張大偉， 孫菲菲

(寶鋼軋輥科技有限責(zé)任公司，江蘇 常州 213019)

引 言

隨著檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)檢測(cè)效率的要求逐步提高，常規(guī)工業(yè)生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法正逐漸被儀器分析取代，直讀光譜分析技術(shù)以其檢測(cè)精度高、檢測(cè)速度快的特點(diǎn)得到了較廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際生產(chǎn)中，直讀光譜儀的檢測(cè)精度仍受多方面條件影響，包括儀器廠家技術(shù)能力、儀器狀態(tài)、透鏡系統(tǒng)的清潔程度、電極的形狀等影響長期精度的因素；還包括儀器的調(diào)整(電極的位置)、標(biāo)準(zhǔn)樣品類型標(biāo)準(zhǔn)化的執(zhí)行、保護(hù)氣(氬氣)的純凈度、電源的穩(wěn)定性、環(huán)境的溫(濕)度、分析試樣的狀態(tài)等影響短期精度的因素。本文重點(diǎn)討論直讀光譜技術(shù)在鍛鋼軋輥檢測(cè)應(yīng)用中的影響因素及解決方法。

1 試驗(yàn)過程

儀器廠家的技術(shù)能力、儀器的狀態(tài)、透鏡系統(tǒng)的清潔程度、電極的形狀等影響長期精度的因素的存在會(huì)直接造成檢測(cè)結(jié)果錯(cuò)誤，而非簡單影響檢測(cè)精度，此類問題在檢測(cè)中比較容易發(fā)現(xiàn)，故本文將不對(duì)此做詳細(xì)討論；需重點(diǎn)討論的是影響短期精度的因素，包括儀器的調(diào)整(電極的位置)、標(biāo)準(zhǔn)樣品類型標(biāo)準(zhǔn)化的執(zhí)行、保護(hù)氣(氬氣)的純凈度、電源的穩(wěn)定性、環(huán)境的溫(濕)度、分析試樣的狀態(tài)等。

1.1 試驗(yàn)原理

每個(gè)元素都是由原子組成，而其原子核外電子均有獨(dú)特的分布。試樣接收外來能量(火花等)后，核外電子躍遷至高能級(jí)，高能級(jí)態(tài)電子不穩(wěn)定，又會(huì)躍遷回基態(tài)，而躍遷回基態(tài)的過程，向外釋放具有特定波長的能量，原理如圖1所示。

ΔE=Eh-El=ch/λ

式中 ΔE為釋放的能量；Eh為高等級(jí)能量；El為低等級(jí)能量；c為光速；h為普朗克常數(shù)；λ為波長。

圖1 原理圖

通過收集計(jì)算不同波長強(qiáng)度，計(jì)算出激發(fā)試樣中各元素的含量。

1.2 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)中主要應(yīng)用的儀器有：SPECTRO TEST 直讀光譜儀；ICP-6300等離子發(fā)射光譜分析儀；CS-902G紅外碳硫分析儀。

1.3 常規(guī)影響因素的試驗(yàn)

儀器繪制校準(zhǔn)曲線時(shí)需使用標(biāo)準(zhǔn)樣品，標(biāo)準(zhǔn)樣品的化學(xué)性質(zhì)和組織結(jié)構(gòu)應(yīng)與分析樣品相近似，且應(yīng)涵蓋分析元素的含量范圍，最好組織和冶煉過程也與分析樣品相近[1]。試驗(yàn)中用的標(biāo)準(zhǔn)樣品及其標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)樣品化學(xué)成分含量/%

先將儀器調(diào)整至滿足試驗(yàn)條件的狀態(tài)，然后分別進(jìn)行：①調(diào)整電極距離；②去除電源穩(wěn)壓器；③改變環(huán)境溫度；④改變氬氣純度；⑤改變樣品表面狀態(tài)，再檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)樣品A，記錄不同試驗(yàn)條件下A樣品的檢測(cè)結(jié)果。

1.4 不同標(biāo)樣的試驗(yàn)

所有試驗(yàn)條件調(diào)整到最佳，選取不同標(biāo)準(zhǔn)樣品B, 行類型標(biāo)準(zhǔn)化，檢測(cè)樣品A，各記錄3次檢測(cè)結(jié)果。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 常規(guī)影響因素的試驗(yàn)結(jié)果

從表2檢測(cè)結(jié)果可以看出：1)電極的距離不同會(huì)使得檢測(cè)結(jié)果偏差較大；2)正常的電流波動(dòng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果無明顯影響；3)一定范圍內(nèi)的溫度波動(dòng)，不影響正常檢測(cè)；4)環(huán)境溫度試驗(yàn)結(jié)果確定，儀器可在-10～37 ℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)正常工作，而且檢測(cè)結(jié)果不受影響；5)氬氣純度不夠，會(huì)造成無法激發(fā)或激發(fā)不完全，從而使得檢測(cè)錯(cuò)誤，檢測(cè)結(jié)果無參考意義。6)試樣表面的油污，會(huì)造成C的含量明顯增高，使得Si,P,S等非金屬元素結(jié)果出現(xiàn)偏差。

