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直读光谱法测定钢铁中碳硫元素结果的准确性研究

作者:admin     来源:     发布时间:2019-10-09 11:23:47

大多数人对直读光谱法并不熟悉, 但是熟悉计算机技术的人都会认识到, 计算机几乎影响了社会的每个层面, 重工业首当其冲, 而直读光谱法的发展与普及, 正是在计算机技术大规模应用在民用市场后。目前, 随着我国的科学技术与工业的不断发展, 直读光谱法在测定合金各类常规元素的应用中有了很大的发展空间。直接光谱法的出现, 可以让工作者简洁方便地测出样本中所含的各类常规元素含量。但是, 直接光谱法并不是十全十美的, 在实际测定中, 人们发现直接光谱法也会与实际结果有着一定的误差。硫是钢中的有害元素, 可以引起钢的热脆性, 降低钢的机械性能, 特别是钢的疲劳极限、塑性及耐磨性等, 同时对钢的耐蚀性及可焊性也有不利影响[1]。而碳含量则直接影响了钢的强度, 所以对这两种元素的准确测定是十分重要的。

1 直读光谱仪原理与实验仪器

直读光谱仪, 英文缩写为OES (Optical Emission Spectrometer) , 也就是原子发射光谱仪。由于二战后欧洲的战后重建急需大量钢铁, 直读光谱仪也是当时市场需求催生的产物。上世纪六十年代后, 直读光谱仪在计算机技术的发展下得到了迅速的发展, 成本也迅速降低, 到七十年代后, 光谱仪器基本上是完全由计算机进行自动化控制的。

1.1 直读光谱仪原理

直读光谱仪采用原子发射光谱学的分析原理, 样品经过电弧或火花放电激发成原子蒸汽, 蒸汽中原子或离子被激发后产生发射光谱, 发射光谱经光导纤维进入光谱仪分光室色散成各光谱波段, 根据每个元素发射波长范围, 通过光电管测量每个元素的最佳谱线, 每种元素发射光谱谱线强度正比于样品中该元素含量, 通过内部预制校正曲线可以测定含量, 直接以百分比浓度显示。

由现代光谱仪的工作原理, 光谱仪根据工作原理大致可以分为两大类:经典光谱仪和新型光谱仪。经典光谱仪, 是以经典的空间色散原理为基础的仪器;新型光谱仪则是建立在调制原理上的仪器。经典光谱仪器都是狭缝光谱仪器, 而调制光谱仪是非空间分光的, 它采用了圆孔进光。

1.2 ARL4460光谱仪

江阴兴澄特钢公司三期实验室ARL4460型光谱仪, 由瑞士公司生产, 共计有三十二个通道, 可测定多达25种元素, 还可以同时测定酸溶铝与酸溶錋。仪器要求工作环境温度在15℃到30℃之间, 相对湿度要求小于80%, 在统一标准周期内, 不允许室内温度波动超过5℃。分析要求:氩气浓度大于99.995%、输入压力0.20MPa~0.30MPa、钨对电极, 顶角90°、分析间隙3mm。

2 碳元素分析中对准确性影响的因素

2.1 试样的制备

在制样时, 温度会急剧升高, 尤其是夏季, 因此需用冷水对试样进行冷却处理[2]。对于高碳钢样本, 用水来极速冷却会使表面产生裂纹, 致使发光不良或者表面完全无光。但是, 即使试样表面无裂纹等缺陷, 激发点也在可接受范围内, 碳元素的测定值依然远远超过实际值。出现这样的原因, 主要是试样的表面温度与表面纹路影响了激发点的放电状态。所以, 在进行实验时, 试样要保证25℃~35℃, 最多不允许超过40℃。纹路也要保证原始纹路状态才不会对测定出现影响。

2.2 钢中铝的含量

铝的含量对钢铁中的碳含量测定有相当的影响。当铝元素含量较高, 就会影响测定结果偏高过实际值。结果表明, 在铝元素含量较高时, 碳的测定结果差距很明显。究其原因, 碳的原子线为193.090nm, 铝元素为193.003nm, 二者的相差不大, 导致铝的原子线在进入谈到原子线光谱通道入射狭缝中, 就会让碳元素光谱强度显著加大, 导致测定结果高于实际值。同时, 铝元素还会影响浓缩放电过程, 如果铝元素过多, 也会影响碳的测定结果, 同时也会造成结果高于实际值。

3 硫元素分析中对准确性影响的因素

3.1 试样的制备

样本的制备是一个整体过程, 其中要考虑到测定的所有元素测定的特殊需求。同碳元素分析一般, 硫元素的测定同样要求样本表面洁净、纹路清晰无人为磨损, 试样自身无气孔等异样, 否则以上问题会使硫的测定结果高于实际值。如果表面太过光滑, 则会导致结果偏低。

3.2 试样的温度

实际结果分析中认识到, 试样的初始温度会对测定结果有一定的影响, 如果样本温度过高, 就会使光谱线强度偏大, 测定结果远高于真值。所以, 试样的温度保持在35℃以下是不容易出现结果偏差的。

4 直读光谱法在测定过程中的影响

直读光谱法在测定中有误差是肯定的, 但是从误差的来源分析, 就可以大致将误差分为自身误差与偶然误差两种。自身误差来源有以下五种: (1) 试样中除基本元素外, 还有其他元素干扰。除了我们认定和测量的常规元素, 钢铁中在炼制与试样制备中掺入的其他少量元素, 也会影响到光谱的读取结果, 进而干扰测定结果。 (2) 光谱标样在化学分析定值带来的系统误差。系统误差是无法避免的, 这是由于分析的主观性与客观因素造成的, 是必须要考虑和接受的。 (3) 位置元素谱线的重叠干扰。如上述所说, 试样必然会或多或少掺入其他元素如铝元素等, 当测定元素原子线与其他元素差距不大时, 就会影响光谱线的强度。 (4) 氩气不纯。高纯度氩气对实验结果的影响几乎可以忽略不计, 但氩气作为直读光谱分析时的重要原材料, 需要经过大量的重复使用;同时氩气也是人为规定的影响我们对实验判断的重要标准, 所以氩气出现了纯度不够高或者其他不可控因素, 就会影响实验结果的测定, 导致实验的实施出现偏差。 (5) 钨对电极。钨电极的顶尖应当具有一定角度使光轴不得偏离中心, 放电间隙应当保持不变, 否则聚焦在分光仪的谱线强度会改变[3]。

偶然误差的出现则是大多由客观原因与人的自身主观的缺陷性造成的。如试样成分不均匀、试样厚度不平整且厚度不够、分析样品与控制标样操作不一致、试样不具有普遍性代表性, 这些都是偶然误差出现的原因。