韓麗華，龔宜勇，韓春梅，于 晟

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，天津 300301）

火花源直讀光譜儀以其使用樣品量少，絕對靈敏度高，分析速度快，可同時(shí)測定多個(gè)元素而被廣泛使用［1-3］。有文獻(xiàn)介紹，火花源直讀光譜分析是一種相對的分析方法，要求采用相同物理狀態(tài)下的內(nèi)控標(biāo)樣進(jìn)行分析前的儀器校準(zhǔn)［4-6］，而內(nèi)控標(biāo)樣一般為鑄態(tài)，這對經(jīng)過了軋制和不同熱處理工藝的無縫鋼管檢測有很大的限制［7-8］；但亦有相反的報(bào)道稱，物理狀態(tài)并不影響火花源直讀光譜分析結(jié)果［9］。此外，該分析方法的測試面積小，雖然可采用多點(diǎn)激發(fā)，但其測試也只能代表一個(gè)面，不能代表整體；而由于無縫鋼管在制造過程中需經(jīng)過穿軋和表面脫碳，難以達(dá)到均勻狀態(tài)，因此如果樣品測定點(diǎn)選擇不當(dāng)，就會誤導(dǎo)對無縫鋼管成分的判定。

針對上述問題，使用火花源直讀光譜法對不同熱處理?xiàng)l件下的無縫鋼管試樣進(jìn)行分析，考察熱處理工藝對分析結(jié)果的影響，尋求該方法測定無縫鋼管成分的最佳測定位置，以此指導(dǎo)樣品分析的全過程，為火花源直讀光譜法分析無縫鋼管的元素含量提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備及條件

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用美國Thermo公司的ARL4460直讀光譜儀（電流控制火花光源、分時(shí)積分計(jì)算技術(shù)，帕邢—龍格凹面衍射光柵，1 m羅蘭圓，光譜室真空度50 μmHg、溫度38℃±1℃，內(nèi)標(biāo)Fe元素波長273.07 nm），德國HERZOG公司的砂紙平磨機(jī)。

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用40目鋁質(zhì)砂紙，99.995%的液態(tài)氬（氬氣輸入壓力為0.25 MPa），實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度20～30℃，濕度≤70%。儀器自帶分析曲線，沖洗時(shí)間2 s、預(yù)積分時(shí)間5 s、積分時(shí)間6.5 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 不同物理狀態(tài)下樣管的分析

火花源直讀光譜分析能否把無縫鋼管中所有狀態(tài)的元素全部激發(fā)出來，樣管的物理狀態(tài)對火花源直讀光譜分析數(shù)據(jù)會產(chǎn)生什么影響，眾說不一。本試驗(yàn)選取同一爐樣管，在不同的物理狀態(tài)下（不同回火溫度，回火時(shí)間均為60 min），對24CrMo48V（淬火900℃，30 min），27CrMo27VS（淬火950℃，25 min）和 10MnVNbMo/1（淬火 970 ℃，30 min）3個(gè)鋼種的元素含量進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表1。

表1 不同熱處理?xiàng)l件下各鋼種的元素含量分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

由表1可以看出：相同鋼種在不同的回火熱處理制度下的元素分析結(jié)果的極差均小于GB/T 4336—2002標(biāo)準(zhǔn)中的重復(fù)性r［10］，就此可以認(rèn)定火花源原子發(fā)射光譜法完全能夠把無縫鋼管中所有狀態(tài)的元素激發(fā)出來，且不同的物理狀態(tài)并不影響該方法分析的準(zhǔn)確性。

2.2 分析位置的選擇

2.2.1 管壁方向位置分析

選擇 20G、34Mn5、26CrMo4、27CrMo27VS等鋼種的中低合金無縫鋼管試樣，根據(jù)鋼管曲率不同從外壁切掉1～3 mm表皮，使其平面足夠光譜激發(fā)孔的大小，再沿著從外壁至內(nèi)壁壁厚方向，在壁厚的1/4、1/2、3/4處逐層分別進(jìn)行光譜分析。無縫鋼管試樣不同位置的分析結(jié)果見表2。

經(jīng)過逐層分析樣管清楚地看出：在無縫鋼管沿著壁厚方向，用火花源直讀光譜法分析幾個(gè)鋼種的不同層面，其Si、P、S、Nb、V元素?zé)o偏析；C、Mn、Mo、Cr元素的含量發(fā)生了變化，且含量越高偏差就越大；在試樣壁厚方向的1/2~3/4處的含量，與用其他分析方法得到的結(jié)果最接近。也就是說，沿著鋼管壁厚方向的1/2~3/4處為火花源原子發(fā)射光譜法分析測定的最佳位置，否則分析結(jié)果沒有代表性，即無縫鋼管成分的不均勻性直接影響著分析數(shù)據(jù)。

