鋼鐵企業(yè)中X射線熒光光譜分析實驗室的配置與設(shè)計

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X射線熒光光譜分析是一種非破壞性的現(xiàn)代儀器分析方法，它具有分析速度快、可分析元素范圍廣、分析結(jié)果準確穩(wěn)定、分析樣品狀態(tài)及形狀多樣等優(yōu)點，在冶金、地質(zhì)、石油化工、建材、環(huán)境等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1]。本文介紹了鋼鐵企業(yè)中X射線熒光光譜分析實驗室的設(shè)備配置及設(shè)計要求。

1 X射線熒光光譜分析基本原理

在X射線管內(nèi)，一束電子流高速撞擊陽極金屬靶表面，產(chǎn)生初級X射線，當初級X射線照射到試樣表面時，激發(fā)原子中內(nèi)層能級上的電子并使其躍遷形成空位，立即可由外層較高軌道上的電子來填充，多余的能量以X射線光子的形式釋放出來，即產(chǎn)生熒光X射線，也稱為次級X射線[1]。由于X射線熒光產(chǎn)生于原子內(nèi)層電子的躍遷，因此這種躍遷只能產(chǎn)生有限的幾組譜線，即特征X射線。根據(jù)特征X射線的波長和強度，對被測試樣中元素進行定性和定量分析。

實際上試樣往往是由多種元素組成的，因此會產(chǎn)生各種特征X射線，所以需要采用各種分光晶體把各種特征X射線波長分開在不同的衍射角上，根據(jù)布拉格定律[1]可知：

2dsinθ=nλ

(1)

式中：d：分光晶體的晶面間距；

θ：衍射角；

n：衍射線級次，n =1，2…，n為整數(shù)；

λ：特征X射線的波長。

d為已知，θ角可從儀器上直接讀出，因此可求出λ的值。布拉格定律是X射線定量分析的基礎(chǔ)，根據(jù)特征X射線強度與相應(yīng)元素含量之間的關(guān)系，可以進行元素的定量分析[1]。特征X射線的強度與分析元素的質(zhì)量百分含量之間的關(guān)系可用下式表示[2]：

Ii=KCi/μm

(2)

式中：Ii：特征X射線的強度；

K：常數(shù)，與入射線強度和分析元素對入射線的質(zhì)量吸收系數(shù)有關(guān)；

Ci：分析元素的質(zhì)量百分含量；

μm：試樣對初級X射線和熒光X射線的總質(zhì)量吸收系數(shù)。

根據(jù)莫塞萊定律[1]，原子序數(shù)與特征X射線波長之間的數(shù)學關(guān)系式如下：

(3)

式中：λ：特征X射線的波長；

K、S：與線系有關(guān)的常數(shù)；

Z：原子序數(shù)。

只要測出了特征X射線的波長，就可以求出產(chǎn)生該波長的元素，即可做定性分析[2]。所以莫塞萊定律是X射線定性分析的基礎(chǔ)。

X射線熒光光譜儀分析原理如圖1(以波長色散型為例)。

2 X射線熒光光譜分析在鋼鐵企業(yè)的應(yīng)用范圍

由于XRF在主次量元素分析上的無可比擬的優(yōu)勢，以及X射線熒光光譜儀器的發(fā)展，XRF已經(jīng)成為一門成熟的成分分析技術(shù)[1]。近年來，XRF在鋼鐵冶金分析方面發(fā)揮了重大作用，它是鋼鐵生產(chǎn)過程和質(zhì)量控制的主要手段，應(yīng)用于冶金物料、過程產(chǎn)品和成品等的檢測分析。鋼鐵企業(yè)中采用X射線熒光光譜分析的主要品種及分析項目見表1。

X射線熒光光譜分析除了表1所列品種的成分外，還可分析冷軋鋼板表面的鍍層或涂層厚度。

表1 X射線熒光光譜分析的主要品種及分析項目

3 X射線熒光光譜分析實驗室的設(shè)備配置

3.1 X射線熒光光譜分析在鋼鐵企業(yè)的分析流程

以上各品種的成分分析，在實驗室一般采用儀器分析為主、濕法化學分析為輔的原則來進行分析流程設(shè)計。儀器分析主要采用X射線熒光光譜分析為主，再輔以紅外碳硫分析、等離子體發(fā)射光譜或原子吸收分光光譜分析。

3.1.1 原材料樣、渣樣及雜輔料成分分析工藝流程

主要品種的X射線熒光光譜分析工藝流程見圖2。

圖2 原材料樣、渣樣及雜輔料成分分析工藝流程

3.1.2 鐵水樣、鋅液樣成分分析工藝流程(圖3)

圖3 鐵水樣、鋅液樣成分分析工藝流程

3.1.3 鋼材成分分析工藝流程(圖4)

