耐候角鋼中Al元素分析影響因素研究

常 樂

（河鋼集團(tuán)宣化鋼鐵公司，河北 075100）

0 引言

宣化鋼鐵公司（以下簡稱宣鋼）角鋼主導(dǎo)產(chǎn)品為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q420B以及耐低溫Q420C、Q420D等品種，比例達(dá)到62%。Al在鋼中主要用來脫氧和細(xì)化晶粒，同時在鋼中有著強(qiáng)化固溶作用，可以提高滲碳鋼的耐磨性、疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能。Al是一種極易被污染的元素，現(xiàn)有的檢測方法周期長、速度慢，無法滿足爐前快速分析要求。而在耐候角鋼的冶煉過程中，需要及時、準(zhǔn)確測定鋼中Al元素的含量，為解決這一問題，公司實(shí)驗(yàn)室開展了耐候角鋼冶煉過程鋼中微量Al元素光譜分析方法的研究。

通過實(shí)驗(yàn)，我們確立了鋁元素的光譜分析條件，選擇了Al元素特征分析譜線，建立了Al元素光譜工作曲線，并作了精度及準(zhǔn)確度試驗(yàn)。本文闡述了光譜儀快速分析試樣的制備要求，分析了影響鋼中Al元素分析穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的因素，并給出提高分析穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的解決方案。

1 直讀光譜儀參數(shù)條件及樣品制備

1.1 試樣的制備要求

為了滿足煉鋼爐前快速分析的實(shí)際要求，目前宣鋼爐前化驗(yàn)室光譜儀分析試樣的制備不能實(shí)現(xiàn)自動銑樣，而是采取研磨機(jī)磨制的制樣方法。直讀光譜儀試樣加工時，要求試樣不過熱、不燒焦、不發(fā)藍(lán)，顯微組織均勻、細(xì)小（金相組織應(yīng)達(dá)到GB/T6829-92中1-2級）,研磨深度大于2mm。加工好的試樣不可接觸其它的脂類物質(zhì)，不可用手觸摸，并且要求試樣紋路清晰、平整潔凈，沒有氣孔、沙眼、縮孔、疏松、毛刺、裂紋和夾雜等缺陷。試樣在激發(fā)前要充分涼透，且放置時間不能太長，以減小分析誤差，確保分析結(jié)果準(zhǔn)確性。

研磨機(jī)磨制試樣，對砂紙的成分、粒度以及不同樣品間的交叉污染都有著極高的要求。如研磨機(jī)采用Al2O3砂紙進(jìn)行人工磨制，試樣表面會附著Al2O3，會使Al分析結(jié)果偏高；若改用粒度在60～80目的SiC專用砂紙加工，效果較為理想；如果磨制樣品時用已經(jīng)磨制過其他鋼種的砂紙，可能會使樣品中本來含量就很低的Al元素測量結(jié)果不穩(wěn)定，因此對砂紙的要求非常嚴(yán)格。第一，在光譜激發(fā)過程中，粒度較大的砂紙會造成樣品表面不均勻和漏氣，進(jìn)而影響鋼中微量Al分析的精度和準(zhǔn)確度，因此要選擇粒度較小的碳化硅砂紙，但它不耐磨，分析含Al樣品時，應(yīng)根據(jù)情況及時更換砂紙，以免因表面不平而影響分析結(jié)果；第二，在測定微量Al時,要避免高含量與低含量樣品在同一磨盤磨制，防止樣品之間交叉污染影響微量Al元素分析的準(zhǔn)確性。

1.2 直讀光譜儀參數(shù)及條件

1.2.1 直讀光譜儀參數(shù)確定

通過對Q420D、Q420E等含有微量Al元素的樣品進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)，確定了Al元素的分析參數(shù)，以分析Q420D鋼中Al元素為例具體參數(shù)見表1。

表1 Q420D鋼中Al元素直讀光譜儀分析參數(shù)

1.2.2 直讀光譜儀設(shè)備準(zhǔn)備

儀器除塵、清理火花臺、更換水瓶里的水、清潔空氣過濾網(wǎng)、做氬氣凈化再生、清洗集塵杯(稀鹽酸浸泡)、清潔透鏡、電極及輔助電極清理、描跡、標(biāo)準(zhǔn)化。

