沈 忱

（天津钢铁集团有限公司技术中心，300301）

0 引言

火花数据采集处理系统（Spark－DAT），又名单火花分析法，也叫做火花源发射光谱仪－脉冲差别分析法（OES－PDA），是火花源原子发射光谱仪的一种高端配置。Spark－DAT使OES的应用领域更加广泛，由于其能够在很短的时间内检测分析出钢铁中的微量元素和夹杂物，有助于钢铁冶炼过程中的杂质控制和工艺优化。通过钢铁中夹杂物的快速分析或高科技替代手段，能够改善由于夹杂物的存在而影响的钢材性能。

1 Spark－DAT分析技术在钢铁行业的应用

过去十年间，使用Spark－DAT对元素的定量检测以及夹杂物的分析，在钢铁行业中已经越来越多。概括来说，这项分析技术可以用于以下几个方面：

（1）酸溶（或不溶）物分析：Spark－DAT对元素被激发时所获得的火花强度的分布进行数据处理，从而能够利用数学建模计算出酸溶（或不溶）物的成分含量。

（2）材质的纯净度：Spark－DAT可以统计出各元素通道中不同强度的脉冲计数。其中低强度的脉冲信号表示该元素以固溶的形式存在，高强度的脉冲信号则表示对应元素析出相的形式，脉冲计数值也可以用来表示这种材质的纯净度。因此，该项技术可在实际生产中随时随地监控工艺流程各阶段产物的纯净度变化，从而对工艺流程的改良具有重要意义。

（3）夹杂物的分析：Spark－DAT能够快速分析钢中的夹杂物。通过对30多个元素通道中火花强度的同时采集，可以快速推断出材质中夹杂物的组成成分，还可以获得共存多元夹杂物的组成成分。

（4）元素分析精度的改善：Spark－DAT可以提高含量较低的元素（比如钢中含量较低的C、N、O等元素）的分析精度。同时能够有效地排除外部因素造成的异常信号，从而得到理想情况下的激发信号，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，如填补或者替代常规的夹杂物分析技术；替代关于夹杂物的相关性能或者特征的分析技术等。另一方面，Spark－DAT在精简或者替代现有的夹杂物分析技术方面也蕴含着巨大的潜能。

Spark－DAT在分析过程中能够逐一获得电火花信号，它不会像常规的获取方式一样将全部的单一火花的信号（单火花信号）进行统计汇总，而是通过采集每次火花激发出的光强度并单独储存下来，用于特别处理。Spark－DAT也并非采用传统的峰值积分法（PIMS）计算方式，在将光电信号传输给计算机之前，火花数据采集处理系统并不是单纯地采用积分的方式，而是对所储存下来的光强度信号进行数字信号分析，从中提取最有用的信息。

Spark－DAT中元素的定量检测和夹杂物分析均使用相同的仪器，与其他常规的夹杂物分析方法相比，极大地减少了各种成本消耗。元素的定量检测和夹杂物的分析既能够分开进行，又能够同步进行。Spark－DAT的操作过程中也包含着若干阶段，如惰性气体（氩气）冲洗、样品预燃、样品激发以及信号收集等。在这种情况下，Spark－DAT的信号收集工作可以优先于元素测定的积分时间，在首个信号收集阶段对单火花信号进行统计汇总。而用于光谱化学分析的光电信号则在积分时间进行统计汇总，并不会使OES的分析时间增加。例如，使用火花源原子发射光谱仪，合金钢中元素的定量检测从开始激发试样到分析数据显示在计算机上，整个过程消耗的时间为20 s左右，而单一夹杂物的分析只需要5 s左右的时间，即使进行同步分析，整个过程消耗的时间也会少于25 s。如果Spark－DAT中的数据汇总工作可以安排在定量检测的预积分时间内，那么元素的定量检测和夹杂物的分析能够在23～25 s内逐步完成，而原来的普通OES分析方法所需要的时间则为30 s。由于进行同步分析之外所消耗的时间对于很多钢铁企业来说，都在可接受的范围内，因此这些企业可以将Spark－DAT中夹杂物的分析项目增加到检测流程中。

本文通过Spark－DAT法，利用ARL－4460火花源原子发射光谱仪的随机校准曲线，通过使用特定的标准样品，以及优化样品制备手段等方式，分析钢中的硼元素的成分含量，以及钢中一些夹杂物的情况。

2 实验部分

2.1 分析方法

采用单火花分析法，即火花源发射光谱仪-脉冲差别分析法（OES－PDA）。

2.2 实验条件

环境条件：室内温度15~30℃，在同一个再校准周期内室内温度变化不超过±5℃，相对湿度小于80%。

2.3 仪器设备

分析设备：ARL-4460型直读光谱仪；制样设备：HV－V型全自动快速铣样机。

2.4 标准物质精密度

ARL-4460火花源原子发射光谱仪硼元素的精密度（重复性限和再现性限）计算公式为：重复性限r＝0.069 0m＋0.00002，再现性限 R＝0.2729 m＋0.0004。