圖4 鋼材成分分析工藝流程

3.2 X射線熒光光譜分析實驗室設(shè)備的選型配置

X射線熒光光譜分析實驗室的設(shè)備選型應(yīng)以技術(shù)先進成熟可靠、操作快速方便為原則，具體選型立足于國產(chǎn)，對國內(nèi)尚無成熟技術(shù)的關(guān)鍵性儀器設(shè)備采用國外引進[3]。因此X射線熒光光譜儀采用國外引進，成分制樣設(shè)備采用國產(chǎn)。

3.2.1 X射線熒光光譜儀

鋼鐵企業(yè)分析所用的X射線熒光光譜儀主要為波長色散型，它可以分為多道同時型、掃描型和多道與掃描型相結(jié)合的光譜儀。多道同時型適用于相對固定組成和大批量試樣分析，具有分析元素固定、檢測速度快、校正軟件簡單、儀器價格便宜等優(yōu)勢，缺點是除儀器選定元素外，其它元素無法檢測[2]；掃描型適用于科研及多用途的工作，擁有90多個元素的分析能力，具有定量和半定量分析能力，對檢測成分復(fù)雜、小批量試樣、特殊元素多的材料起到很重要作用，缺點是儀器造價高、分析軟件復(fù)雜等[2]；多道與掃描型相結(jié)合則結(jié)合了兩者的優(yōu)點[1]。目前，鋼鐵企業(yè)中一般根據(jù)實驗室承擔的具體分析項目，選擇同時配置多道同時型和掃描型兩種，但以配置多道同時型為主。

X射線熒光光譜儀由激發(fā)樣品的光源、色散系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、譜儀控制和數(shù)據(jù)處理等幾部分組成[1]。示意圖見圖5。

圖5 波長色散型X射線熒光光譜儀圖示

目前，X射線熒光光譜儀的生產(chǎn)商很多，但五大生產(chǎn)商(瑞士的Thermo Fisher、荷蘭的Panalytical、德國的Bruker、日本的Rigaku和Shimadzu)基本瓜分了全球的冶金、礦產(chǎn)、機械、建材等行業(yè)的用戶[4]，用戶可根據(jù)自身情況合理選擇生產(chǎn)商及型號。

另外，X射線熒光光譜分析配套的穩(wěn)壓電源、循環(huán)水冷卻裝置需與X射線熒光光譜儀成套配置。

3.2.2 成分制樣設(shè)備

采用X射線熒光光譜分析的制樣方法有粉末壓片法、玻璃熔融法和切削打磨法。粉末壓片法適合分析廠內(nèi)的生產(chǎn)樣，該方法簡單快速，但礦物效應(yīng)和粒度效應(yīng)突出，準確度較差[5]；玻璃熔融法適合在對外結(jié)算等準確度要求較高的品種，該方法分析結(jié)果準確可靠，能有效克服樣品的礦物效應(yīng)和粒度效應(yīng)，同時降低基體的影響[5]；切削打磨法適合對塊狀金屬試樣的檢測，該方法具有樣品處理簡單、分析速度快、結(jié)果準確等優(yōu)點[2]。

(1)原材料、爐渣及雜輔料試樣制樣設(shè)備

鐵礦石、熔劑、鐵合金及爐渣一般為塊狀，需先經(jīng)破碎機和粉碎機破碎成一定粒度的粉末，然后采用玻璃熔融法或粉末壓片法制備成分析薄片。

對外購的鐵礦石、熔劑、鐵合金等，采用玻璃熔融法進行制備，配置的制樣設(shè)備為：鄂式破碎機、密封式制樣粉碎機、快速熔樣機等；對鋼鐵企業(yè)自己生產(chǎn)的燒結(jié)礦、球團礦，以及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的爐渣，采用粉末壓片法進行制備，配置的制樣設(shè)備為：鄂式破碎機、密封式制樣粉碎機、壓片機等。根據(jù)品種的粒度大小，選擇開口尺寸相匹配的顎式破碎機；配置密封式制樣粉碎機時要注意料缽的材質(zhì)，鐵合金試樣需配備碳化鎢料缽，其它試樣配備高錳鋼料缽；壓片機一般選擇最大壓力為40t或60t。

耐火材料和雜輔料一般粉末狀，制樣比較簡單。耐火材料采用玻璃熔融法，配置快速熔樣機；雜輔料采用粉末壓片法，配置壓片機。

(2)鐵水、鋅液試樣制樣設(shè)備

采取鐵水和鋅液試樣時，一般需采用模具或取樣器，將采取的液態(tài)冷凝至固態(tài)。進行成分試樣制備時，采用切削打磨法，根據(jù)試樣的具體形狀配置制樣設(shè)備。

試樣形狀為柱狀時，配置的制樣設(shè)備為：切割機、磨樣機或銑樣機。試樣形狀為球拍狀時，配置的制樣設(shè)備為：剪柄機、磨樣機或銑樣機。關(guān)于磨樣機的選擇，與煉鋼合建實驗室時，由于試樣量大，可配銑樣機和磨樣機；不考慮煉鋼時，配置磨樣機即可。