2 影響Al元素分析穩(wěn)定性因素及解決方案

2.1 穩(wěn)定性影響因素分析

Al作為鋼中痕量元素，成分含量極小，試驗(yàn)人員在分析Al元素時，發(fā)現(xiàn)其分析極不穩(wěn)定，分析數(shù)值之間偏差較大（見表2），嚴(yán)重影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，為此，我們針對Al元素分析穩(wěn)定性差進(jìn)行了技術(shù)研究。

表2 鋼中Al元素分析穩(wěn)定性的測試數(shù)據(jù)

研究發(fā)現(xiàn)，影響Al元素分析穩(wěn)定性的因素主要有兩個方面。一是選取標(biāo)準(zhǔn)樣品方面，標(biāo)準(zhǔn)樣品選取不合適會導(dǎo)致在每次類型標(biāo)準(zhǔn)化后，引起曲線校正系數(shù)的改變，從而使生產(chǎn)試樣的分析結(jié)果產(chǎn)生較大波動；二是生產(chǎn)試樣加工方面，生產(chǎn)試樣表面有一定厚度的氧化層，如果不能完全去除，會嚴(yán)重影響分析結(jié)果，在分析鋼中含量微小的痕量元素時，試樣加工的好壞對最終準(zhǔn)確結(jié)果的分析判定尤為關(guān)鍵。

2.2 影響因素解決方案

2.2.1 選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)樣

光譜分析是根據(jù)物質(zhì)的特征光譜來確定分析物的化學(xué)組成和相對含量的方法，必須使用標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行質(zhì)量控制，所以標(biāo)準(zhǔn)樣品的選擇非常重要。選擇標(biāo)準(zhǔn)樣品時要遵循標(biāo)準(zhǔn)樣品含量與預(yù)期檢測樣品含量盡可能的趨近的原則，否則樣品檢測的精度就會降低。另外，當(dāng)對某一標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測定時，樣品的局部不均勻、樣品的磨制、樣品被激發(fā)的位置不同、以及樣品本身的定值，也都可能造成測定結(jié)果的偏差。因此，爐前化驗(yàn)室經(jīng)過認(rèn)真篩選最終決定選用與煉鋼生產(chǎn)要求低Al元素趨近的標(biāo)準(zhǔn)樣品50Mn（Al含量值為0.010%）。

2.2.2 對分析試樣加工工藝的技術(shù)處理

試樣應(yīng)均勻、無裂紋、無氣孔、無夾渣，具有代表性。鋼的爐前分析主要為熔煉分析，熔煉分析試樣為乒乓球拍狀，分析前需要用磨樣機(jī)去掉表皮氧化層，加工為分析樣品。加工后的試樣表面應(yīng)光潔平整、無氧化、無污染。試樣表面處理的好壞將直接影響分析結(jié)果的精密度和準(zhǔn)確度，特別是對鋼中含量微小的痕量元素的分析，因此試樣制備尤為關(guān)鍵。

3 影響Al元素分析準(zhǔn)確度因素及解決方案

3.1 準(zhǔn)確度影響因素分析

工作曲線也是影響分析準(zhǔn)確度的重要原因，待測元素含量偏低時，稍微的曲線漂移就無法校正回來，直接影響分析結(jié)果。因此，需重新制作Al元素專用曲線，用于微量Al元素的質(zhì)量控制。繪制工作曲線時，要按步驟要求激發(fā)各標(biāo)樣，每塊控制樣品至少激發(fā)三次，并選擇權(quán)值，繪制校準(zhǔn)曲線，應(yīng)根據(jù)待測元素相對強(qiáng)度的平均值與標(biāo)準(zhǔn)樣品中該元素與內(nèi)標(biāo)元素的濃度比繪制工作曲線。

