钢、渣、原料的仪器分析

钢、渣、原料仪器分析

仪器分析广泛用于原材料、铁（铁水）、钢、炉渣、耐火材料和污泥样品的定性和定量元素分析。与湿法分析相比，仪器分析的优点是除了非常快速外，还具有成本效益和多元素。消除了湿法化学分析中干扰元素带来的后顾之忧。仪器分析避免了对某些元素等待几个小时的需要，而这在湿化学方法中是必须的。

此外，仪器分析为大量元素或化合物提供了相当统一的检测限，适用于从 100% 到百万分之几 (ppm) 的广泛浓度范围。由于较少的人为干预，仪器方法可重现，人为错误的范围更小。它们坚固、可靠且准确，其准确度取决于校准和用于校准的标准。

钢、炉渣和原材料的分析不仅在炼钢过程中以控制为目的，而且对于需要分析的大量样品用于各种其他目的而言都是重要且必不可少的。分析得到的信息可用于各种目的，例如原材料、中间产品和最终产品的检验、环境评估、过程控制、故障分析、产品质量控制以及研发目的。

历史

虽然光谱仪已经在其他领域使用了相当长的一段时间，但第一台成功用于铁熔化控制的仪器于 1935 年安装在一家铸造厂。1943 年，在铁姆肯公司实验室安装了 Baird 光谱仪，用于分析来自熔化车间。该仪器配备了焦距为 3 米的 Wood 光栅，每英寸 15,000 条线，安装在鹰架上。通过将液态金属倒入模具或将其吸入玻璃管中，将用于光谱分析的样品制成直径为 5.5 毫米的棒状。铸针通过气动管运输系统被送到实验室，在那里它们被小心地研磨到 140 度夹角的点并放置在电极支架中。施加来自高压电弧或火花源的功率，并在伊士曼光谱分析 1 号板上拍摄来自发射光的光谱线。然后将板显影、洗涤、干燥并在暗室中冷却至室温。在密度计上读取所需元素的线密度并计算为百分比，然后通过电传仪将其报告给熔炉操作员。

仪器分析的进一步发展是直读光谱仪。在该仪器中，照相台已完全被敏感的电子倍增管所取代，这些电子倍增管接收不同波长的发射光，并在样品放入电极支架后 35 秒内以百分比形式在校准的时钟刻度盘上报告它。照相管的使用消除了与印版或胶片、暗室显影和处理、密度计读数和计算板相关的所有可能错误。第一台直读光谱仪于 1947 年 5 月安装在铁姆肯公司控制实验室，是第一台用于钢铁行业的此类仪器。

仪器分析有了进一步的发展，目前使用的不同类型的仪器分析如下所述。

火花原子发射光谱法 (AES)

原子发射光谱是一种化学分析方法，它使用特定波长的火花发出的光强度来确定样品中元素的数量。原子光谱线的波长给出了元素的身份，而发射光的强度与元素的原子数成正比。

火花原子发射光谱用于分析固体样品中的金属元素。对于非导电材料，样品用石墨粉研磨使其导电。在传统的电弧光谱法中，固体样品通常在分析过程中被磨碎和破坏。电弧或火花通过样品，将其加热到高温以激发其中的原子。被激发的原子发出特征波长的光，可以用单色仪分散并检测到。具有可控放电的火花源用于定量分析。火花原子发射光谱法的定性和定量火花分析都广泛用于钢铁厂的质量控制。

AES 可以在 20 秒内同时测定多达 64 个元素。该技术的局限性在于该仪器无法分析钢中的气体（氧气、氮气和氢气）。尽管一些现代仪器提供氮分析，但重现性和检测限低于钢铁制造商的预期。

X 射线荧光 (XRF) 光谱法

该光谱仪可以分析金属和非金属样品。因此，它广泛用于金属、炉渣、原材料和耐火样品的分析。它的工作原理如下（如图1所示）。

当样品被来自 X 射线管的 X 射线照射时，样品中的原子会产生从样品中发射的独特 X 射线。这种 X 射线被称为“荧光 X 射线”，它们具有独特的波长和能量，这是产生它们的每种元素的特征。因此，可以通过研究 X 射线的波长来进行定性分析。由于荧光 X 射线强度是浓度的函数，因此还可以通过测量每种元素特定波长的 X 射线量来进行定量分析。

图1 XRF光谱原理

来自管子的 X 射线撞击样品，在样品中它与来自 A 原子内壳之一的电子相互作用。它将电子撞出轨道。这留下了一个空隙，然后迅速被来自外壳的电子填充。这个电子比它正在取代的电子具有更高的能量。多余的能量以特定于A原子波长的X射线的形式排出。XRF光谱仪主要有两种类型。

