在线检测钢中夹杂物个数和含量的光谱分析方法

摘要

本发明提供了一种在线检测钢中夹杂物个数和含量的光谱分析方法。在惰性气体环境中，在金属试样和对电极之间进行预放电和正式火花放电，对金属元素和氧元素进行发光分光分析，研究确定金属元素夹杂强度临界值和夹杂监测元素氧强度的临界值，找出同时高于各自强度临界值的金属元素的异常脉冲，确定夹杂物个数。通过数据处理并和预先设定的夹杂强度和含量的校正曲线进行比较确定分析试样的夹杂物含量。利用本发明的方法可以在分析元素含量的同时快速分析试样中夹杂物含量，在精炼工序取样检测夹杂物个数和含量，根据检测结果控制精炼工艺，从而显著减少因夹杂物造成的废品量，显著提高钢的质量。本发明的方法适用于分析钢中Al2O3、SiO2、MnO、CaO、MnS等夹杂物个数和含量。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料检测技术领域，特别是一种在线检测钢中夹杂物个数和含量的光谱分析方法。

背景技术

检测钢中夹杂物个数和含量是测定钢内在质量的重要组成部分。目前使用的常规检测方法主要采用化学分析法检测含量，金相法检测夹杂物个数。这些方法速度太慢，从制样到出分析结果需要5-7天，不能及时检测到炼钢各工序夹杂物含量的信息，对改进炼钢工艺没有任何好处，无法满足控制产品质量的要求。如果成品钢中Al₂O₃类夹杂含量过大，就会使钢材性能波动大，钢质性能不均匀，容易造成废品率高。因此优质钢种要求在冶炼过程中在线检测钢中的夹杂物含量，以便将其控制在允许值范围内。为此，冶金工作者努力开发钢中夹杂在线检测技术。

日本专利发表号09-061356“发光光谱分析法”公开了日本川崎公司的一种光谱分析夹杂物含量的方法。该方法将全铝Al_t分解为氮化铝中的铝Al(AlN)、固溶铝Al(sol)和氧化铝夹杂中的铝Al(Al₂O₃)，即Al_t＝Al(sol)+Al(AlN)+Al(Al₂O₃)，要识别那些谱线是由Al(Al₂O₃)、Al(AlN)引起的的，需要确定铝、氧、氮的临界值，这是最关键的。首先确定氮的临界值后，对临界值以上的氮强度进行计算，并用预先设定的校正曲线换算成氮含量，再将氮换算成AlN中的Al；然后用预先设定的校正曲线求出全铝Al_t和固溶铝Al(sol)含量，再根据上述化学公式计算Al(Al₂O₃)，再换算成Al₂O₃含量。在所公开的方法中，氧、氮、固溶铝临界值的确定方法没有说明，分析条件设定时不进行预放电。

发明内容

本发明的目的是提供一种火花放电式发光分光分析方法，在分析元素含量的同时能准确地分析分散存在于金属试样中的夹杂物个数和含量的光谱分析方法。

本发明的另一个目的是提供一种用于测定夹杂物个数和含量的金属元素夹杂强度和夹杂监测元素氧强度临界值的确定方法。

按照本发明的在线检测钢中夹杂物个数和含量的光谱分析方法，由下列步骤所组成：

1)在惰性气体环境中，在钢试样和对电极之间进行预放电和正式火花放电；

2)将每次火花放电发光进行金属元素和夹杂监测元素氧的发光分光分析，得出金属元素强度脉冲图、氧强度脉冲图及各自强度频数分布图，确定金属元素夹杂强度临界值和夹杂监测元素氧强度临界值；

3)分析所述的两个强度脉冲图，找出金属元素和氧元素强度脉冲同时高于各自的强度临界值的金属元素的异常脉冲，即确定出一个大于1μm的氧化物夹杂，通过数据处理计算出试样中夹杂物个数；

4)将确定的氧化物夹杂个数对应的金属元素脉冲强度值分成该金属元素的固溶体强度和夹杂物强度，即临界值以上的强度为夹杂物强度，临界值以下的强度为固溶体强度。每个试样进行多于4次火花放电，将氧化物夹杂部分的强度值进行编程计算，确定氧化物夹杂的强度值，用已知该氧化物夹杂含量的标准试样求出的夹杂物强度值和化学分析该氧化物夹杂含量之间关系，即以强度与含量的校正曲线为基础，确定分析的钢样中该金属元素引起的的氧化物夹杂含量。

按照本发明的在线检测钢中夹杂物个数和含量的光谱分析方法，所述的预放电要进行200-700个脉冲，所述的正式火花放电要进行1500-2000个脉冲；

按照本发明的在线检测钢中夹杂物个数和含量的光谱分析方法，确定金属元素夹杂强度临界值的方法是：绘制该金属元素强度频数分布图，在该分布图中，强度I_m±kσ为金属元素夹杂强度临界值I_k，其中I_m为最大频数时的强度，k＝1.5，σ为金属元素强度均方差；

按照本发明的在线检测钢中夹杂物个数和含量的光谱分析方法，所述的确定夹杂监测元素氧强度临界值的方法是：绘制氧元素强度频数分布图，在该分布图中，强度I_o±k_oσ为夹杂监测元素氧强度临界值I_N，其中I_o为最大频数时的强度，k＝1.5，σ为氧强度均方差。

