钢铁中高级夹杂物分析检测方案(光电直读光谱)

Part of Thermo Fisher Scientific免费服务热线：800810 5118 4006505118 使用Thermo Scientific ARL iSpark金属分析仪快速分析钢铁中的显微夹杂物——高级夹杂物分析 瑞士Ecublens赛默飞世尔科技Jean-Marc Bohlen博士 关键词 ARL iSpark、钢铁中的显微夹杂物、过程控制、定量尺寸分布、钢清洁度、总含氧量 宗旨对钢中的显微夹杂物进行超快速分析，包括定量确定 引言 光电直射光谱分析(OES)是一种快速、易于使用的高性价比分析技术，适合各种应用场合下的固态钢铁样品的元素分析，从生产到回收，从铸造厂到服务实验室。ThermoScientificM ARL iSparkM系列金属分析仪是一种高性能OES光谱仪平台，拥有最高的精密度和准确度，适用于从微量一直到合金元素水平的钢铁分析。 Spark-DAT(火花数据采集和处理)方法大大拓展了光谱仪的能力，并不只是光谱化学分析，还可进行超快速夹杂物分析。在钢铁工业，这些方法越来越受到人们的青睐，特别是因为这些方法能够在钢铁生产过程中提供有关夹杂物的信息。 Spark-DAT分析原理及其基本应用如应用报告AN41243，标准夹杂物分析，所述。高级夹杂物分析包括标准夹杂物分析以及这里所述的高级应用，其能力进一步拓展，能够对夹杂物的尺寸或尺寸分布进行定量确定，以及对镇静钢中浓度低于30ppm的含氧量进行定量分析。 益处 一台ARL iSpark 金属分析仪，配合可选 Spark-DAT方法，能够完成夹杂物分析和元素成分分析，从而大大降低了投资成本。样品制备、维护和服务与标准 ARL iSpark 光谱仪相同，从而确保实现最低的运行成本和时间。 元素浓度和夹杂物组合分析的速度极快，能够用于每小时一般30个样品的生产控制(参见AN41243)。除了标准夹杂物分析的一般益处之外，高级 Spark-DAT 应用还有其他益处： ● 定量夹杂物尺寸和尺寸分布确定，提供非常完整的夹杂物信息，特别是在钢铁生产期间。 镇静钢中浓度只有 30ppm 或者更低的定量含氧量分析，不需要进行昂贵的燃烧分析。 分析时间 对于单次测量，Spark-DAT分析本身一般需要耗时7秒(包括氩气冲洗的2秒)。这种模式仅推荐用于夹杂物类型的快速计数和证实，以及获得原始数据进行离线解释。然而，当与浓度分析配合时， Spark-DAT分析提供了更多的可能性。此时，在开始分析与显示结果之间的平均分析时间如下： 应用 型号 时间[秒] 低合金钢(不含N、O) ARL iSpark 8880 20 ARL iSpark 8860 16 低合金钢(含N、O) ARL iSpark 8880 25 ARLiSpark 8860 21 这些分析时间(与标准元素分析相同)，使得在许多场合下进行夹杂物分析成为可能，特别是在分析时间极端重要的钢铁生产期间。 样品制备 钢样品的表面处理越来越多地采用铣削，因为这种加工方法能够确保表面清洁、不受污染，所以是夹杂物分析的理想选择。为确保高级 Spark-DAT 应用获得精确的定量结果，需要采用铣削 定量应用算法 QulC 算法确定由于某种夹杂物而产生的元素的不可溶部分(例如，Al2O3夹杂物的Al 不可溶部分)，分为多种峰值等级，从而我们能够计算对应尺寸等级的平均夹杂物ESD(等效球直径)。 定性尺寸与尺寸分布 知道夹杂物的尺寸，或者最好知道夹杂物的尺寸分布，是非常重要的，因为在正常情况下，大尺寸夹杂物对于金属的质量极其有害。可以使用 Peaks 和 Composition 这两种算法，来计算不同强度等级的信号的数目(参见AN41243)。 这些算法能够生成定性尺寸分布图，对给定等级的不同样品进行夹杂物分布比较。Spark-DAT 算法 QulC(夹杂物含量的量化)能够对夹杂物尺寸和尺寸分布进行定量分析。 在传统上，夹杂物尺寸和尺寸分布采用光学显微术和电子扫描显微术 (SEM/EDX) 进行测量。然而，这些方法非常耗时，即使配置很好的实验室，一般每次分析也需要2-4小时(对于SEM/EDX， 样品制备0.5-1小时，分析和结果解释2-3小时)。 下图所示是一张尺寸分布图的实例，基于 QulC 算法以及数种生产样品的尺寸计算方法。 低浓度氧的定量分析 目前， OES 进行的标准常规总含氧量测定在低于 60ppm时为半定量，并且极难低于 30ppm。因此，在钢铁工业，极低浓度的含氧量通常采用专用燃烧分析仪来确定。在通常使用脱氧剂(AI、FeSi、FeMn 等)进行处理的镇静钢中，大多数氧均为不可溶氧的形式，更加准确地说，是以氧化物夹杂物的形式。 采用 Spark-DAT 算法QulC的高级夹杂物分析能够根据氧化物夹杂物信息(组成和浓度)，直接计算总氧浓度。 