(3)鋼材試樣制樣設(shè)備

鋼材為軋鋼生產(chǎn)線的產(chǎn)品，由于需要檢測拉伸、彎曲、金相等物理性能，因此制備成分分析試樣時，可利用那些物理性能檢測試樣。粗加工的制樣設(shè)備利用軋鋼實驗室配置的剪板機、鋸床、銑床、磨床等，然后送至X射線熒光光譜儀所在的實驗室進行磨削加工。因此只需配置磨樣機即可。

冷軋鋼板表面的鍍層或涂層厚度檢測試樣制樣設(shè)備與鋼材試樣制樣設(shè)備基本上一致。對薄板還可配置沖床。

4 X射線熒光光譜分析實驗室設(shè)計的注意事項

根據(jù)鋼鐵企業(yè)實驗室規(guī)劃方案，X射線熒光光譜分析實驗室可安排在鐵前檢化驗中心、鐵鋼分析中心、成品試驗中心或者中心實驗室等，X射線熒光光譜分析實驗室主要包括X熒光分析室(與其它大型儀器共用實驗房間時可命名為儀器分析室)、熔融壓片室、試樣制備室和輔助室等。實驗室設(shè)計時要注意以下要求：

(1)實驗室位置

實驗室位置要盡量遠離污染源、振源、電磁源，避免或減少對精密儀器分析結(jié)果的影響；朝向采用南北朝向，避免陽光向精密儀器直射[6]。

(2)實驗室房間布置

X熒光分析室設(shè)置在實驗室的一樓為宜，輔助室緊鄰布置，其它房間盡量與之臨近布置。

(3)建筑、結(jié)構(gòu)

各房間地坪負荷應(yīng)不低于800kg/m2；試樣制備室為水磨石地坪，其它房間為耐磨防滑地板磚地坪，X熒光分析室需考慮防振措施；各房間的墻面一般刷白色優(yōu)質(zhì)涂料，試樣制備室易產(chǎn)塵，便于墻面清潔，可采用高1.2m～1.5m的油漆墻裙；試樣制備室不設(shè)吊頂，天棚刷白色優(yōu)質(zhì)涂料，其它房間一般設(shè)吊頂，吊頂后凈高不低于3.2m；小房間設(shè)單開門，門寬為1m；大房間設(shè)雙開門，門寬為1.5～2.0m。

(4)通風設(shè)施

X射線熒光光譜儀對環(huán)境溫度和濕度都有一定的要求，因此設(shè)計X熒光分析室時要求室內(nèi)溫度23±5℃，相對濕度不大于70%；熔樣機在工作中會產(chǎn)生高溫廢氣，需要單獨設(shè)計局部排風裝置抽至室外；破碎機在工作時會產(chǎn)生粉塵，需根據(jù)設(shè)備除塵要求設(shè)計除塵器；輔助室布置X射線熒光光譜儀配套的循環(huán)水冷卻裝置和P10氣瓶，需設(shè)計間斷性通風換氣設(shè)施。

(5)供配電設(shè)施

實驗室應(yīng)設(shè)置雙路電源供電，應(yīng)設(shè)單相220V/三相380V交流電源，三相五線制，50Hz，電壓波動小于±10%；X射線熒光光譜儀應(yīng)單獨接地，接地電阻≤1Ω；X射線熒光光譜儀配套的穩(wěn)壓電源應(yīng)為UPS電源，另設(shè)計斷電保護裝置，避免突然斷電對儀器造成損壞；實驗室所有開關(guān)和電源插座都應(yīng)設(shè)置靜電接地系統(tǒng)；實驗室采用日光燈照明，照度不低于300Lx。

5 結(jié)束語

X射線熒光光譜分析適用于固態(tài)、液態(tài)、粉末等多種材料中多元素的快速分析，已逐漸成為鋼鐵生產(chǎn)中的一種重要分析檢測手段，為鋼鐵企業(yè)把好質(zhì)量關(guān)起到了重要作用。針對不同形狀的試樣選擇不同的分析流程、制樣方法及設(shè)備，可以為企業(yè)創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益。通過對X射線熒光光譜分析的工藝流程、實驗室設(shè)備選型配置，以及實驗室設(shè)計應(yīng)注意事項等的總結(jié)，為實驗室建設(shè)及管理提供了可靠的資源。

[1]王立新. 冶金儀器分析技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2010：213-215.

[2]程張生,胡述戈,等. X射線熒光光譜分析技術(shù)在質(zhì)量檢測中的應(yīng)用探討[J]. 河南冶金, 2014,22(5): 25-27.

[3]李 江. 鋼鐵企業(yè)環(huán)境監(jiān)測站設(shè)計探討[J]. 分析試驗室, 2009,28(b05): 316.

[4]曲月華,王一凌. X射線熒光光譜分析技術(shù) [J]. 鞍鋼技術(shù), 2013,3: 10.

[5]覃丹柳,鐘梅英,鄭衛(wèi)紅. 鈷內(nèi)標X射線熒光光譜分析法在鐵礦石分析中的應(yīng)用 [J]. 柳鋼科技, 2013,2: 39.

[6]駱巨新. 分析實驗室裝備手冊[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2003：15.