SparK-DAT选项在线单火花分析

Part of Thermo Fisher Scientific Spark-DAT选项在线单火花分析 ARL4460 金属分析仪 前言 ● 您想测定钢中 Al， B 或其他元素的酸溶/酸不溶部分吗? ● 您需要一种能够快速计算钢铁产品的洁净度的方法吗? ● 您需要非常快速地计算夹杂物的个数吗? ● 您需要快速获取夹杂物的尺寸和成分吗? ● 您想解决沾污问题并改善您的元素分析吗? 如果您想用直读光谱仪在数分钟内实现上述或者更多的目标，赛默飞世尔科技公司生产的 ARL4460直读光谱仪可配备的 Spark-DAT(火花数据采集与处理)选购项可助您实现这一愿望。 直读光谱是一种广为人们知晓和接受的快速、简单、成熟的技术，它主要用来测定金属中化学成分的含量。过去，样品受激发发出的数千个光脉冲在整个 激发期间被积分，随后将这个积分信号转换成含量。 基于不同采集和处理原理，应用 Spark-DAT 将各个“单火花”对应的脉冲光强分别采集，而不是进行积分。每个单火花击中样品一个很微小的区域，每个光脉冲都包含了这个微小区域的材料成分信息，可供监控微观层面的成分变化，为直读光谱提供新的信息资源，例如，非金属夹杂物的状况。 效果 有时候直读光谱元素分析还需要一些其他的费用高、耗时长的方法配合，从而使整个分析过程变得复杂化，例如，洁净度或夹杂物指数，通常还要用光学显微镜或扫描电子显微镜来测定，样品制备时间长，不太适合于过程控制。 实际上，仅用单台直读光谱仪就可以进行元素分析并获得夹杂物含量的信息，进而大幅度降低仪器的投资和运行费用，简化分析步骤，缩短分析流程，使之能够适用于现场过程控制。 1999年 Spark-DAT 作为一种离线工具提出以后，大家就很快认识到在线版的Spark-DAT 才能发挥其真正的优势，于是在2000年，采集电路和处理算法集成到了仪器和软件之中。自此，OXSAS软件处理 Spark-DAT 结果就如同处理常规的直读光谱结果： 可储存、打印结果并将结果与产品标准进行比较，通过网络将结果传输到过程控制计算机。按这种方式，只需要进行。次分析便可得到所有的常规浓度分析结果并从 Spark-DAT 知晓夹杂物或酸溶/酸不溶物的分布。 Spark-DAT 的分析强烈依赖于激发条件， CCS(电流控制光源)可提供最佳的火花放电波形另外， TRS (时间分辨光谱)技术，可在最少的时间段提取信号。 Spark-DAT、CCS、TRS三项技术的完美结合使 ARL 4460 成为适应面宽、开发潜力大的分析仪器。 Spark-DAT 的原理 如上所述， Spark-DAT 强度代表了火花所击中样品区域的样品构成。当某元素在这一区域富集，则测量的强度会大大高于平均值。典型的例子就是火花击中低合金钢样含铝夹杂物(例如 AlO3)时，因为夹杂物颗粒中铝的浓度较基体中的铝浓度要高出好多倍，所以，铝的光强也高很多，相应地在铝通道的时序图中出现一个高峰。 下图的“火花图”或“脉冲图”与光谱很类似，反映的是铝强度与火花放电次数的关系。 上图中，背景信号与固溶在基体中的铝合金成正比，高峰表明金属被烧蚀的位置存在一个或多个含铝夹杂物。高峰的个数与这种夹杂物的个数有关，而峰的高度与铝夹杂物的尺寸和浓度相关。假如这些峰很容易被肉眼识别，就需要尽快用基于统计原理的专门算法来评价这些所记录的信息，有些算法已经非常普及，可用来计数夹杂物峰的个数或同时有二、三至四个元素通道出现高脉冲的个数。 这些简单的数字可提供一个解决方案以取代前面所说的那些补充方法，臂如说，洁净度指数的测量，实际上，取代那些由夹杂物存在状态决定钢材特性或性质所进行的分析，其潜能是巨大的，例如，如果能用 Spark-DAT监控那些影响某种钢材疲劳特性的夹杂物，那么就可用快速、经济的 Spark-DAT 来取代耗时、耗资的疲劳试验，其他例子也包含在本应用报告当中。 