周刘建，王丽晖，潘英胜，李奎，赵立章

（鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司,辽宁 营口 115007）

火花源直读光谱仪凭借其灵敏度高、稳定性好、分析速度快等优势被广泛应用于冶金行业的炉前分析。随着服役期越来越长，其光学部件、检测元件逐渐老化，导致性能大幅下降。虽然JJG 768-2005《发射光谱仪检定规程》规定了直读光谱仪的主要检测项目，根据这些检测项目将检定合格的光谱仪分成了A级和B级两个等级，但该规程仅对 C、Si、Mn、Cr、Ni等 7 个元素做了要求［1］，对其他一些常用的元素并没有制定相关标准，导致在实际生产应用中无法判断直读光谱仪性能的优劣。因此，在实际生产过程中，除了要定期对火花源直读光谱仪进行检定和期间核查之外，还应根据不同的分析检测任务，对不同的火花源直读光谱仪进行分级管理。本文从检出限、重复性和稳定性3个方面对火花源直读光谱仪进行了分级评价，在生产中可根据冶炼的要求优先选用合适的设备进行分析，保证了分析数据的准确性。

1 试验部分

1.1 主要仪器

试验仪器包括 3 台（1#、2#、3#）ARL4460 火花源直读光谱仪、1台HV-Ⅲ自动铣样机和1台SPM-350B平面磨样机。仪器工作条件为温度25℃，相对湿度40%。

1.2 标准物质

（1） 高低标：RE12、RFEC、RFED、RG13；

（2） 中低合金钢：YSBS35206-2015；

（3） 工业纯铁：YSBS451073-2013。

1.3 样品加工

使用自动铣样机对标准样品进行加工，加工深度为1 mm。如自动铣样机无倒角功能，在铣样之前，需要使用粒度0.42 mm以上的砂纸对样品进行倒角，砂纸的材质不应影响评级元素的分析。加工后的样品表面应无结瘤，纹理清晰一致。样品温度不得超过40℃。样品加工完成后要及时分析，在无尘环境下放置时间不得超过4 h，否则应重新加工。

1.4 仪器标准化

仪器开机稳定2 h以上，清理完光谱仪激发台后，再用高低标 RE12、RFEC、RFED、RG13做光谱标准化校正。

1.5 检出限试验

选择中低合金钢的分析程序，在分析之前需要激发2～3次“废点”以排空激发台内的空气。在试样表面距中心2/3处激发分析点（见图1），沿顺时针方向连续激发11次，注意激发点之间不得有重合，每分析1点用电极刷清扫激发电极1次，激发过程中需要用纯净压缩空气吹扫试样背面，防止试样过热影响分析结果。

图1 分析点位置Fig.1 Analysis Point Position

连续测定11次工业纯铁YSBS451073-2013各元素的含量，按照公式（1）计算各元素的标准偏差S（%），按照公式（2）计算直读光谱仪的检出限CL［2-7］，3 台直读光谱仪的检出限数据见表 1。

表1 3台直读光谱仪的检出限（n=11）Table 1 Detection Limits for Three Direct Reading Spectrometers（n=11） %

式中，S为空白的标准偏差，%；k为置信因子，对于光谱分析，IUPAC建议k取3；b为低浓度范围内的校准曲线斜率，默认为1。

1.6 重复性试验

同1.5分析步骤一致，连续测定11次中低合金钢YSBS35206-2015各元素的含量，按照公式（1）计算标准偏差S，再按照公式（3）计算其相对标准偏差RSD（%），3台直读光谱仪的重复性数据见表2。

表2 3台直读光谱仪的重复性（n=11）Table 2 Repeatability for Three Direct Reading Spectrometers（n=11） %

1.7 稳定性试验

在同一个标准化周期4 h内，测定中低合金钢YSBS 35206-2015各元素的含量，每隔20 min以上分析1点，共分析6点。按公式（1）计算标准偏差S，再按照公式（3）计算其相对标准偏差RSD（%），3台直读光谱仪的稳定性数据见表3。

表3 3台直读光谱仪的稳定性（n=6）Table 3 Stability for Three Direct Reading Spectrometers（n=6） %

2 结果与讨论

2.1 火花源直读光谱仪分级评价

参照JJG 768-2005《发射光谱仪检定规程》中直读光谱仪分级要求以及实际生产中冶炼的要求，将火花源直读光谱仪分为4个级别：A级能够达到仪器的出厂要求或设计要求，仪器可以用于公正性分析；B级达到一般要求，能够满足生产的检测需求；C级需要观察使用，对其使用范围要有严格的控制；D级需要检修和维护。

分别对1#、2#、3#直读光谱仪的检出限、重复性和稳定性进行分析评级，结果如表4所示，可以看出：

表4 火花源直读光谱仪分级评价Table 4 Evaluation by Different Levels for Spark Source Direct Reading Spectrometer

（1）在检出限评价方面，1#、2#直读光谱仪Mn检出限达到了C级水平，2#、3#直读光谱仪S检出限达到了B级水平，在实际生产应用中要综合考虑工业纯铁等低锰、低硫钢种的技术要求，否则会存在无法检出或准确度不高的风险。

（2）在重复性评价方面，3台直读光谱仪在短波元素C、P、S上的能力表现不足，没有达到A级要求，其中P和S采用的是绝对光强，对光源稳定性的要求比较严格；C虽然采用了Fe4（C2）和Fe14（C3）作为内标，抵消了光源不稳定带来的部分影响，但对激发过程中的氛围控制以及试样表面质量的要求比其他长波元素都要高。

（3）在稳定性评价方面，2#直读光谱仪C被评为了D级水平，3#直读光谱仪C和S都被评为了D级水平，属于性能严重不足的表现，需要对它们进行检修和维护。

在实际评级应用中，除了要周期性对直读光谱仪检出限、重复性和稳定性进行评价外，还要根据季节性因素、停机检修作业等特殊情况，及时对直读光谱仪的检出限、重复性和稳定性进行再次评估。必要时，还可以借助Mintab等质量工具对直读光谱仪的“五性”（重复性、稳定性、偏移、线性、稳定性）进行系统分析，以更直观地了解直读光谱仪的性能状态。

2.2 提高重复性和稳定性水平的措施

直读光谱仪的重复性和稳定性不是固定不变的，可以通过采取以下措施提高两者的水平。

（1）试样质量方面：严格控制样品的加工质量，要求加工后的样品表面平整、无明显缺陷。

（2）分析操作方面：①在激发试样时，不得出现漏光、发出尖锐激发声音的现象；② 避免在样品同一个位置重复分析；③及时清扫激发电极。

（3）直读光谱仪本身：①定期做疲劳灯和暗电流试验，记录数据，一旦数据出现较大波动，即对光谱仪相关部件进行检查维护；②定期对直读光谱仪的透镜进行清洗，保证最大的光通量；③定期对电极的角度进行修复，保持锥角90°，用金相砂纸去除电极表面残留的铁垢；④仪器放置环境不得有较大的震动，温度在22～26℃范围，湿度低于75%。

3 结语

火花源直读光谱仪在炉前快速检测分析中占有重要地位，为了提高分析的准确性，除了定期进行仪器检定和期间核查外，还要定期对不同的火花源直读光谱仪进行分级管理以应对不同的分析检测任务。对光谱仪进行评级，既能对光谱仪进行科学分类管理，根据不同的冶炼要求选择不同的光谱仪分析，又能及时了解每台光谱仪的性能状态，及时指导维护和检修工作，保证了分析数据的准确性。