按照本发明的线检测钢中夹杂物个数和含量的方法，具体实施过程由下列步骤所组成(以分析Al₂O₃夹杂为例)：

1)在发光台(2)内的惰性气体环境中，在钢试样和对电极之间进行200-700个脉冲的预放电，再进行1500-2000个脉冲的正式火花放电；

2)将每次火花放电的发光在分光装置(1)中进行分光得到各元素的光谱线，在演算装置(5)中得出金属元素铝的脉冲强度图、氧脉冲强度图及各自强度频数分布图，确定铝夹杂强度临界值和夹杂监测元素氧强度临界值；

3)在铝强度脉冲图和氧强度脉冲图中找出铝强度和氧强度同时高于各自的夹杂强度临界值的铝异常脉冲，即确定出一个大于1μm的Al₂O₃夹杂，通过数据处理计算出Al₂O₃夹杂个数，由装置(4)输出分析结果；

4)将确定的Al₂O₃夹杂个数对应的铝元素脉冲强度值分成铝元素的固溶体强度和夹杂物强度，对每个试样进行多于4次的火花放电，在数据处理装置(5)中对夹杂部分的铝(Al₂O₃)强度值进行编程计算，得到Al₂O₃强度，用已知Al₂O₃含量标样求出Al₂O₃强度和化学分析的Al₂O₃含量之间的关系即校正曲线为基础，分析确定试样中的Al₂O₃含量，分析结果由装置(4)输出。

采用本发明的方法可以在分析元素含量的同时快速而准确地测定钢样中夹杂物个数和含量。由于采用了预放电步骤，排除了附着在试样表面的外来物对分析结果的影响，提高了分析结果的准确性；由于从原始金属元素脉冲强度和氧脉冲强度直接分析氧化物夹杂含量，从而进一步加速了分析过程。

采用本发明的在线钢中夹杂物检测技术后，可在炼钢的精炼工序中检测Al₂O₃等夹杂物个数和含量，如夹杂物个数和含量指标检验不合格，则继续进行精炼处理，直到检验合格方可到下一道工序，夹杂物的在线检测技术对于改进炼钢工艺起到指导作用，大大降低了因夹杂物个数和含量产生的废品。

附图说明：

图1为金属元素强度图

图2为氧强度图

图3为铝、氧强度频数分布图

图4为分析夹杂装置示意图

图5光谱分析的夹杂物个数与金相分析的夹杂物个数比较图

符号说明：图4中

1---分光部分  2---发光台  3---激发光源 4---打印机

5---数据处理  6---接口    7---测光部分

图3中

I_m---铝强度频数分布图中最大频数时的铝强度

I_o---氧强度频数分布图中最大频数时的氧强度

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式，这里以分析铝脱氧钢中Al₂O₃夹杂物为例。

采用如图4所示的装置，在线检测钢中夹杂物个数和含量的光谱分析方法由下列步骤组成：

1)在发光台(2)内的惰性气体环境中，在钢试样和对电极之间进行200-700个脉冲的预放电，再进行1500-2000个脉冲的正式火花放电；

2)将每次火花放电的发光在分光装置(1)中进行分光得到各元素的光谱线，在演算装置(5)中得出金属元素铝的脉冲强度图、氧脉冲强度图及各自强度频数分布图，确定铝夹杂强度临界值和夹杂监测元素氧强度临界值如图1、图2和图3所示；

3)在铝强度脉冲图和氧强度脉冲图中找出铝强度和氧强度同时高于各自的夹杂强度临界值的铝异常脉冲，即确定出一个大于1μm的Al₂O₃夹杂，通过数据处理计算出Al₂O₃夹杂物个数，分析结果由装置(4)输出。图1、图2中的①脉冲表示铝脉冲强度和氧脉冲强度同时高于各自的临界值，说明此脉冲为Al₂O₃夹杂脉冲。图1中的②和图2中的③表示仅一个铝脉冲或氧脉冲强度高，另一个低，这些脉冲不是Al₂O₃夹杂。

4)将确定的Al₂O₃夹杂个数对应的铝元素脉冲强度值分成固溶体强度和夹杂物强度，对每个试样进行多于4次的火花放电，在数据处理装置(5)中对夹杂部分的铝(Al₂O₃)强度值进行编程计算，得出Al₂O₃的强度，用已知Al₂O₃含量标样求出Al₂O₃强度和化学分析的Al₂O₃含量之间的关系即校正曲线为基础，确定分析试样中的Al₂O₃含量，分析结果由装置(4)输出。

图5为Al₂O₃夹杂个数采用金相分析和光谱分析结果比较，由图可见两种方法分析的结果基本一致。

表1列出了四个钢种的夹杂物用本发明的方法分析的Al₂O₃含量和用化学分析的Al₂O₃含量的比较。结果表示，两种方法分析的Al₂O₃含量值颇为一致。

本发明的方法适用于分析钢中Al₂O₃、SiO₂、MnO、CaO、MnS等夹杂物个数和含量分析。

表1.两种分析方法结果比较(单位ppm)

  编号 化学分析 光谱分析   差值   编号 化学分析 光谱分析   差值    1    28    31    -3    9    44    47    -3    2    30    32    -2    10    46    50    -4    3    25    24    1    11    55    56    -1    4    27    23    4    12    43    42    1    5    21    26    -5    13    45    40    5    6    23    27    -4    14    40    43    -3    7    22    23    -1    15    51    48    3    8    24    25    -1    16    42    45    -3