另外在測量譜線過程中，由于狹縫寬度和譜線寬度接近，鋁元素波長394.4nm譜線與相近的Nb、V、Mo、Cr、Mn元素的波長譜線產(chǎn)生共存元素干擾，與Al元素譜線發(fā)生重疊吸收效應(yīng)，使鋁分析值發(fā)生變化，在分析中必須進(jìn)行重疊修正。

3.2 影響因素解決方案

3.2.1 工作曲線干擾校正

在繪制校準(zhǔn)曲線時，采用最小二乘法擬合計算干擾系數(shù)，使Al的校準(zhǔn)曲線斜率處于最佳位置，線性關(guān)系良好。圖1、圖2為干擾校正前后曲線對比。由圖2可以看出，在添加干擾元素進(jìn)行曲線擬合后，曲線上的點(diǎn)分散度明顯減小，從而使線性更好，消除了干擾元素的影響，獲得了滿意的結(jié)果。

圖1 干擾校正前

3.2.2 工作曲線定期校準(zhǔn)

干擾校正后Al的工作曲線擬合良好，適用于日常生產(chǎn)試樣Al元素的分析。但由于一些客觀因素的影響，設(shè)備的曲線會發(fā)生漂移，產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，因此要定期對設(shè)備工作曲線進(jìn)行校準(zhǔn)，保證設(shè)備處于良好運(yùn)行狀態(tài)。選擇漂移校正樣品時，應(yīng)遵循使用較少的漂移校正樣品涵蓋較多的元素分析通道，同時能被盡可能多的分析程序所使用這一原則。加入每條曲線漂移校正元素通道，選擇需要加入的元素通道，選擇分析該元素所用的內(nèi)標(biāo)元素，應(yīng)當(dāng)與分析程序中該元素的內(nèi)標(biāo)設(shè)置相同。

一般來講，每條曲線要由高標(biāo)與低標(biāo)兩塊標(biāo)樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化校準(zhǔn)。但根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，單點(diǎn)校正法也可用于較低含量元素分析。由于部分光譜儀鋁曲線出廠前采用的是單點(diǎn)校正，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在單點(diǎn)校準(zhǔn)方法下，Al含量的測定值偏低。為此，我們對高低標(biāo)準(zhǔn)樣品庫中的校正樣品進(jìn)行選擇后，確定高標(biāo)08Al（Al：0.044%）作為Al元素曲線的高標(biāo)樣品對曲線進(jìn)行重新校準(zhǔn)。采用兩點(diǎn)校準(zhǔn)后，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對比，提高了準(zhǔn)確性，并得出結(jié)論，儀器校正后的α、β值與初始值(n=1)偏離過大，對鋼中痕量Al的準(zhǔn)確測定產(chǎn)生不利影響；若α、β值在0.8～1.2之間,分析值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差很小。

4 結(jié)果驗(yàn)證

微量Al工作曲線制作完成后需要對其進(jìn)行精密度和準(zhǔn)確度試驗(yàn)，選取含Al的樣品5個，在相同條件下分析10次，其精度及準(zhǔn)確度表見表3。由表3分析結(jié)果可以看出，其分析誤差滿足快速分析的要求，同時也滿足了煉鋼工藝的要求。

5 結(jié)語

宣鋼實(shí)驗(yàn)室開展耐候鋼中微量Al元素光譜快速分析研究以來，通過對影響鋼中Al元素分析穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的因素分析，采取了精細(xì)制樣、合理選擇標(biāo)準(zhǔn)樣品、干擾效應(yīng)消除等措施，以及采用精密度、準(zhǔn)確度實(shí)時效驗(yàn)等方法，使耐候角鋼中Al元素分析的及時性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確有了很大的提高。

實(shí)踐表明，在為期六個月生產(chǎn)Q460D、Q420E、Q420D、Q345E等鋼種的過程中，Al元素光譜快速分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠，有效地指導(dǎo)了耐候鋼的順利冶煉，為煉鋼廠降低生產(chǎn)成本提供有力的技術(shù)支持和保障。通過此次攻關(guān)，耐候鋼中Al元素的測定水平又上了一個新的臺階，為鋼中其它元素的準(zhǔn)確測定提供了借鑒，值得推廣應(yīng)用。