这种定量方法通过 OES测定甚至大大低于30ppm 的氧浓度，如下图所示，并与采用燃烧分析仪获得的结果进行了比较，低合金钢样品从连续铸模中取出(样品和燃烧结果获得 R. Dumarey 和 F. Medina 的许可， ArcelorMittal，Gent)。 下图将通过测量若干个 CRM 获得的总氧浓度，与认证值进行了比较。 Spark-DAT 方法能够定量测定的夹杂物 利用 ARL iSpark 光谱仪和 Spark-DAT 方法，可以直接或间接地观察钢中的各种内源和外源夹杂物，例如氧化物(Al2O3、MgO、CaO、MnO、TiO2、SiO3)、尖晶石(Al2O3-CaO、Al2O3-MgO)、硫化物(CaS、MnS、AIS)等。 夹杂物的探测主要受到所用分析线的灵敏度、夹杂物的尺寸，以及夹杂物中可溶于基体的元素浓度的限制：分析线的灵敏度越高，可溶成分越少，则能够确定的夹杂物越小。例如，在Al浓度为50ppm的钢中，能够探测的最小Al2O3夹杂物的直径约为1微米，而浓度为0.2%时，则约为4.5微米。 虽然 Spark-DAT 方法能够探测相对较大的显微夹杂物，然而由于火花放电条件的限制，夹杂物数目或尺寸的定量测定是比较困难的。在实践中，这里讨论的量化方法能够很好地用于直径低于20微米的显微夹杂物。 算法 QulC 的其他应用场合 根据算法QulC的结果，可以对其他一些重要的分析参数进行计算，例如： 表面积分率，即给定类型的夹杂物所占据的表面 ( 特定类型夹杂物中某种元素的不可溶浓度(或或部) ) 某种夹杂物类型的浓度 下面所示的 OXSAS 屏幕显示了部分分析结果，包括元素测定(总或可溶浓度)和夹杂物相关信息(峰值计数、夹杂物数目和尺寸—―关于夹杂物尺寸等级“小”“中”和“大”——总含氧量测定)。 OKSAS SQA-Thermo FisherSdentnc-CH-[Qurreitabive Analys 0.00.00031 untr 0.0000278 Units AVG99.58 SD 3 99.58000242 ￥2 99.580002380.18719 团199.59 0.00242 0.18782 0.03784 018742003774 0.03791 0003350002660.0003100.000159 0.03837002264 0.037840.022630.021380.00125 0.022180.02109 0.000350.00032 0.001090.000330.00031 000001 0.00002 78 EM Ewm 5.7 0.271 5.77 6.00 546 4.23 0.279 6.617.52 3.94 3.25 0.245 3.51 0.00063B3 3.020.00067 3.23 0.00066 % 结论 ARL iSpark 8860 和 ARL iSpark 8880 金属分析仪提供的可选 Spark-DAT 方法提高了仪器的通用性。从常规使用到研发， Spark-DAT 方法均可为钢铁工业的夹杂物分析提供快速、简单、高性价比的解决方案。在目前钢铁工业可用的所有夹杂物分析方法中， Spark-DAT 方法是最快的。 标准夹杂物分析 Spark-DAT 方法实现了超快速在线定性夹杂物分析，即夹杂物计数和确定类型。 ( 高级夹杂物分析 Spark-DAT 方法实现了定量夹杂物分析，例如确定尺寸、总含氧量和其他参数，时间范围从数秒钟 一 直到几分钟。因此，对于在生产期间控制夹杂物和钢材 清洁度非常有效。与标准 OES 仪器相比，仪器维护和耗材 相同。这意味着与其他要求使用专用仪器的夹杂物分析技术相比，运行成本大大降低。 ) 另外，一台OES 仪器即可获得元素分析信息和夹杂物含量，从而大大降低了投资成本。 致谢 ( 我们感谢 SSAB (Oxlosund) 的 Rolf Didriksso n 关于高级 Spark-DAT 应用的讨论。 ) 我们感谢 ArcelorMittal (Gent) 的 Ronny Dumarey 和 FrankMedina 为编写本文档提供的宝贵帮助和讨论，以及允许发布使用他们的样品所得到的结果。 最后，我们感谢 TiFast(San Liberato)的 Giampietro Tortoreto、ThyssenKrupp AcciaiSpecialili(Terni )的DomenicoSciaboletta、CRM (Liège) 的 Victor Tusset，以及宝钢(上海)的 Zhang Yi， 所提供的鼓励。 www.thermoscientific.com 2013 赛默飞世尔科技版权所有。ISO 是国际标准化组织的商标。所有其他商标均为赛默飞世尔科技及其分公司所有。规格、条款和定价或按情况改变。不是所有国家都能购买到所有产品。详情请垂询您当地的销售代表。 Thermo Fisher ScientificEcublens SARL，瑞士通过 ISO 9001 认证