韩宗才 刘惠民
西宁特钢集团公司 810005
碳元素的控制在炼钢过程中是致关重要的，俗有炼钢炼碳之说。准确测定碳元素含量是炼钢的关键，也是对分析工作者的挑战。钢的组织结构对光谱分析碳元素时的影响很早就引起了分析工作者的关注。近年来，虽然光电直读光谱仪的性能大大提高，光谱设计者在提高光源能量，光源的稳定性等方面做了大量的工作，力争消除这种影响，但是钢的化学组成相同但结构不同的钢样用光电直读光谱分析得到不一致的结果的现象仍然存在。就碳元素而言，同一试样由于热处理不同而由此引起光谱分析时化学成份的不一致突出表现在高碳钢上。过去一段时间研究人员对碳化物，硫化物和氢化物等非金属夹杂物存在的影响研究的较多，这些研究很大程度上依靠了一些物理测试手段，如电镜，金相，衍射仪，电子探针等。但也没有形成系统的理论，以提供依据来在光电光谱分析时加以克服这种影响，而且一些物理测试的结论在成分分析中加以应用时可操作性太差，在实际工作中意义不大。反而直接在光谱仪上通过实验总结，得出一定的经验规律，来加以消除这种影响带来的偏差具有很强的可操作性。
本文重点对G20CrNi2Mo和GCr15两个钢种进行了组织机构不同的测试对比，验证了这种现象的存在及在光谱分析时如何去减弱消除这种现象带来的偏差进行了讨论。
一 现象的验证
对低碳钢G20CrNi2Mo和高碳钢GCr15两个钢种采取淬火和缓冷过程，然后进行发射光谱分析，通过下图的预燃时间和嚗光强度可以得出不同组织结构对光谱强度的影响。
注释：纵坐标为强度、横坐标为时间 ---- 缓冷 — 淬火
从图中可以观察到，对于低碳钢G20CrNi2Mo钢二种热处理过程在激发到一定的时间后无明显的差别。而对于高碳钢GCr15，缓冷试样和淬火试样有明显区别，反映出高碳钢的两个热处理过程化学成分偏差严重的客观事实。如果考虑适当的预燃时间和嚗光时间，想在光谱参数的设定上去完全消除这种现象不现实、也不可能。
二 如何减弱或消除组织结构对发射光谱分析碳的影响
减弱或消除这种现象主要有两个渠道。首先，尽量达到组织结构的一致。因为光谱分析是个相对分析，相同的组织结构的钢种在光谱分析时体现为良好的精密度，因此组织结构相同就抵消了来自各种物理量引起的偏差，这是考核光谱仪的最主要指标。但分析工作的最终要求是获得较好的准确度，在精度好的基础上，通过相同组织结构的控制样品来进行校正分析才能保证准确度，在实际操作中组织结构完全相同是理想化的，不可能实现的。只有该控制样品和分析样品的组织结构尽量一致，越接近越好。但在生产实际中对这个一致性的要求又存在着矛盾，因为控制样品一般都是由专门的研制单位通过一定的加工工艺生产出来的，为了确保元素的均匀性，一般都是轧制或锻制状态，热处理过程也与冶炼过程中试样的急冷（淬火）状态大相径庭，这种影响就是偏差的主要来源。以下试验说明了这一点。
1 试验仪器及条件：用SPECTROLAB M9光谱仪（德国斯派克公司）色散率3600g/mm 光栅罗兰园焦距750mm 激发光源S3000数字化光源 氩气纯度≧99.995% 动态流量300L/min 静态流量20L/min 对电极为钨
棒90度顶角 分析间隙3.4mm 光源参数见表1
表1
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Condition
Name
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Flush
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Spark16
|
PreSpark2
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Spark1
|
Spark2
|
Spark3
|
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Curve Para
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--
|
16
|
26
|
20
|
13
|
28
|
|
Frequency
|
--
|
200
|
400
|
200
|
600
|
300
|
|
Measure Time
|
2.0
|
2.0
|
6.0
|
2.0
|
3.0
|
3.0
|
分析谱线波长C 193.092nm 参比线波长Fe 178.287nm
2 试验方法：仪器通电、通氩30分钟，待仪器稳定后对仪器进行标准化，标准化标样用德国进口标样00-RN12、03-RN14作为高低标，碳的标准化系数f=1.01,曲线截距Offset=272按国标GB4336-2002的标准制样方法制取合格样品进行分析，试样上机后18秒钟出结果。
