產樣品采用30°錐角電極，但是測定鋼材試樣時分析數據不穩定，不能用于在線生產質量控制，通過試驗發現電極因為角度小，樣品激發時間長造成錐角積灰嚴重，稍微的錐角變化就會引起樣品分析準確度變化，為了提高樣品的靈敏度和穩定性，更換60°錐角電極，增大電極的錐度和表面積，減少灰塵的堆積，同時使光軸不得偏離中心，放電間隙保持不變，防止聚焦在分光儀的譜線強度改變，測定結果保證元素分析的準確性和穩定性。

2.2 氬氣的影響

1）氬氣純度。光譜儀分析時，空氣中的氧會吸收200 nm 以下波段范圍內的靈敏線，造成該波段內C、S、P 等元素分析結果偏低。氬氣純度的高低將直接影響到分析結果的準確性，因此我們采用瓶裝高純氬氣，并使其通過凈化器后再接入光譜儀，經過凈化塔處理，氬氣純度可以達到99.998%，完全滿足分析要求。

2）氬氣流量。氬氣流量小，不能排除火花室中的空氣和試樣激發分解出來的含氧化物，會引起擴散放電。經過反復試驗，宣鋼把氬氣壓力控制在0.30～0.35 MPa，靜態時氬氣流量為2 L/min；分析時氬氣流量為10 L/min 效果最佳。

2.3 溫濕度的影響

由于溫度、濕度的變化，工作曲線常常會漂移，特別在夏季和冬季氣溫變化較大，試樣含量值隨之變化很大，對分析結果產生較大影響。通過實驗得出：溫度控制在20～30 ℃，相對濕度控制在80%以下的范圍內，曲線不易發生較大漂移，這樣就可以提高光譜分析的準確度。

3 樣品制備

小規格的線材樣品對取制樣要求很高，否則直接影響分析結果的準確度，因此鋼材試樣必須經過校直，無氣孔、無砂眼、無裂紋、均勻。磨制試樣表面不能傾斜，不能磨成兩個面，而且要磨到線材樣品的橫截面，不得發黃、發藍、有水、有油，紋路一致。高度在5 cm 左右最佳。試樣的激發點必須對準電極中心位，并借助小樣品夾具，穩固試樣，防止擴散放電，提高分析準確度及穩定性。對于樣品磨制不完全、淬火、傾斜，要重新磨制，不能敷衍了事，樣品彎曲、長度不合格、不滿足分析條件的要及時退回重新取樣。充分保證線材樣品紋路清晰、無交叉紋。

4 分析方法的改進

4.1 分析參數選擇

SPECTROM9光譜儀、ARL4460光譜儀及PDA7000光譜儀在分析小規格試樣時都必須借助小樣品夾具來完成樣品的分析檢測。小樣品夾具在使用時需注意以下幾點：首先，調整小樣品夾具的擺放位置，使激發點能夠在樣品的中心位置，找到正確的位置后做好標記，方便后續分析使用。其次，要使樣品的激發面與小樣品夾具的底部平齊，不能超出底部或未到底部，電極與樣品激發面的距離偏差也會直接導致分析數據的不準確。

通過多次試驗發現，鋼材試樣對預然時間十分敏感。隨著預燃時間的變化，各元素表面熔融穩定且又不影響其含量的準確測定，選擇樣品的分析參數見表1。

表1 樣品分析參數比對 s

4.2 標準樣品選擇

由于線材樣品和標準樣品冶煉工藝、激發面積差別很大，日常分析中的標準樣品不能用于分析線材樣品，所以必須采取自制控樣的方法。首先截取1米試樣，切割成5 cm 數段，經磨制后用光譜儀對每段進行兩端分析，分析時用連激的方式，選擇激發面好的地方放到激發孔上，用樣品壓具壓好，連續激發3 次，第1 點舍去，取2、3 點的平均值記錄分析數據，測試試樣的穩定性、均勻性，再對樣品進行去表皮、制屑、化學分析定值，最后用紅外碳硫儀和手工分析進行再驗證。

4.3 校準曲線

分析條件確定后，使用自備的套裝標準樣品進行工作曲線制作，采用大量可以覆蓋鋼材成分含量范圍的標樣制作工作曲線，對于某一含量相對集中的元素或某一范圍十分重要的采取增加這一元素在這一范圍的權重值的方法，以提高分析準確度。對于曲線整體偏高或偏低的情況，可以用響應曲線來校正，使曲線整體平移到更加準確的位置。其中C 元素曲線采用GSBH40072 系列和GBE01395 系列以及IRSID1747、YSBS11280、433-1、20MnSi、17MnVNb 等22 塊標樣制作，制作完成后回歸相關系數為0.998570，符合曲線要求。并以此方法依次建立相關元素所需曲線。曲線效果圖如圖1 所示。

圖1 C2-FEWAIR-曲線

5 效果驗證

通過試驗表明SPECTRO M9 光譜儀和PDA7000光譜儀采用連續激發方式更適用于快速檢測需求，即試樣定位準確后連續激發2～3 次，分析結果與碳硫及手工分析結果作比對，選擇合適的激發點報出。而ARL4460 光譜儀在制作小樣品工作曲線后，只需激發一點便可得到準確的分析數據，分析結果見表2。

表2 光電直讀光譜儀C 元素分析結果比對 %

6 結語

不同規格鋼材試樣分析方法為研究熔煉、連鑄、鋼材全過程成分變化規律提供準確的數據支持。該項目是宣鋼應用光譜分析10 多年來首次對不同規格鋼材在不同設備上選取不同標樣進行自主研究的測量方法，并將其在生產中大量應用。這次的研究給以后其他鋼種分析方法的研究留下了寶貴的經驗，為新鋼種開發指明了道路，為宣鋼產品質量的提升，開拓鋼材市場占有率，提高產品的知名度和開拓高端客戶市場奠定了基礎。