选择一种光谱分析标准样品，标样编号YSBS11268-2005，硼元素标准值（质量分数）为0.011%，通过公式计算出重复性限r=0.000779；再现性限R=0.003402。

2.5 Spark－DAT测定硼元素

将编号为YSBS11268-2005的标准样品，通过全自动快速铣样机来进行样品制备，然后立即将制备好的样品分别激发6次，记录6次的激发值，再通过ARL－4460火花源原子发射光谱仪的OXSAS系统软件计算出平均值（AVG）、标准偏差（SD）和相对标准偏差（RSD）。分析数据以及计算结果如表1所示。

表1 Spark－DAT法的分析数据

2.6 硼的酸溶分析

编号为YSBS11268-2005的标准样品，通过对硼元素激发时获取的火花强度分布进行统计处理，从而能够用数学模式计算出酸溶硼（Bs）以及酸不溶硼（Bins）的含量，如表2所示。

表2 Spark－DAT法的酸溶情况分析数据

2.7 硼的单火花谱图

编号为YSBS11268-2005的标准样品，经过Spark－DAT进行单火花信号采集后的硼元素的谱图，如图1所示。

2.8 夹杂物分析

通常情况下，钢中比较常见的夹杂物一般会有碳化物（碳化铝、碳化钛等）、氮化物（氮化铝等）、氧化物（氧化锰、氧化铝和氧化钙等）、硼化物（硼化钛等）、无机盐（氯化钠、氯化镁、氯化钾、氯化钙等）、耐火材料（二氧化硅）、尖晶石（铝酸镁）、金属间化合物（铬－锰－铁等）以及各种不同的化合物（磷化镁、磷化铝、硫化物、铝化合物等）。它们基本都可以使用Spark－DAT法来进行分析，采用专门的算法计算出峰（或者相关峰）的数目，就可以表示出各种夹杂物的存在。

图1 硼的单火花谱图

编号为YSBS11268-2005的标准样品、夹杂物的强度峰个数的分析情况如表3所示。

3 结果与讨论

（1）从表1中的实验数据可以看出，通过Spark－DAT法测定硼元素的结果，符合分析方法的精密度要求。

（2）从表2中的实验数据可以看出，使用Spark－DAT法检测钢中的酸溶硼（Bs）的结果比较令人满意，基本能够满足生产过程中实验监测的要求。Spark－DAT法并不是采用虚拟曲线，而是采用真实曲线统计出来的光强度值，从而计算出酸溶硼（Bs）。经过实验数据表明，Spark－DAT法比其它的分析方法更加科学、准确、可靠，在实际应用中的优势也更加明显。

（3）从表3中的实验数据可以看出，编号为YSBS11268-2005的标准样品，对其中可能含有的夹杂物分析结论为：三氧化二铝、氧化钙、二氧化钛、铝酸钙、硫化钙。

（4）Spark－DAT法相当于在OES法中添加了一个新的维度，可以使元素的定量检测和夹杂物的分析同步进行。与其它的夹杂物分析方法相比，Spark－DAT法能够实现夹杂物的快速检测和有效分析，还可以对细化加工过程中的夹杂物进行及时监控。较低的投资成本是Spark－DAT法的另一大优势，与很多需要专用仪器设备的分析方法相比，Spark－DAT法并不需要特殊的样品制备手段和其它额外消耗，样品的制备可以采用常规的OES法样品制备条件，过程更简单，成本消耗更低。

表3 元素的强度峰情况

（5）Spark－DAT法还能够在单一仪器设备上更好地监控一些对钢种性质和性能具有显著影响的微量元素，例如碳、氮、磷、硫、镍、铬、铜、钼、钒、铌、钨、砷、锡、钴、铅、锑、铋、硒，以及某些情况下的氧。这一优势能够实现分析投入和消耗成本的显著降低，同时能够让生产工艺流程具备更短的响应时间、更少的生产能量消耗。

（6）除了对钢中铝、硼等元素的可溶（或不可溶）部分进行含量测定，以及对部分夹杂物进行分析之外，Spark－DAT还有很多其他的应用方式。比如可以取代一些比较耗时或者分析成本较高的方法来测定某些钢种的特性或性质；可以很快地筛选出金属成品中的夹杂物，方便质量监控信息的及时反馈；可以评定一些定义为过程标记的夹杂物，即监测生产工艺流程中的一些关键夹杂物等。