有的放矢：在每個(gè)電弧爐（EAF）煉鋼階段適用的較佳金屬分析方法

時(shí)間：2020-08-17作者：廣州明陽(yáng)機(jī)電有限公司瀏覽：144

有的放矢：在每個(gè)電弧爐（EAF）煉鋼階段適用的較佳金屬分析方法

在本文中，日立分析儀器OES產(chǎn)品業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理Wilhelm Sanders將對(duì)在EAF煉鋼流程的不同節(jié)點(diǎn)適用的較佳金屬分析技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明。目前已知有3,500多種不同類(lèi)型的鋼，每一類(lèi)鋼均必須符合精確材料規(guī)格，以確保成品性能符合預(yù)期。此外，眾所周知，當(dāng)經(jīng)營(yíng)一家煉鋼廠時(shí)，若要完全正確地符合規(guī)格要求，需要在流程的許多階段（從原材料到較終產(chǎn)品檢查）進(jìn)行分析，同時(shí)在每個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行多次測(cè)量，以確保充分去除雜質(zhì)。

鋼鐵制造商可選擇幾種不同的分析技術(shù)。其所選擇的具體分析技術(shù)取決于需要測(cè)試的材料、需要實(shí)現(xiàn)的低檢出限以及在繁忙的生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量的實(shí)用性。我們將梳理從原材料分析到較終質(zhì)量控制的整個(gè)EAF流程，并討論關(guān)于在每個(gè)階段適用的較佳分析儀類(lèi)型以及相關(guān)原因。

在此提及的分析技術(shù)類(lèi)型包括LIBS、XRF和OES，以下將對(duì)每一種技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要概述：

X射線熒光（XRF）：當(dāng)一束X射線照射金屬表面時(shí)，原子的內(nèi)殼層電子被高能X射線激發(fā)，外殼層電子向內(nèi)殼層躍遷時(shí)，會(huì)釋放出可以被儀器檢測(cè)的特征能量信號(hào)。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）：用激光加熱少量金屬表面材料，將部分固體金屬表面轉(zhuǎn)化為非常少量的等離子體。當(dāng)?shù)入x子體冷卻時(shí)，其發(fā)出一種非常*特的波長(zhǎng)的輻射。對(duì)此類(lèi)波長(zhǎng)進(jìn)行分析后，可獲悉樣品中存在的具體元素。

直讀光譜（OES）：原則上類(lèi)似于LIBS，但在電火花放電的情況下，在此加熱金屬表面至數(shù)千攝氏度。所施加的能量可使材料中的原子發(fā)出特征光。對(duì)此類(lèi)特征光進(jìn)行分析后，可確定樣品中存在的具體元素。



*1階段：廢料分揀
廢料分揀分析是在廢料場(chǎng)完成的，完全不需要在煉鋼廠進(jìn)行。作為鋼的主要原料，每種熔體的廢料類(lèi)型均必須經(jīng)過(guò)仔細(xì)選擇，以盡可能避免不需要的雜質(zhì)進(jìn)入熔體。這意味著廢料場(chǎng)將選擇正確的廢料類(lèi)型以符合熔體規(guī)格要求。通過(guò)分析，需要基于待生產(chǎn)鋼材牌號(hào)的要求，將廢料分揀成特定廢料級(jí)別。至關(guān)重要的是在這一階段識(shí)別雜質(zhì)，以避免不需要的雜質(zhì)元素較終進(jìn)入熔體。
例如，如果煉制低磷鋼，則必須選擇含磷低的廢料。

 

廢料分析中較關(guān)鍵的方面是便攜性和速度——真正需要實(shí)現(xiàn)的是能將分析儀帶至廢料處，而不是將廢料帶至分析儀處?？上驳氖?，如今的便攜式和移動(dòng)式分析儀具有很高的準(zhǔn)確度以及較短的分析時(shí)間，且提供的檢出限范圍完全適用于廢料分揀?？晒┻x擇的分析儀如下：

對(duì)于快速合金鑒別，手持式LIBS（激光誘導(dǎo)擊穿光譜）光譜儀是**選擇。這類(lèi)分析儀如同日立的Vulcan一般，重量輕，真正便攜，可在幾秒鐘內(nèi)鑒別合良好號(hào)。其非常適合分揀大量廢料。

然而，如果需要測(cè)量鋼中含量低的硫或磷，則可選擇其他兩種技術(shù)，即：XRF（X射線熒光）或OES（直讀光譜，也被稱(chēng)為火花光譜）。可使用的分析儀包括采用 XRF技術(shù)的X-MET8000手持式光譜儀，或者采用OES的便攜式PMI-Master Smart光譜儀。

此外，如果基于碳、氮、硼含量或其他必須在低含量的情況下被監(jiān)測(cè)的元素（如銅、錫和鉛）選擇廢料，則采用OES技術(shù)進(jìn)行分析后將提供這些元素的較準(zhǔn)確讀數(shù)。