Spark-DAT 的集成 Spark-DAT 由硬件、软件和算法三大部分组成，Spark-DAT 的数据采集和处理系统与常规信号采集和积分过程是并行运行的。 Spark-DAT 一般采集2000个彼此独立的强度值，相当于常规同时32个通道积分，因此，32×2000的矩阵(64k)值可供快速计算法进行在线处理，处理速度之快令客户感觉不到处理过程。 随后，将计算值提供给分析软件。软件处理这些数据就如同处理常规通道数据一样，可以再任何分析程序计算，可以关联任何分析条件，可以集成在校准曲线计算。标准样品可用来校准Spark-DAT 通道，作为漂移校正样品。这样，次分析就能同时获得常规分析的所有元素含量以及 Spark-DAT 的夹杂物信息或酸溶/酸不溶物分布，耗时不超过 30秒。 就在 Spark-DAT 还处在研究和讨论夹杂物分析的时候，一种关于铝和硼的酸溶/酸不溶物浓度的分析技术就已经很受欢迎而且应用很普遍，这便是称为 P1M2 的分析方法。但是， P1M2只在一些情况下才足够准确，灵敏度也不是很高。在需要准确度更高的时候，还得使用原子吸收等替代法。 如上所述，Spark-DAT 能够识别不固溶于基体的夹杂铝信号。因此，可以计算出酸溶与酸不溶铝的比例，还可以用另一种方式显示 Spark-DAT采集结果，见下面的“强度分布”图，这是一个低合金钢样品的例子，非对称的图形是因为存在不溶铝的缘故。酸溶铝部分呈正态分布为图中高斯曲线所包络的部分，高斯曲线外部的强度即分布右边的那一部分是由夹杂物强度作出的贡献，相应于酸不溶部分。 下图分别是 P1M2 和 Spark-DAT 法与原子吸收法的结果比较。采用 Spark-DAT 法的估计标准偏差(SEE)大幅度下降，从 58ppm 降至 20ppm，说明带有 Spark-DAT 的直读光谱分析酸溶铝非常准确，即使在极低的浓度也是如此。 Spark-DAT 法还有很大的开发其他方法的潜力。例如，钢中的酸溶钛或铜中的铅，欲得到更详细的信息请与当地赛默飞世尔科技公司联系。 Spark-DAT 最简单的应用是对峰强度进行计数，以计算样品中指定元素的夹杂物数量，提供了一种非常快速的评价样品洁净度的方法。 还有一种识别夹杂物的办法，即通过比较不同通道的高峰之间的相关性，例如，铝和氧的通道同时出现高脉冲，便可知道夹杂物为 Al203.这种相关性的元素还可能在两个以上，例如，铝、钙和氧之间的关系。 下图显示的是低合金钢样品中，铝和钙同时出现高峰的记录。 对于这种情况，代表铝的高峰对应于 Al2Os夹杂物，钙峰对应于 CaO 夹杂物。但是，如果铝和钙通道同时都出现高脉冲，则可认定是Al2O3-CaO 夹杂物。 通过比较通道组内 (Spark-DAT 的算法最多可计算4个元素)的相关性，还能测定钢中很多其他类型的夹杂物，例如，氧化物(TiO2、MgO...)，硫化物(CaS、MnS，...)，氮化物(TiN，AlN，...)，碳化物(TiC，...)，硅酸盐，尖晶石等等。 此方法不仅限于钢铁应用，夹杂物普遍存在于所有金属和合金之中，许多用于钢的检测原理也适合于其他金属检测，例如，在铝金属中，可以头 Spark-DAT 观察到氧化物(MgO，Al203，...)，盐(MgCl， NaCl，...)，部分耐火材料，氮化物(AlN，BN) 和其他化合物。下图展示了铝合金中存在的 TiBz夹杂物，钛和硼通道的高峰当中有一些是相关的。 钢的洁净度 洁净度一般通过统计夹杂物的尺寸和性质而得出，有很多方法可用于洁净度的测量。 Spark-DAT 是一种测量金属洁净度的简便方法。通过对关注通道(铝，钙，镁等)的强度记录中高脉冲进行统计，计算出高脉冲出现的个数。在多数情况下，高脉冲的量与夹杂物的个数具有很好的相关性，因此，也与常规法得到的洁净度高度相关。 下面的火花图中显示了铝镇静钢在不同生产阶 段铝(蓝色)和钙(红色)的变化情况，值得注意的是铝图说明了 Spark-DAT 是如何得到洁净度的。 