表2 無縫鋼管試樣不同位置的分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.2.2 鋼管管端位置分析

從鋼管壁厚不同位置取樣點(diǎn)的分析數(shù)據(jù)可以看出無縫鋼管中元素含量的不均勻性。如果沿著壁厚方向加工試樣到鋼管的1/2~3/4位置，必然會造成整個(gè)試樣加工時(shí)間和成本的增加，管壁越厚，試樣加工速度越慢，不適用于大生產(chǎn)。為此，提出采用管端分析法。

2.2.2.1 厚壁管的分析

無縫鋼管有厚壁管和薄壁管之分，而光譜儀激發(fā)孔通常為Ф10～12 mm，壁厚大于激發(fā)孔的厚壁管樣最簡單的方法就是在鋼管管端處激發(fā)。Ф12 mm激發(fā)孔測定厚壁無縫鋼管管端結(jié)果見表3。

表3 Ф12 mm激發(fā)孔測定厚壁無縫鋼管管端結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表3給出了壁厚大于激發(fā)孔的厚壁管樣在管端橫截面處激發(fā)的分析數(shù)據(jù)，與其他方法分析結(jié)果吻合得相當(dāng)好，完全滿足GB/T 4336—2002標(biāo)準(zhǔn)中重復(fù)性r的要求。說明在無縫鋼管的管端橫截面處激發(fā)是可行的。

2.2.2.2 薄壁管的分析

ARL4460直讀光譜儀配有小樣孔分析器。為了考察小樣孔分析測定薄壁無縫鋼管的精度，選用Ф5 mm激發(fā)孔對薄壁無縫鋼管管端連續(xù)測定3次，觀察其穩(wěn)定性，分析數(shù)據(jù)見表4。從表4可以看出：C、Al和高含量的Ni、Cr、Mo元素穩(wěn)定性極差，影響準(zhǔn)確度。說明小樣孔分析的取樣面積小，代表性差，只限于研究，不適用于大生產(chǎn)中多元素同時(shí)分析；因此，薄壁無縫鋼管只能采用銑床把無縫鋼管樣品沿壁厚方向加工到1/2~3/4處后分析，方能保證分析的準(zhǔn)確性。

表4 Φ5 mm激發(fā)孔測定薄壁無縫鋼管管端結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

2.3 超薄樣品的分析

GB/T 4336—2002標(biāo)準(zhǔn)要求樣品厚度大于2.0 mm。當(dāng)厚度小于1.5 mm時(shí)須壓一個(gè)傳熱樣［13］。本試驗(yàn)選擇29CrMo44標(biāo)樣，在此標(biāo)樣上切下厚度為1.5 mm和2.0 mm的試樣各1塊，在保證同一試驗(yàn)條件下，分別對原樣、1.5 mm和2.0 mm試樣、以及壓有傳熱鋼樣的1.5 mm和2.0 mm試樣，在分析面上連續(xù)測定4次，并保證樣品在制備時(shí)不得過熱［14］，觀察其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，測定結(jié)果見表5。

表5數(shù)據(jù)顯示：1.5 mm和2.0 mm試樣的Mn、Al、Sb、W元素分析結(jié)果明顯偏高，分析后樣品發(fā)熱；而在1.5 mm和2.0 mm試樣上壓另一塊鋼樣后的測定結(jié)果，與原樣的測定結(jié)果基本相同。通過數(shù)據(jù)分析認(rèn)為：采用火花源直讀光譜分析法分析超薄試樣時(shí)，對試樣厚度有一定的要求，可在待測試樣上壓另一塊鋼樣，否則不能保證分析的準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 論

（1）不同物理狀態(tài)的試樣不影響火花源直讀光譜法分析的準(zhǔn)確性，鋼中元素的測定含量不發(fā)生變化。

（2）無縫鋼管成分的不均勻性是影響火花源直讀光譜法分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的主要因素。

（3）對于壁厚大于火花源直讀光譜儀激發(fā)孔直徑的鋼管，應(yīng)選擇在鋼管管端位置進(jìn)行分析；對于壁厚小于激發(fā)孔直徑的鋼管，應(yīng)選擇在管壁從外壁到內(nèi)壁方向1/2~3/4位置進(jìn)行分析，這是保證鋼管成分分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提。

（4）采用火花源直讀光譜法同時(shí)分析多元素時(shí)，不可采用小孔激發(fā)，除非有特殊說明。超薄的待測試樣應(yīng)壓有一塊鋼樣以便傳熱，方能保證分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

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表5 不同厚度超薄試樣的測定結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %