有(yǒu)的放矢：在每个電(diàn)弧炉（EAF）炼钢阶段适用(yòng)的最佳金属分(fēn)析方法

   日期：2020-07-13

在本文(wén)中(zhōng)，日立分(fēn)析仪器OES产(chǎn)品业務(wù)开发经理(lǐ)Wilhelm Sanders将对在EAF炼钢流程的不同节点适用(yòng)的好的金属分(fēn)析技(jì )术进行说明。

目前已知有(yǒu)3,500多(duō)种不同类型的钢，每一类钢均必须符合精(jīng)确材料规格，以确保成品性能(néng)符合预期。此外，众所周知，当经营一家炼钢厂时，若要完全正确地符合规格要求，需要在流程的许多(duō)阶段（从原材料到后面产(chǎn)品检查）进行分(fēn)析，同时在每个周期内进行多(duō)次测量，以确保充分(fēn)去除杂质(zhì)。

钢铁制造商(shāng)可(kě)选择几种不同的分(fēn)析技(jì )术。其所选择的具(jù)體(tǐ)分(fēn)析技(jì )术取决于需要测试的材料、需要实现的低检出限以及在繁忙的生产(chǎn)环境中(zhōng)进行测量的实用(yòng)性。我们将梳理(lǐ)从原材料分(fēn)析到后面质(zhì)量控制的整个EAF流程，并讨论关于在每个阶段适用(yòng)的好的分(fēn)析仪类型以及相关原因。

分(fēn)析技(jì )术简要概述

在此提及的分(fēn)析技(jì )术类型包括LIBS、XRF和OES，以下将对每一种技(jì )术进行简要概述：

• X射線(xiàn)荧光（XRF）：当一束X射線(xiàn)照射金属表面时，原子的内壳层電(diàn)子被高能(néng)X射線(xiàn)激发，外壳层電(diàn)子向内壳层跃迁时，会释放出可(kě)以被仪器检测的特征能(néng)量信号。

  
  

• 激光诱导击穿光谱（LIBS）：用(yòng)激光加热少量金属表面材料，将部分(fēn)固體(tǐ)金属表面转化為(wèi)非常少量的等离子體(tǐ)。当等离子體(tǐ)冷却时，其发出一种非常独特的波長(cháng)的辐射。对此类波長(cháng)进行分(fēn)析后，可(kě)获悉样品中(zhōng)存在的具(jù)體(tǐ)元素。

• 直读光谱（OES）：原则上类似于LIBS，但在電(diàn)火花(huā)放電(diàn)的情况下，在此加热金属表面至数千摄氏度。所施加的能(néng)量可(kě)使材料中(zhōng)的原子发出特征光。对此类特征光进行分(fēn)析后，可(kě)确定样品中(zhōng)存在的具(jù)體(tǐ)元素。

第1阶段：废料分(fēn)拣

废料分(fēn)拣分(fēn)析是在废料场完成的，完全不需要在炼钢厂进行。作(zuò)為(wèi)钢的主要原料，每种熔體(tǐ)的废料类型均必须经过仔细选择，以尽可(kě)能(néng)避免不需要的杂质(zhì)进入熔體(tǐ)。这意味着废料场将选择正确的废料类型以符合熔體(tǐ)规格要求。通过分(fēn)析，需要基于待生产(chǎn)钢材牌号的要求，将废料分(fēn)拣成特定废料级别。至关重要的是在这一阶段识别杂质(zhì)，以避免不需要的杂质(zhì)元素超终进入熔體(tǐ)。例如，如果炼制低磷钢，则必须选择含磷低的废料。

废料分(fēn)析中(zhōng)超关键的方面是便携性和速度——真正需要实现的是能(néng)将分(fēn)析仪带至废料处，而不是将废料带至分(fēn)析仪处。可(kě)喜的是，如今的便携式和移动式分(fēn)析仪具(jù)有(yǒu)很(hěn)高的准确度以及较短的分(fēn)析时间，且提供的检出限范围完全适用(yòng)于废料分(fēn)拣。可(kě)供选择的分(fēn)析仪如下：

对于快速合金鉴别，手持式LIBS（激光诱导击穿光谱）光谱仪是完美选择。这类分(fēn)析仪如同日立的Vulcan一般，重量轻，真正便携，可(kě)在几秒(miǎo)钟内鉴别合号。其非常适合分(fēn)拣大量废料。

然而，如果需要测量钢中(zhōng)含量低的硫或磷，则可(kě)选择其他(tā)两种技(jì )术，即：XRF（X射線(xiàn)荧光）或OES（直读光谱，也被称為(wèi)火花(huā)光谱）。可(kě)使用(yòng)的分(fēn)析仪包括采用(yòng) XRF技(jì )术的X-MET8000手持式光谱仪，或者采用(yòng)OES的便携式PMI-Master Smart光谱仪。

此外，如果基于碳、氮、硼含量或其他(tā)必须在低含量的情况下被监测的元素（如铜、锡和铅）选择废料，则采用(yòng)OES技(jì )术进行分(fēn)析后将提供这些元素的超准确读数。

