火花发射光谱分析焊丝钢线材试样

火花发射光谱分析焊丝钢线材试样

李东升

河北集团宣钢公司，河北 张家口 075100

摘要：在现代炼钢生产中已普遍采用火花源原子发射光谱法进行在线检测，该方法分析速度快、分析精度和准确度也高，可以同时分析多达几十种元素。基于此，本文主要探讨了如何利用火花发射光谱仪以及配套的小样品夹具对焊丝钢线材试样进行分析。

关键词：火花发射光谱；焊丝钢线材；试样分析

1、实验部分

1.1主要仪器及工作参数

火花发射光谱仪配备的碳分析谱线，通常有193、165、156以及133ｎｍ。分析超低碳采用133ｎｍ谱线可以大大降低背景强度，改善检测下限，分析灵敏度得到显著提高。由于碳133ｎｍ谱线波长处于真空紫外光区（波长１００～２００ｎｍ），这种波长能够被空气中的氮、氧、二氧化碳和水吸收，因此对于氩气的纯度要求较高。而氩气不纯通常是含水和氧，实验用净化装置能有效除去氩气中的杂质气体使纯度提高到99.999％，满足火花发射光谱分析超低碳的要求。

日本岛津公司ＰＤＡ5500型火花源原子发射光谱仪主要工作参数如下：帕型龙格型光栅，半径0.6ｍ；波长范围120．0～589．０ｎｍ；色散率0.69ｎｍ／ｍｍ；分光室恒温控制（40.0±0.1）℃；氩气纯度大于99.999％，工作压力0.25ＭＰａ；分析流量10Ｌ／ｍｉｎ，待机流量0.5Ｌ／ｍｉｎ；顶角30°，钨电极φ２ｍｍ，分析间隙与辅助间隙为４ｍｍ；激发态试样板孔径为φ12ｍｍ。

1.2样品制备

由于光谱仪激发台的孔径为Φ１２ｍｍ，因此对于直径小于Φ１２ｍｍｍ的线材试样，通常采用以下三种制样方法进行光谱分析：（ａ）镶嵌法；（ｂ）压扁法；（ｃ）小样品夹具法；其中，镶嵌法操作繁琐、分析成本较高，不利于大批量样品的分析，压扁法最为快速有效，但由于焊丝钢线材试样的直径通常为Φ５～６ｍｍ，一般无法压至分析所需尺寸（宽度大于１２ｍｍ），因此只能采用小样品夹具法进行分析。

焊丝钢线材试样取自线材盘条上，长度约８～９ｃｍ，并经过矫直以便于试样的加工分析。由于试样截面较小，分析时截面周边也将被激发到，因此必须对截面周边进行研磨以去除表面氧化层，确保分析数据的准确性；同时由于截面较小，研磨试样时不容易把握角度，通常会使研磨后的试样表面倾斜，影响分析结果准确性。为保证样品的加工质量，研磨时采用专用工具以确保研磨表面不倾斜。此外，在进行光谱分析时，试样与电极的定位必须准确：①试样研磨面与激发台面平行贴切；②试样研磨面与电极对中良好。为此，采用Ｖ型定位器使其两边与专用夹具相切，确保试样与电极对中准确。