在上述4个样品中，用一种算法来计数高脉冲，甄别水平设为4000，样品A 是在未作任何处理的阶段取的样，计数的高脉冲为4个，样品B是经过第一次处理后取的样，测出的铝高脉冲有30个。处理时将金属铝加到钢液中是为了除去溶解在钢中的氧，加入的铝会形成氧化铝颗粒，不出所料，处理过的B样中夹杂物比未经处理的A样要多，这些夹杂物随后会上浮到钢渣中。样品C是在对钢水进行第二次处理后取的样，观察到2个铝高脉冲，少于经第-次处理后样品中的高脉冲数，这是因为经第一次处理后的钢液中溶解的氧已经减少，大多数铝夹杂物已经上浮到钢渣里，故在成品样Ｄ中没有发现高脉冲，该样品不仅在4个样品中氧含量最低而且洁净度最高、铝夹杂物最少，颗粒也最小。 Spark-DAT 测定氧 由于受到各种各样的沾污，测量钢中低含量的氧并不容易，因为钢中的氧绝大部分都以氧化物的形式存在，所以样品中氧的含量与氧化夹杂物(氧化铝、氧化钙、氧化镁等)的量是相关的，下图显示组轴承钢样品用燃烧法分析得到的氧与 Spark-DAT 得到的夹杂物计数之间非常好的 相关性。 8次测量结果标准偏差提供了非常有价值的信息，反映了钢中夹杂物族的同质性。样品一定要经过数次分析，这样才能使结果在统计上代表所测量的区域。 Spark-DAT 简化了检测并能识别沾污，第一例子就是钢中碳、氮、氧的测定，分析中使结果产生偏差的原因有： 制样过程中样品表面受到污染。 样品制备完毕后，从制样设备至分析仪器的运送过程中吸收氧和碳。 分析残留物以及泄露等外来污染。 偏析、气泡、夹杂物等内部缺陷。 另一个例子是铝合金样品中钙道测量值的变化，在刚刚铣完样品后，测量到的 Spark-DAT 图只有几个高脉冲，如果样品在空气中放置一天，高脉冲个数与平均强度的水平都在增加。 铝基体中的钙，刚刚铣过 铝基体中的钙，一天以后 结论 Spark-DAT 选购项使 ARL 4460 功能进一步扩大，为常规成分分析快速地提供更多附加信息，例如： 1元素的酸溶部分，例如，低合金钢中的酸溶铝和酸溶硼。 金属的夹杂物个数和洁净度。 通过比较数个通道脉冲的相关性来识别夹杂物或者了解夹杂物的成分。 样品均匀性和夹杂物分布的信息。 此外，为快速、简便方法替代费时、复杂的分析或试验提供了许多机会。 Spark-DAT 进行离线研究 Spark-DAT 强度可以用标准或逗点分割文本文件的形式存储起来，这些文件可用于离线夹杂物研究。例如，研究和开发新的方法和算法，它们可以用作第三方程序的输入或用于 ARL Sparks， 这是一种显示火花图和强度分布的非常有用的工具，也能用来寻找通道间脉冲的相关性。 新算法 用户在离线研发的基础上建立新的算法，并在用户的仪器上用于在线测量。 用户还需要本公司研发的新算法吗? Spark-DAT 的开放式结构不需软件升级就可以安装新的算法。如果用户开发出一种新的算法，本公司可以帮助用户实现这一算法，并将其安装在用户的仪器上(如果需要专门适用)。同时，本公司也将持续开发与客户 Spark-DAT 软件兼容的新算法。欲了解更详细的信息请与当地的赛默飞世尔科技公司联系。 AR L4460 的升级 截至2000年秋，所有的 ARL 4460 光谱仪都配置了与 Spark-DAT 兼容的电子线路，可以直接升级硬件，而此之前的 ARL 4460通常要升级电子线路，而且还要增加额外的连接线，另外还要考虑对仪器光学系统升级。欲了解更详细的信息请与当地的赛默飞世尔科技公司联系。 硬件及技术规格： Spark-DAT 的容量为32个采集通道 每个通道都有采集电子线路 用于通道采集的 PIC 模拟-数字转换板(ADC) 安装在OXSAS计算机中 电缆套件与连接箱 在最新的OXSAS操作软件下运行 离线数据计算的文件输出与 TXT 和 CSV(逗点分隔值)格式兼容，这两种格式可被多种数据处理软件所识别