沈 忱

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，300301）

0 引言

火花數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)（Spark－DAT），又名單火花分析法，也叫做火花源發(fā)射光譜儀－脈沖差別分析法（OES－PDA），是火花源原子發(fā)射光譜儀的一種高端配置。Spark－DAT使OES的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，由于其能夠在很短的時(shí)間內(nèi)檢測分析出鋼鐵中的微量元素和夾雜物，有助于鋼鐵冶煉過程中的雜質(zhì)控制和工藝優(yōu)化。通過鋼鐵中夾雜物的快速分析或高科技替代手段，能夠改善由于夾雜物的存在而影響的鋼材性能。

1 Spark－DAT分析技術(shù)在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用

過去十年間，使用Spark－DAT對元素的定量檢測以及夾雜物的分析，在鋼鐵行業(yè)中已經(jīng)越來越多。概括來說，這項(xiàng)分析技術(shù)可以用于以下幾個方面：

（1）酸溶（或不溶）物分析：Spark－DAT對元素被激發(fā)時(shí)所獲得的火花強(qiáng)度的分布進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而能夠利用數(shù)學(xué)建模計(jì)算出酸溶（或不溶）物的成分含量。

（2）材質(zhì)的純凈度：Spark－DAT可以統(tǒng)計(jì)出各元素通道中不同強(qiáng)度的脈沖計(jì)數(shù)。其中低強(qiáng)度的脈沖信號表示該元素以固溶的形式存在，高強(qiáng)度的脈沖信號則表示對應(yīng)元素析出相的形式，脈沖計(jì)數(shù)值也可以用來表示這種材質(zhì)的純凈度。因此，該項(xiàng)技術(shù)可在實(shí)際生產(chǎn)中隨時(shí)隨地監(jiān)控工藝流程各階段產(chǎn)物的純凈度變化，從而對工藝流程的改良具有重要意義。

（3）夾雜物的分析：Spark－DAT能夠快速分析鋼中的夾雜物。通過對30多個元素通道中火花強(qiáng)度的同時(shí)采集，可以快速推斷出材質(zhì)中夾雜物的組成成分，還可以獲得共存多元夾雜物的組成成分。

（4）元素分析精度的改善：Spark－DAT可以提高含量較低的元素（比如鋼中含量較低的C、N、O等元素）的分析精度。同時(shí)能夠有效地排除外部因素造成的異常信號，從而得到理想情況下的激發(fā)信號，提高了C、N、O等元素的分析精度。

Spark－DAT也可以用于很多不同的日常用途，如填補(bǔ)或者替代常規(guī)的夾雜物分析技術(shù)；替代關(guān)于夾雜物的相關(guān)性能或者特征的分析技術(shù)等。另一方面，Spark－DAT在精簡或者替代現(xiàn)有的夾雜物分析技術(shù)方面也蘊(yùn)含著巨大的潛能。

Spark－DAT在分析過程中能夠逐一獲得電火花信號，它不會像常規(guī)的獲取方式一樣將全部的單一火花的信號（單火花信號）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，而是通過采集每次火花激發(fā)出的光強(qiáng)度并單獨(dú)儲存下來，用于特別處理。Spark－DAT也并非采用傳統(tǒng)的峰值積分法（PIMS）計(jì)算方式，在將光電信號傳輸給計(jì)算機(jī)之前，火花數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)并不是單純地采用積分的方式，而是對所儲存下來的光強(qiáng)度信號進(jìn)行數(shù)字信號分析，從中提取最有用的信息。

Spark－DAT中元素的定量檢測和夾雜物分析均使用相同的儀器，與其他常規(guī)的夾雜物分析方法相比，極大地減少了各種成本消耗。元素的定量檢測和夾雜物的分析既能夠分開進(jìn)行，又能夠同步進(jìn)行。Spark－DAT的操作過程中也包含著若干階段，如惰性氣體（氬氣）沖洗、樣品預(yù)燃、樣品激發(fā)以及信號收集等。在這種情況下，Spark－DAT的信號收集工作可以優(yōu)先于元素測定的積分時(shí)間，在首個信號收集階段對單火花信號進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總。而用于光譜化學(xué)分析的光電信號則在積分時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，并不會使OES的分析時(shí)間增加。例如，使用火花源原子發(fā)射光譜儀，合金鋼中元素的定量檢測從開始激發(fā)試樣到分析數(shù)據(jù)顯示在計(jì)算機(jī)上，整個過程消耗的時(shí)間為20 s左右，而單一夾雜物的分析只需要5 s左右的時(shí)間，即使進(jìn)行同步分析，整個過程消耗的時(shí)間也會少于25 s。如果Spark－DAT中的數(shù)據(jù)匯總工作可以安排在定量檢測的預(yù)積分時(shí)間內(nèi)，那么元素的定量檢測和夾雜物的分析能夠在23～25 s內(nèi)逐步完成，而原來的普通OES分析方法所需要的時(shí)間則為30 s。由于進(jìn)行同步分析之外所消耗的時(shí)間對于很多鋼鐵企業(yè)來說，都在可接受的范圍內(nèi)，因此這些企業(yè)可以將Spark－DAT中夾雜物的分析項(xiàng)目增加到檢測流程中。

本文通過Spark－DAT法，利用ARL－4460火花源原子發(fā)射光譜儀的隨機(jī)校準(zhǔn)曲線，通過使用特定的標(biāo)準(zhǔn)樣品，以及優(yōu)化樣品制備手段等方式，分析鋼中的硼元素的成分含量，以及鋼中一些夾雜物的情況。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 分析方法

采用單火花分析法，即火花源發(fā)射光譜儀-脈沖差別分析法（OES－PDA）。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

環(huán)境條件：室內(nèi)溫度15~30℃，在同一個再校準(zhǔn)周期內(nèi)室內(nèi)溫度變化不超過±5℃，相對濕度小于80%。

2.3 儀器設(shè)備

分析設(shè)備：ARL-4460型直讀光譜儀；制樣設(shè)備：HV－V型全自動快速銑樣機(jī)。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)精密度

ARL-4460火花源原子發(fā)射光譜儀硼元素的精密度（重復(fù)性限和再現(xiàn)性限）計(jì)算公式為：重復(fù)性限r(nóng)＝0.069 0m＋0.00002，再現(xiàn)性限 R＝0.2729 m＋0.0004。

選擇一種光譜分析標(biāo)準(zhǔn)樣品，標(biāo)樣編號YSBS11268-2005，硼元素標(biāo)準(zhǔn)值（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.011%，通過公式計(jì)算出重復(fù)性限r(nóng)=0.000779；再現(xiàn)性限R=0.003402。

2.5 Spark－DAT測定硼元素

將編號為YSBS11268-2005的標(biāo)準(zhǔn)樣品，通過全自動快速銑樣機(jī)來進(jìn)行樣品制備，然后立即將制備好的樣品分別激發(fā)6次，記錄6次的激發(fā)值，再通過ARL－4460火花源原子發(fā)射光譜儀的OXSAS系統(tǒng)軟件計(jì)算出平均值（AVG）、標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）。分析數(shù)據(jù)以及計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 Spark－DAT法的分析數(shù)據(jù)

2.6 硼的酸溶分析

編號為YSBS11268-2005的標(biāo)準(zhǔn)樣品，通過對硼元素激發(fā)時(shí)獲取的火花強(qiáng)度分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，從而能夠用數(shù)學(xué)模式計(jì)算出酸溶硼（Bs）以及酸不溶硼（Bins）的含量，如表2所示。

表2 Spark－DAT法的酸溶情況分析數(shù)據(jù)

2.7 硼的單火花譜圖

編號為YSBS11268-2005的標(biāo)準(zhǔn)樣品，經(jīng)過Spark－DAT進(jìn)行單火花信號采集后的硼元素的譜圖，如圖1所示。

2.8 夾雜物分析

通常情況下，鋼中比較常見的夾雜物一般會有碳化物（碳化鋁、碳化鈦等）、氮化物（氮化鋁等）、氧化物（氧化錳、氧化鋁和氧化鈣等）、硼化物（硼化鈦等）、無機(jī)鹽（氯化鈉、氯化鎂、氯化鉀、氯化鈣等）、耐火材料（二氧化硅）、尖晶石（鋁酸鎂）、金屬間化合物（鉻－錳－鐵等）以及各種不同的化合物（磷化鎂、磷化鋁、硫化物、鋁化合物等）。它們基本都可以使用Spark－DAT法來進(jìn)行分析，采用專門的算法計(jì)算出峰（或者相關(guān)峰）的數(shù)目，就可以表示出各種夾雜物的存在。

圖1 硼的單火花譜圖

編號為YSBS11268-2005的標(biāo)準(zhǔn)樣品、夾雜物的強(qiáng)度峰個數(shù)的分析情況如表3所示。

3 結(jié)果與討論

（1）從表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，通過Spark－DAT法測定硼元素的結(jié)果，符合分析方法的精密度要求。

（2）從表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，使用Spark－DAT法檢測鋼中的酸溶硼（Bs）的結(jié)果比較令人滿意，基本能夠滿足生產(chǎn)過程中實(shí)驗(yàn)監(jiān)測的要求。Spark－DAT法并不是采用虛擬曲線，而是采用真實(shí)曲線統(tǒng)計(jì)出來的光強(qiáng)度值，從而計(jì)算出酸溶硼（Bs）。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，Spark－DAT法比其它的分析方法更加科學(xué)、準(zhǔn)確、可靠，在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢也更加明顯。

（3）從表3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，編號為YSBS11268-2005的標(biāo)準(zhǔn)樣品，對其中可能含有的夾雜物分析結(jié)論為：三氧化二鋁、氧化鈣、二氧化鈦、鋁酸鈣、硫化鈣。

（4）Spark－DAT法相當(dāng)于在OES法中添加了一個新的維度，可以使元素的定量檢測和夾雜物的分析同步進(jìn)行。與其它的夾雜物分析方法相比，Spark－DAT法能夠?qū)崿F(xiàn)夾雜物的快速檢測和有效分析，還可以對細(xì)化加工過程中的夾雜物進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控。較低的投資成本是Spark－DAT法的另一大優(yōu)勢，與很多需要專用儀器設(shè)備的分析方法相比，Spark－DAT法并不需要特殊的樣品制備手段和其它額外消耗，樣品的制備可以采用常規(guī)的OES法樣品制備條件，過程更簡單，成本消耗更低。

表3 元素的強(qiáng)度峰情況

（5）Spark－DAT法還能夠在單一儀器設(shè)備上更好地監(jiān)控一些對鋼種性質(zhì)和性能具有顯著影響的微量元素，例如碳、氮、磷、硫、鎳、鉻、銅、鉬、釩、鈮、鎢、砷、錫、鈷、鉛、銻、鉍、硒，以及某些情況下的氧。這一優(yōu)勢能夠?qū)崿F(xiàn)分析投入和消耗成本的顯著降低，同時(shí)能夠讓生產(chǎn)工藝流程具備更短的響應(yīng)時(shí)間、更少的生產(chǎn)能量消耗。

（6）除了對鋼中鋁、硼等元素的可溶（或不可溶）部分進(jìn)行含量測定，以及對部分夾雜物進(jìn)行分析之外，Spark－DAT還有很多其他的應(yīng)用方式。比如可以取代一些比較耗時(shí)或者分析成本較高的方法來測定某些鋼種的特性或性質(zhì)；可以很快地篩選出金屬成品中的夾雜物，方便質(zhì)量監(jiān)控信息的及時(shí)反饋；可以評定一些定義為過程標(biāo)記的夾雜物，即監(jiān)測生產(chǎn)工藝流程中的一些關(guān)鍵夾雜物等。