第2阶段：EAF熔體(tǐ)成分(fēn)和炉渣分(fēn)析

此处将探讨关于電(diàn)弧炉本身的熔化和精(jīng)炼流程。一旦完全熔化及后续废料，并且已稳定炉况，便可(kě)进行熔池化學(xué)分(fēn)析。这项测试的结果可(kě)测定在精(jīng)炼过程中(zhōng)需要通过的氧气量。精(jīng)炼结束时，也可(kě)进行测量，随后进入下一阶段。

在此种情况下，金属分(fēn)析主要涉及检测作(zuò)為(wèi)固體(tǐ)杂质(zhì)的磷、硫、铝、硅、锰和碳，以及作(zuò)為(wèi)溶解气體(tǐ)的氢气和氮气。

在熔炉加工(gōng)过程中(zhōng)，可(kě)能(néng)需要进行多(duō)次测量，直至已将杂质(zhì)（如磷）去除后杂质(zhì)的含量达到期望值。对于快速分(fēn)析和流程反馈，EAF熔體(tǐ)化學(xué)分(fēn)析仪至关重要。

由于EAF熔體(tǐ)化學(xué)分(fēn)析要求低检出限和具(jù)有(yǒu)不同元素类型，因此可(kě)选择OES技(jì )术，因為(wèi)其是很(hěn)少一种能(néng)够在提供所需检出限的情况下测量大多(duō)数此类元素的技(jì )术。与废料场的情况不同，进行EAF熔體(tǐ)化學(xué)分(fēn)析的仪器不必是便携式或移动式分(fēn)析仪。从熔體(tǐ)中(zhōng)取出一件小(xiǎo)样品，并将其送至分(fēn)析仪，因此，固定式OES足以满足要求。

根据特定的熔體(tǐ)化學(xué)分(fēn)析需求，需要确保所选择的OES光谱仪能(néng)够在提供极低检出限的情况下测量金属中(zhōng)的所有(yǒu)关键元素。市场上有(yǒu)很(hěn)多(duō)种仪器型号（从低端仪器到大型实验室光谱仪）。找到合适的仪器型号将取决于您的需求和预算。但是，您的出发点应着重于仪器的检测能(néng)力。

在这一阶段，重要的是炉渣分(fēn)析，主要有(yǒu)两个原因：1个原因是，由于炉渣的碱性可(kě)能(néng)会对EAF炉壁的耐火炉衬产(chǎn)生不利影响，因此必须进行常规分(fēn)析以监测炉渣。第二个原因是促进所谓‘泡沫渣’的产(chǎn)生。在此过程中(zhōng)，炉渣发泡，通过形成气态碳氧化物(wù)以增加其體(tǐ)积。这有(yǒu)助于屏蔽電(diàn)弧，并防止钢浴燃烧。有(yǒu)效完成此项流程后，可(kě)提高热效率，且能(néng)更轻松达到熔化所需的高温。EAF炉渣一般由氧化物(wù)组成，如CaO、SiO2和Al2O3。

第3阶段：钢包炉中(zhōng)的二次加工(gōng)

钢包炉中(zhōng)的特定加工(gōng)以及所需的分(fēn)析结果取决于钢厂的加工(gōng)设置，但通常在完成去渣、合金化和真空脱气之后，进行钢包炉中(zhōng)的二次加工(gōng)分(fēn)析。

实现钢清洁度超大的一个有(yǒu)效步骤是使用(yòng)真空技(jì )术并用(yòng)惰性气體(tǐ)吹扫材料。该技(jì )术用(yòng)于调整钢液的含碳量、脱氧、脱硫、脱磷和脱气。此阶段采用(yòng)的炉渣控制工(gōng)艺是去除EAF中(zhōng)尚未被去除的杂质(zhì)。

可(kě)使用(yòng)XRF光谱仪分(fēn)析炉渣，且可(kě)使用(yòng)波長(cháng)色散或能(néng)量色散仪器。例如，在日立能(néng)量色散XRF设备系列中(zhōng)，X-Supreme台式光谱仪是用(yòng)于矿渣分(fēn)析的理(lǐ)想选择。该仪器已经过优化，以便快速分(fēn)析钢渣，并且具(jù)有(yǒu)许多(duō)其他(tā)对钢行业至关重要的功能(néng)。在繁忙的生产(chǎn)环境中(zhōng)，仪器的防尘设计、高可(kě)靠性和操作(zuò)便捷性是非常重要的功能(néng)、可(kě)靠性高以及易用(yòng)性强。其他(tā)功能(néng)（如多(duō)样品分(fēn)析）有(yǒu)助于全天候高效运行分(fēn)析仪。

保证分(fēn)析准确度的XRF仪器需要拥有(yǒu)强大的X射線(xiàn)源、高灵敏度硅漂移探测器（SDD）以及在氦气中(zhōng)进行测量以减少大气干扰影响的能(néng)力。XRF设备制造商(shāng)将能(néng)确认分(fēn)析仪是否适合特定应用(yòng)领域的炉渣成分(fēn)分(fēn)析。