能量色散 X 射线荧光 (EDXRF) 光谱仪使用检测器将整个光谱直接处理成能量色散标度。 EDXRF 光谱仪包括一个高科技探测器，该探测器使用低温（-90 摄氏度）冷却的硅锂 (SiLi) 漂移晶体。这种晶体能够区分不同能量的 X 射线光子（能量色散）。探测器拾取样品发射的所有光子，总探测器计数率约为每秒 50 公斤，并且经常处于饱和状态。特定的过滤器通常用于过滤掉部分频谱，例如主要元素。次要目标通常用于更好地仅激发元素周期表中的一部分元素。

探测器的 SiLi 晶体吸收入射的 X 射线光子，使原子电离并产生电子 (-) 和空穴 (+) 对。电子/空穴对的数量与 X 射线光子的能量成正比。检测器输出脉冲根据其大小被放大、数字化和分类。需要将检测器冷却至负 90 摄氏度。

波长色散 X 射线荧光 (WDXRF) 光谱仪使用适当的晶体将发射光谱分离成离散波长，然后再检测它们。微型 X 射线荧光之所以得名，是因为这些仪器旨在分析非常小的光斑尺寸。在全反射 X 射线荧光 (TRXRF) 中，激发光束被基板全反射，只有表面上的粒子被激发，从而产生 X 射线荧光发射。通过这种方式，通常与 XRF 测量相关的背景大大降低，从而导致更高的灵敏度和更低的检测限。

电感耦合等离子体原子发射光谱法 (ICP/AES)

电感耦合等离子体原子发射光谱法是一种用于检测痕量元素的分析技术。它使用电感耦合等离子体产生受激原子和离子，以特定元素的波长特征发射电磁。这种发射的强度表示样品中元素的浓度。

ICP-AES 由两部分组成，即 (i) ICP 和 (ii) 光谱仪。 ICP 炬管由 3 个同心石英玻璃管组成。射频 (RF) 发生器的输出围绕该石英手电筒的一部分。氩 (Ar) 气体通常用于产生等离子体。

RF 产生和维持的 Ar 等离子体（其中部分温度高达 10,000 度 K）激发电子。等离子体用于原子化和电离样品中的元素。当电子在等离子体中的某个空间位置返回基态时，它们会以样品元素组成所特有的特定波长发射能量。从等离子体发出的光通过透镜聚焦并通过入口狭缝进入光谱仪。 ICP-AES分析中使用的光谱仪有两种类型，即（i）顺序（单色仪）和（ii）同时（多色仪）。

电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）是一种非常强大的痕量（ppb，ppb，ppb-ppm）和超痕量（ppq，ppb-ppb）元素分析工具。

原子吸收光谱法 (AAS)

原子吸收光谱法 (AAS) 是一种测量元素浓度的分析技术。原子吸收光谱法通常用于分析溶液中超过 62 种不同金属的浓度，并且非常灵敏，可以测量到样品中每十亿分之一克的浓度。该技术利用了元素特定吸收的光波长。它们对应于将电子从一个能级提升到另一个更高能级所需的能量。

原子吸收分光光度计由光源、样品室和检测器组成。在这种方法中，来自光源的光通过样品被引导到检测器。光源是一盏灯，其阴极由被测元素组成。每个元素都需要不同的灯。

该技术利用吸收光谱法来评估样品中分析物的浓度。它需要具有已知分析物含量的标准品来建立测量的吸光度和分析物浓度之间的关系，因此依赖于下面解释的比尔朗伯定律。

A =eBC

其中 A 是吸光度 [无单位，因为 A =log10 (Io / I1)]，e 是摩尔吸光度，单位为 L mol¯¹ cm¯¹，B 是以厘米为单位的样品路径长度 - 即光程长度，C为溶液中化合物的浓度，单位为mol L¯¹。

该图（图 2）显示了一束辐射功率为 I 的单色辐射束，指向样品溶液。发生吸收，离开样品的辐射束具有辐射功率I1。

图2单色辐射示意图

简而言之，通过吸收一定量的能量（给定波长的辐射），雾化器中原子的电子可以在短时间内（纳秒）提升到更高的轨道（激发态）。这个能量量，即波长，特定于特定元素中的特定电子跃迁。一般来说，每个波长只对应一种元素，吸收线的宽度只有几皮米（pm，10¯1²m）的数量级，这使得该技术具有元素选择性。使用检测器测量无样品和有样品在雾化器中的辐射通量，并使用 Beer-Lambert 定律将两个值之间的比率（吸光度）转换为分析物浓度或质量。