3 试验结果：对于我厂一炼车间低碳钢G20CrNi2MoA和GCr15两个钢种的同一试样中的碳元素进行了测定，得出以下几组数据见表2-5
表2 G20CrNi2MoA不控样（不拿标样校正）分析
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试样
|
碳测定值（%）
|
平均值（%）
|
S
|
RSD（%）
|
|
G20CrNi2MoA
淬火
|
0.127 0.130 0.126 0.126 0.127
0.127 0.129 0.124 0.128 0.130
|
0.127
|
0.0019
|
1.48
|
|
G20CrNi2MoA
空冷
|
0.127 0.130 0.126 0.127 0.126
0.129 0.127 0.126 0.130 0.130
|
0.129
|
0.0017
|
1.37
|
表3 G20CrNi2MoA控样（标样校正）分析
|
试样
|
碳测定值（%）
|
平均值（%）
|
S
|
RSD（%）
|
LECO
|
|
G20CrNi2MoA
淬火
|
0.130 0.126 0.126 0.127 0.127 0.127 0.129 0.130 0.130 0.134
|
0.129
|
0.0025
|
1.94
|
0.128
|
|
G20CrNi2MoA
空冷
|
0.130 0.126 0.127 0.127 0.129 0.130 0.130 0.127 0.134 0.129
|
0.129
|
0.0023
|
1.81
|
0.128
|
表4 GCr15不控样分析
|
试样
|
碳测定值（%）
|
平均值（%）
|
S
|
RSD（%）
|
|
GC15
淬火
|
1.02 1.03 1.03 1.03 1.02
1.03 1.03 1.03 1.03 1.02
|
1.027
|
0.0048
|
0.47
|
|
GC15
空冷
|
1.04 1.04 1.04 1.03 1.04
1.03 1.04 1.04 1.04 1.04
|
1.038
|
0.0042
|
0.41
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表5 GCr15控样分析
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试样
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碳测定值（%）
|
平均值（%）
|
S
|
RSD（%）
|
LECO
|
|
GCr15
淬火
|
1.02 1.03 1.03 1.02 1.02
1.02 1.03 1.03 1.02 1.02
|
1.024
|
0.0052
|
0.50
|
1.03
|
|
GCr15
空冷
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1.04 1.03 1.03 1.04 1.04
1.04 1.025 1.025 1.03 1.03
|
1.033
|
0.0062
|
0.61
|
1.03
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从表2、表3可以看出对于低碳钢由于组织结构不同而带来的分析结果不同的因素是很小的，可以忽略。表3给出的控样分析结果的校正标样也是空冷后自做的三级标样，用淬火后再进行化学及红外碳硫分析仪定值的标样进行校正所得的结论也是这样—基本不受组织影响，最终结果与红外碳硫仪分析结果吻合。从表4、表5可以看出不做控样分析，就同一试样其在直读光谱分析时重现性还是很理想的，但淬火和空冷的试样分析结果有明显差别。进行控样分析后，其结果自然就有了差异。表5中测得的数据是由国家标样来进行控样分析的结果，空冷后的试样更接近
LECO红外碳硫分析仪的结果，淬火后的结果出现了偏差。后经验证，用急冷样自制企业三级标样来进行控样分析该偏差消除。
三 最终结论：用直读光谱进行过程控制分析时，在一定的光源条件下，对于低碳钢的碳元素分析可以不考虑组织结构不同而带来的影响，试样的缓冷和急冷都可以得出准确的结果。但对于高碳钢在急冷组织下的试样，同时也用急冷组织的试样自制企业的三级标样来用于校正过程控制分析效果更佳。
参考文献
1 《光谱实验室》第3卷 第3辑：78
2 《理化检验》化学分册 第25卷 第1期：60
3 SPECTROLAB M9仪器说明书
4 GB/T4336-2002 碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法（常规法）