*2階段：EAF熔體成分和爐渣分析
此處將探討關(guān)于電弧爐本身的熔化和精煉流程。一旦完全熔化較終廢料，并且已穩(wěn)定爐況，便可進(jìn)行熔池化學(xué)分析。這項(xiàng)測(cè)試的結(jié)果可測(cè)定在精煉過(guò)程中需要通過(guò)的氧氣量。精煉結(jié)束時(shí)，也可進(jìn)行測(cè)量，隨后進(jìn)入下一階段。

在此種情況下，金屬分析主要涉及檢測(cè)作為固體雜質(zhì)的磷、硫、鋁、硅、錳和碳，以及作為溶解氣體的氫氣和氮?dú)狻?

在熔爐加工過(guò)程中，可能需要進(jìn)行多次測(cè)量，直至已將雜質(zhì)（如磷）去除后雜質(zhì)的含量達(dá)到期望值。對(duì)于快速分析和流程反饋，EAF熔體化學(xué)分析**分析儀至關(guān)重要。

由于EAF熔體化學(xué)分析要求低檢出限和具有不同元素類(lèi)型，因此可選擇OES技術(shù)，因?yàn)槠涫且环N能夠在提供所需檢出限的情況下測(cè)量大多數(shù)此類(lèi)元素的技術(shù)。與廢料場(chǎng)的情況不同，進(jìn)行EAF熔體化學(xué)分析的儀器不必是便攜式或移動(dòng)式分析儀。從熔體中取出一件小樣品，并將其送至分析儀，因此，固定式OES足以滿(mǎn)足要求。

根據(jù)特定的熔體化學(xué)分析需求，需要確保所選擇的OES光譜儀能夠在提供較低檢出限的情況下測(cè)量金屬中的所有關(guān)鍵元素。市場(chǎng)上有很多種儀器型號(hào)（從低端儀器到大型實(shí)驗(yàn)室光譜儀）。找到合適的儀器型號(hào)將取決于您的需求和預(yù)算。但是，您的出發(fā)點(diǎn)應(yīng)著重于儀器的檢測(cè)能力。

在這一階段，重要的是爐渣分析，主要有兩個(gè)原因：**個(gè)原因是，由于爐渣的堿性可能會(huì)對(duì)EAF爐壁的耐火爐襯產(chǎn)生不利影響，因此必須進(jìn)行常規(guī)分析以監(jiān)測(cè)爐渣。*二個(gè)原因是促進(jìn)所謂‘泡沫渣’的產(chǎn)生。在此過(guò)程中，爐渣發(fā)泡，通過(guò)形成氣態(tài)碳氧化物以增加其體積。這有助于屏蔽電弧，并防止鋼浴燃燒。有效完成此項(xiàng)流程后，可提高熱效率，且能較輕松達(dá)到熔化所需的高溫。EAF爐渣一般由氧化物組成，如CaO、SiO2和Al2O3。


*3階段：鋼包爐中的二次加工
鋼包爐中的特定加工以及所需的分析結(jié)果取決于鋼廠的加工設(shè)置，但通常在完成去渣、合金化和真空脫氣之后，進(jìn)行鋼包爐中的二次加工分析。

實(shí)現(xiàn)鋼清潔度較大的一個(gè)有效步驟是使用真空技術(shù)并用惰性氣體吹掃材料。該技術(shù)用于調(diào)整鋼液的含碳量、脫氧、脫硫、脫磷和脫氣。此階段采用的爐渣控制工藝是去除EAF中尚未被去除的雜質(zhì)。

可使用XRF光譜儀分析爐渣，且可使用波長(zhǎng)色散或能量色散儀器。例如，在日立能量色散XRF設(shè)備系列中，X-Supreme臺(tái)式光譜儀是用于礦渣分析的理想選擇。該儀器已經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以便快速分析鋼渣，并且具有許多其他對(duì)鋼行業(yè)至關(guān)重要的功能。在繁忙的生產(chǎn)環(huán)境中，儀器的防塵設(shè)計(jì)、高可靠性和操作便捷性是非常重要的功能、可靠性高以及易用性強(qiáng)。其他功能（如多樣品分析）有助于全天候高效運(yùn)行分析儀。

保證分析準(zhǔn)確度的XRF儀器需要擁有強(qiáng)大的X射線源、高靈敏度硅漂移探測(cè)器（SDD）以及在氦氣中進(jìn)行測(cè)量以減少大氣干擾影響的能力。XRF設(shè)備制造商將能確認(rèn)分析儀是否適合特定應(yīng)用領(lǐng)域的爐渣成分分析。

對(duì)于合金分析，需要檢測(cè)出精確的合金成分，并且鑒于所涉元素的范圍和元素所具有的低含量，OES是好的技術(shù)。此外，如同在EAF熔體化學(xué)分析中的情形一般，固定式OES的性能優(yōu)良，并且?guī)资陙?lái)已被公認(rèn)為常規(guī)元素流程分析的“主力工具”。 