檢測(cè)中此類問題可以通過以下方法進(jìn)行驗(yàn)證：

(1)激發(fā)點(diǎn)：如圖2所示，同一試樣在不同激發(fā)條件下，產(chǎn)生的激發(fā)點(diǎn)存在各種差異，點(diǎn)1, 2外圈為褐色、內(nèi)圈黑色、中心為麻點(diǎn)，為正常激發(fā)點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確；點(diǎn)3,4外圈為灰色，內(nèi)圈無或者部分黑色，中心為麻點(diǎn)，多為試樣與激發(fā)槍之間密封性不好，使得少量能量損失造成，此類檢測(cè)結(jié)果略有波動(dòng)，檢測(cè)相對(duì)準(zhǔn)確；點(diǎn)5, 6激發(fā)點(diǎn)與試樣無明顯界限，呈白色或灰色，多為氬氣不純?cè)斐?，造成不完全激發(fā)，此類檢測(cè)結(jié)果偏差較大，尤其是C, P, S等非金屬元素，檢測(cè)結(jié)果無參考意義；點(diǎn)7斑點(diǎn)較小呈灰色，多為電極距離、角度、磨損(如圖3所示)等情況造成未激發(fā)，無數(shù)據(jù)結(jié)果。

(2)激發(fā)過程：正常激發(fā)時(shí)，激發(fā)火花為藍(lán)色，聲音相對(duì)清脆，積分時(shí)間固定；激發(fā)異常時(shí)，火花多為褐色、聲音刺耳，積分時(shí)間較長。

圖2 不同的激發(fā)點(diǎn)形態(tài)

圖3 激發(fā)電極的不同狀況

2.2 不同標(biāo)樣的試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

所有影響因素中，造成激發(fā)異常的因素比較容易發(fā)現(xiàn)并能有效避免，其他影響因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響較小，此文不做贅述，相應(yīng)的解決辦法在文獻(xiàn)[2]中有詳細(xì)敘述；本文重點(diǎn)討論標(biāo)準(zhǔn)樣品對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

從表3檢測(cè)結(jié)果可以看出：C樣品進(jìn)行類型標(biāo)準(zhǔn)化后，檢測(cè)樣品A，所得結(jié)果與標(biāo)定值基本一致；B樣品進(jìn)行類型標(biāo)準(zhǔn)化后，檢測(cè)樣品A，所得結(jié)果重復(fù)性很好、波動(dòng)較小，但檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)定值存在一定偏差。采用與樣品A化學(xué)成分更接近的C樣品進(jìn)行類型標(biāo)準(zhǔn)化后，檢測(cè)結(jié)果更接近標(biāo)定值，所以要求檢測(cè)中標(biāo)準(zhǔn)樣品的化學(xué)成分范圍應(yīng)大于或者近于待測(cè)樣品的化學(xué)成分范圍。

3 控制樣品的制作

現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)樣品都是常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)樣品。而鍛鋼軋輥并非標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)材質(zhì)，其常用化學(xué)成分范圍如表4所示。

目前無法直接采購到所有元素與軋輥分析樣品化學(xué)成分含量相近的標(biāo)準(zhǔn)樣品，而且也無法保證其結(jié)構(gòu)形態(tài)與待測(cè)樣品一致。在實(shí)際工作中，鍛鋼軋輥檢測(cè)時(shí)通常需要幾塊標(biāo)準(zhǔn)樣品共同完成校準(zhǔn)曲線的繪制，而不同樣品之間的反復(fù)校準(zhǔn)會(huì)引入誤差；分析樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品的冶煉過程、某些物理狀態(tài)的差異，常使校準(zhǔn)曲線發(fā)生變化；各標(biāo)準(zhǔn)樣品之間的差異，標(biāo)注樣品與待測(cè)樣品之間的差異，也會(huì)引入檢測(cè)誤差；這樣一來不但嚴(yán)重降低了檢測(cè)效率，也明顯增加了檢測(cè)的不確定性。綜上所述，目前無法從市場(chǎng)中直接采購到完全符合冷軋輥材質(zhì)的直讀光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品。為了避免此類偏差的影響，常用一個(gè)與分析樣品各方面狀態(tài)一致的控制樣品用于分析[3]，從而可以用一塊控制樣品完成所有元素的校準(zhǔn)，減小檢測(cè)誤差。

表2 不同試驗(yàn)條件下A樣品檢測(cè)結(jié)果

表3 不同標(biāo)準(zhǔn)化后A樣品檢測(cè)結(jié)果

控制樣品選自常規(guī)鍛鋼軋輥，增加其制造余量，使其按常規(guī)熱處理工藝經(jīng)過冶煉、鍛造、球化、淬火、高溫回火工序，截取產(chǎn)品增加部分為原始試樣，鉆取鐵屑試樣，選三家國家認(rèn)可的、具有化學(xué)成分分析資質(zhì)的單位，用ICP等離子發(fā)射光譜分析儀、紅外碳硫分析儀，對(duì)鐵屑進(jìn)行化學(xué)成分分析，所得檢測(cè)結(jié)果取平均值，即定為控制樣品的標(biāo)準(zhǔn)值，如表5所示。再將試樣加工至便于操作的形狀、尺寸，進(jìn)行防銹處理，則控制樣品制作完成，可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

表4 鍛鋼軋輥常用化學(xué)成分范圍/%

w(C)w(Si)w(Mn)w(P)w(S)w(Cr)w(Ni)w(Mo)w (V)0.70～1.100.30～1.000.10～0.80≤0.02≤0.0154.50～6.000.30～0.800.20～0.800.10～0.60

表5 控制樣品的化學(xué)成分/%

4 結(jié)束語

根據(jù)以上直讀光譜技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的檢測(cè)結(jié)果，可知實(shí)際應(yīng)用中要求：①氬氣純度不低于99.999%，壓力在0.5 MPa左右；②電極距離為2 mm；③正常工作環(huán)境溫度范圍為-10～37 ℃；④測(cè)試試樣表面平整、干凈；⑤標(biāo)準(zhǔn)樣品化學(xué)性質(zhì)、組織、結(jié)構(gòu)、冶煉方式應(yīng)與分析樣品相近似，無合適標(biāo)準(zhǔn)樣品時(shí)，應(yīng)制作控制樣品代替標(biāo)準(zhǔn)樣品使用。