对于合金分(fēn)析，需要检测出精(jīng)确的合金成分(fēn)，并且鉴于所涉元素的范围和元素所具(jù)有(yǒu)的低含量，OES是迄今比较好的技(jì )术。此外，如同在EAF熔體(tǐ)化學(xué)分(fēn)析中(zhōng)的情形一般，固定式OES的性能(néng)优良，并且几十年来已被公(gōng)认為(wèi)常规元素流程分(fēn)析的“主力工(gōng)具(jù)”。

钢包炉中(zhōng)涉及分(fēn)析的后面一个流程是真空脱气。在此关键元素之一是氢。在某些类型的钢中(zhōng)，有(yǒu)必要将氢含量控制在比较低水平，且需要有(yǒu)能(néng)力测量处于极低含量范围内的氢。在通常情况下，使用(yòng)燃烧分(fēn)析仪分(fēn)析气體(tǐ)，如氧气、氢气和氮气。但是，现代的OES光谱仪能(néng)够分(fēn)析含量低的氮。然而，各种OES光谱仪之间的性能(néng)也有(yǒu)差异，尤其是在进行打气體(tǐ)测试时亦如此。例如，在我产(chǎn)品線(xiàn)中(zhōng)的固定式OES光谱仪（OE750），能(néng)在提供低检出限的情况下分(fēn)析氮。请再次向您自己的仪器制造商(shāng)咨询，以查看具(jù)體(tǐ)的检出限值。

第4阶段：连续铸造或铸锭

对于连续铸造工(gōng)艺，将需要在混合新(xīn)牌号或批次期间监控成分(fēn)。同样，进行固定式OES分(fēn)析是基本方法。由于应用(yòng)领域各异，如今的板材、線(xiàn)材和棒材规格复杂。用(yòng)于航空航天或高性能(néng)轮胎的钢線(xiàn)有(yǒu)非常具(jù)體(tǐ)的要求，而OES是很(hěn)少一种可(kě)在提供所需检出限的情况下分(fēn)析所涉元素的全部光谱的技(jì )术。

OES也是在铸锭期间进行流程控制时需要选择的方法，并且在铸造流程中(zhōng)提取结果钢样品进行分(fēn)析。

第5阶段：装(zhuāng)运前的规格检查

无论是测量连续铸造流程中(zhōng)的線(xiàn)材、板材、棒材或其他(tā)产(chǎn)品，还是测量铸锭中(zhōng)的单个部件，大多(duō)数稳健的QC计划均将需要结果成分(fēn)验证检查。此举旨在创建结果部件成分(fēn)证书，并在准备装(zhuāng)运时避免材料混淆风险。

显而易见，当前的操作(zuò)是正在处理(lǐ)固體(tǐ)成品部件，如同废料场的情形一般，但不方便之处是需将零件拿(ná)至分(fēn)析仪上进行验证。因此，有(yǒu)两个方法可(kě)供选择：移动分(fēn)析或在線(xiàn)自动化。

移动分(fēn)析

根据部件的实际组成，可(kě)在手持式XRF光谱仪（如日立的X-MET8000）或移动式OES（如PMI MASTER系列）或专為(wèi)连续操作(zuò)和100%测试而设计的TEST-MASTER Pro之间进行选择。手持式XRF比移动式OES更便携，并将是实现大多(duō)数材料验证的理(lǐ)想选择。但是，如果需要验证低合金钢或轻元素，如碳、硼或其他(tā)手持式XRF无法检测的低含量元素，则OES是超级好使用(yòng)技(jì )术。

自动化

许多(duō)质(zhì)量控制计划要求在装(zhuāng)运前进行100%材料测试，并且在此种情况下，自动化有(yǒu)助于简化测试流程，并确保在生产(chǎn)中(zhōng)保持稳定的生产(chǎn)量，以及完全避免材料混淆。可(kě)将OES仪器整合至生产(chǎn)線(xiàn)中(zhōng)，以提供关于结果产(chǎn)品规格的连续反馈。产(chǎn)品（如日立自有(yǒu)的TEST-MASTER Pro 直读光谱仪）专门针对调节管線(xiàn)上的大容量测试而设计。

结论

或许这一方法很(hěn)明显的缺点是在生产(chǎn)流程中(zhōng)需要使用(yòng)一种以上的分(fēn)析仪和一种以上的技(jì )术。用(yòng)于确定熔體(tǐ)化學(xué)性质(zhì)的OES设备本不应该与结果QC分(fēn)析联系在一起，因為(wèi)在后面QC分(fēn)析中(zhōng)，手持式XRF光谱仪能(néng)更轻松地完成这项工(gōng)作(zuò)。无论怎样，这是一个平衡仪器成本与生产(chǎn)力和准确度的问题，以确保您正在生产(chǎn)高质(zhì)量产(chǎn)品，但您的分(fēn)析并不会导致流程出现瓶颈。