1.3仪器参数设定

1.3.1分析谱线选择

分析谱线的选择如表１所示。

表１不同元素分析谱线选择

1.3.2分析条件设定

为获得合适的分析条件，分别对时序１、时序２中的充氩时间、预燃时间、积分时间按正交试验法进行组合，开展一系列试验：

（１）对于时序为１的元素，选取Ｌ９（３３）正交表，

按三因素、三水平安排试验，如表２所示。每一试验条件下，对同一样品测５次，然后对各元素强度值的ＳＤ进行求和，作为试验的结果，如表３所示。

表２时序１试验因子水平设定

表３时序１元素正交试验结果

如表３，４所示，Ｃ因子的极差ＲＣ最大，表明该因子对试验结果的影响是最主要的。其次，是Ａ因子，再其次，是Ｂ因子。因而，因子的主次关系是：Ｃ（积分时间）→Ａ（充氩时间）→Ｂ（预燃时间）。Ｃ因子取水平③，Ａ因子取水平②，Ｂ因子取水平②较好，因此得到一个较优水平组合Ｃ３Ａ２Ｂ１，即适当延长积分时间及充氩时间可提高分析数据的稳定性。因此将时序１的条件设为如表４所示。（２）在时序１的基础上，对时序为２的元素进一步优化。选取Ｌ９（３３）正交表，按二因素、三水平安排试验。每一试验条件下，对同一样品测５次，然后对各元素强度值的ＳＤ进行求和，作为试验的结果。

表４时序１参数设定

Ｅ因子的极差ＲＥ最大，表明该因子对试验结果的影响是最主要的。其次，是Ｄ因子。因而，因子的主次关系是：Ｅ（积分时间）→Ｄ（预燃时间）。Ｅ因子取水平③，Ｄ因子取水平③较好，因此得到一个较优水平组合Ｅ３Ｄ３，即适当延长积分时间可提高分析数据的稳定性。

2、结果与讨论

火花发射光谱分析通常采用持久曲线法和类型控样法。持久曲线法指预先采用大量标样制作工作曲线，被测试样的含量在此工作曲线测量范围内且与标样状态基本一致，便可进行测量。由于线材试样的状态与光谱标样的相差较远，故选取与分析试样的冶炼过程和物理状态基本一致、成分相近样品，对仪器进行类型标准化，然后对被测样品进行检测。本文所使用的类型控样由本单位选取采用相同规格的焊丝钢进行化学定值研制而成，控样成分中Ｃ，Ｓ元素采用红外碳硫仪分析，其余元素采用湿法化学分析。类型标准化采用平移和旋转两种方式对原有工作曲线进行校正，公式如下：

如果Ｃ０≥Ｃｔ，则采用平移校正公式

Ｃ＝Ｃ０＋ＡＣ

如果Ｃ０＜Ｃｔ，则采用旋转校正公式

Ｃ＝Ｃ０×ＭＣ

式中Ｃ为修正后的成分值，Ｃ０为修正前的成分值，Ｃｔ为目标值（控制样品化学定值），ＡＣ为加值系数，ＭＣ为乘积系数。

本试验用类型标准化法分析了直径Φ５．５ｍｍ，牌号为Ｈ８０ＧＸ－ＩＩＩ新式焊丝钢盘条试样。

如按３σ控制原则，确保９９．７３％数据可靠，与ＧＢ／Ｔ４３３６－２００２标准的重复性指标比较，该方法Ｂ、Ｔｉ、ＴＡｌ三元素重复性未能达到国标要求，但与Ｈ８０ＧＸ－ＩＩＩ焊丝钢产品规格限比较，均小于产品公差的１／５，能满足生产需要。

3、结束语

（１）由此方法的准确性及重复性结果来看，分析结果准确可靠，能满足产品检验的需要。

（２）相对于传统湿法化学分析，该方法分析速度快、劳动强度低、成本低、效率高。

（３）分析结果的准确度与试样状态密切相关，在分析时应尽量避免试样表面存在缩孔、裂纹等现象。

（４）试样制备及试样定位好坏将直接影响到分析结果的准确性，试样表面及侧面打磨不干净，试样定位偏离或激发间距的变动都将对分析结果产生较大影响。

（５）适当延长充氩时间与积分时间，有利于提高分析精度。

参考文献

［1］杨忠梅．火花源原子发射光谱仪分析小样品［Ｊ］．冶金分析，２００７，２７（３）：６１—６４．

［2］马爱芳，冯士娟，郑连杰等．火花源原子发射光谱法在线测定钢中超低碳超低硫［Ｊ］．中国冶金，２０１０，２０（９）：３０－３３．