鋼包爐中涉及分析的最后一個(gè)流程是真空脫氣。在此關(guān)鍵元素之一是氫。在某些類(lèi)型的鋼中，有必要將氫含量控制在**低水平，且需要有能力測(cè)量處于較低含量范圍內(nèi)的氫。在通常情況下，使用燃燒分析儀分析氣體，如氧氣、氫氣和氮?dú)?。但是，現(xiàn)代的OES光譜儀能夠分析含量低的氮。然而，各種OES光譜儀之間的性能也有差異，尤其是在進(jìn)行氣體測(cè)試時(shí)亦如此。例如，在我產(chǎn)品線中的固定式OES光譜儀（OE750），能在提供低檢出限的情況下分析氮。請(qǐng)?jiān)俅蜗蚰约旱膬x器制造商咨詢(xún)，以查看具體的檢出限值。


*4階段：連續(xù)鑄造或鑄錠
對(duì)于連續(xù)鑄造工藝，將需要在混合新牌號(hào)或批次期間監(jiān)控成分。同樣，進(jìn)行固定式OES分析是基本方法。由于較終應(yīng)用領(lǐng)域各異，如今的板材、線材和棒材規(guī)格復(fù)雜。用于航空航天或高性能輪胎的鋼線有非常具體的要求，而OES是一種可在提供所需檢出限的情況下分析所涉元素的全部光譜的技術(shù)。

OES也是在鑄錠期間進(jìn)行流程控制時(shí)需要選擇的方法，并且在鑄造流程中提取較終鋼樣品進(jìn)行分析。



*5階段：裝運(yùn)前的較終規(guī)格檢查
無(wú)論是測(cè)量連續(xù)鑄造流程中的線材、板材、棒材或其他產(chǎn)品，還是測(cè)量鑄錠中的單個(gè)部件，大多數(shù)穩(wěn)健的QC計(jì)劃均將需要較終成分驗(yàn)證檢查。此舉旨在創(chuàng)建較終部件成分證書(shū)，并在準(zhǔn)備裝運(yùn)時(shí)避免材料混淆風(fēng)險(xiǎn)。

顯而易見(jiàn)，當(dāng)前的操作是正在處理固體成品部件，如同廢料場(chǎng)的情形一般，但不方便之處是需將零件拿至分析儀上進(jìn)行驗(yàn)證。因此，有兩個(gè)方法可供選擇：移動(dòng)分析或在線自動(dòng)化。


移動(dòng)分析
根據(jù)部件的實(shí)際組成，可在手持式XRF光譜儀（如日立的X-MET8000）或移動(dòng)式OES（如PMI MASTER系列）或?qū)檫B續(xù)操作和**測(cè)試而設(shè)計(jì)的TEST-MASTER Pro之間進(jìn)行選擇。手持式XRF比移動(dòng)式OES較便攜，并將是實(shí)現(xiàn)大多數(shù)材料驗(yàn)證的理想選擇。但是，如果需要驗(yàn)證低合金鋼或輕元素，如碳、硼或其他手持式XRF無(wú)法檢測(cè)的低含量元素，則OES是合適的使用技術(shù)。

自動(dòng)化
很多質(zhì)量控制計(jì)劃要求在裝運(yùn)前進(jìn)行**材料測(cè)試，并且在此種情況下，自動(dòng)化有助于簡(jiǎn)化測(cè)試流程，并確保在生產(chǎn)中保持穩(wěn)定的生產(chǎn)量，以及完全避免材料混淆?？蓪ES儀器整合至生產(chǎn)線中，以提供關(guān)于較終產(chǎn)品規(guī)格的連續(xù)反饋。產(chǎn)品（如日立自有的TEST-MASTER Pro 直讀光譜儀）專(zhuān)門(mén)針對(duì)調(diào)節(jié)管線上的大容量測(cè)試而設(shè)計(jì)。

結(jié)論
或許這一方法明顯的缺點(diǎn)是在生產(chǎn)流程中需要使用一種以上的分析儀和一種以上的技術(shù)。用于確定熔體化學(xué)性質(zhì)的OES設(shè)備本不應(yīng)該與較終QC分析聯(lián)系在一起，因?yàn)樵谳^終QC分析中，手持式XRF光譜儀能較輕松地完成這項(xiàng)工作。無(wú)論怎樣，這是一個(gè)平衡儀器成本與生產(chǎn)力和準(zhǔn)確度的問(wèn)題，以確保您正在生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品，但您的分析并不會(huì)導(dǎo)致流程出現(xiàn)瓶頸。（本文摘自日立分析儀器微信公眾號(hào)推文，版權(quán)歸作者是所有，如有疑問(wèn)請(qǐng)于我司聯(lián)系）


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• 詞條

  詞條說(shuō)明

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