X射線熒光光譜分析技術(shù)在質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用研究

陳萬(wàn)斌

（西寧特殊鋼股份有限公司，青海 西寧 810001）

1 X射線熒光理論

X射線是利用特征X射線的一些特殊性完成基本操作的，其特殊性可體現(xiàn)在力量、概率等方面上，操作完成后獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)，可被直接應(yīng)用在分析設(shè)計(jì)中，對(duì)于產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計(jì)有著促進(jìn)作用。而X射線熒光理論是由莫斯提出的較為復(fù)雜的理論體系。該理論中指出，任何固有元素都有其特征性的X射線，且射線頻率的平方根與原子序數(shù)之間存在著緊密聯(lián)系。同時(shí)這兩個(gè)元素也是實(shí)現(xiàn)質(zhì)量檢測(cè)的關(guān)鍵[1]。

2 X射線熒光光譜分析技術(shù)在質(zhì)量檢測(cè)中的運(yùn)用

2.1 X射線熒光光譜儀器類(lèi)型

根據(jù)現(xiàn)有的鋼鐵企業(yè)質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)告分析可知，X射線熒光光譜儀儀器的類(lèi)型以波長(zhǎng)色散性X射線光譜儀和能量色散性X射線光譜儀這兩種為主，這也是目前應(yīng)用最為廣泛的光譜儀器。前者是目前鋼鐵企業(yè)使用最為廣泛的檢測(cè)儀器類(lèi)型，共分為兩種，一是多道型WDXRF，二是掃描型WDXRF。多道型在2005年以前被廣泛應(yīng)用，并占據(jù)主導(dǎo)地位，之后隨著產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，掃描型WDXRF出現(xiàn)，性能、檢測(cè)精準(zhǔn)性、分析速度明顯高于多道型，成為鋼鐵企業(yè)質(zhì)量檢測(cè)中的重要設(shè)備。能量色散型X射線熒光光譜儀共分為SI半導(dǎo)體探測(cè)器、放射性核素便攜式譜儀、SDD、SI-PIN探測(cè)器、原位EDXRF這幾種。前兩種探測(cè)儀器的出現(xiàn)時(shí)間較早，應(yīng)用領(lǐng)域也較多，之后隨著技術(shù)發(fā)展，SDD、SI-PIN探測(cè)器應(yīng)運(yùn)而生，不過(guò)這類(lèi)型探測(cè)設(shè)備需要與微型X射線管搭配使用，才能保證設(shè)備精準(zhǔn)性，檢測(cè)結(jié)果有效性。

2.2 X射線熒光光譜分析技術(shù)檢測(cè)的產(chǎn)品類(lèi)型

2.2.1 進(jìn)場(chǎng)原料、輔料及過(guò)程產(chǎn)品檢測(cè)

X射線熒光光譜儀被應(yīng)用到鋼鐵企業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)中，就是對(duì)原料、輔料、半成品材料等實(shí)行檢測(cè)，具有較多雷同性，下文就從三方面對(duì)其檢測(cè)內(nèi)容予以詳細(xì)說(shuō)明。

首先，原材料檢測(cè)。對(duì)于鋼鐵企業(yè)來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)中所需的原材料以鐵礦石、普通鐵合金、進(jìn)廠溶劑、輔料等為主，最先開(kāi)始應(yīng)用X射線熒光光譜分析技術(shù)檢測(cè)的材料以鐵礦石為主，是在上世紀(jì)末期，利用內(nèi)標(biāo)法玻璃熔片技術(shù)對(duì)不同類(lèi)型鐵礦石材料進(jìn)行成分檢測(cè)，其中包括塊礦石、進(jìn)口粉礦、鐵精礦等多種類(lèi)型材料。檢測(cè)得出的結(jié)果直接被應(yīng)用在對(duì)外作業(yè)中。對(duì)檢測(cè)報(bào)告分析可知，影響鐵礦石質(zhì)量的主要因素為高猛、高鎂等元素，同時(shí)通過(guò)X射線熒光光譜分析技術(shù)的應(yīng)用，解決傳統(tǒng)質(zhì)量檢測(cè)中存在的問(wèn)題，更新和優(yōu)化檢測(cè)方式方法[2]。

目前，我國(guó)在鐵礦石樣品分析上取得了顯著效果，并從質(zhì)量檢測(cè)中獲取完整精準(zhǔn)的硫元素?zé)晒夤庾V。同時(shí)，隨著技術(shù)水平的提高，還研發(fā)出可檢測(cè)礦石中鉀、鉛、鋅等元素含量的技術(shù)，對(duì)于鑒別礦石中有害物質(zhì)具有積極意義。X射線熒光光譜檢測(cè)技術(shù)在原材料質(zhì)量檢測(cè)中，還體現(xiàn)了快速、批量的特征。如現(xiàn)存的鐵合金粉末壓片X射線熒光光譜分析法、硅鐵、錳鐵、錳硅合金、硅鋁合金分析法、鐵合金熔融分析技術(shù)等，這些技術(shù)都對(duì)鐵礦石質(zhì)量檢測(cè)帶來(lái)了更多優(yōu)勢(shì)，為鋼鐵企業(yè)的發(fā)展及技術(shù)創(chuàng)新奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[3]。

此外，隨著我國(guó)鐵礦石種類(lèi)的增多，鋼鐵企業(yè)為迎合市場(chǎng)發(fā)展需求，加大了研究力度，針對(duì)螢石、電熔鎂砂、石灰石、冶金石灰、輕燒白云石、石英石、蛇紋石等檢測(cè)方法開(kāi)展重點(diǎn)分析，以期能夠改善鐵礦石質(zhì)量檢測(cè)水平，為生產(chǎn)和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

其次，過(guò)程產(chǎn)品檢測(cè)。過(guò)程產(chǎn)品包括燒結(jié)礦、鐵水等，傳統(tǒng)的檢測(cè)方式以化學(xué)分析法為主，雖然可了解主要元素存在情況，但相比于X射線熒光光譜分析技術(shù)還存在一些不足。為此，X射線熒光光譜分析技術(shù)逐漸取代化學(xué)分析法成為過(guò)程產(chǎn)品檢測(cè)的主要方式。之后在相應(yīng)技術(shù)完善下，研發(fā)出粉末壓片發(fā)替代傳統(tǒng)的化學(xué)分析法，實(shí)現(xiàn)對(duì)燒結(jié)礦及燒結(jié)混合料元素的檢測(cè)。應(yīng)用該技術(shù)后，檢測(cè)周期從原來(lái)的60分鐘縮短到幾分鐘，檢測(cè)效率大大提升。且利用該技術(shù)可一次性檢測(cè)到二氧化硫、氧化鈣、三氯代乙醇等9個(gè)元素。最后，高爐渣、鋼渣及其他雜料檢測(cè)。對(duì)這些材料的檢測(cè)應(yīng)用的是粉末壓片X射線熒光分析技術(shù)、粉末壓片和熔融玻璃片X射線熒光技術(shù)、微量元素測(cè)定技術(shù)等，且取得了顯著效果。

2.2.2 耐火材料、土層與鋼等質(zhì)量檢測(cè)

X射線熒光光譜檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)在鋼鐵企業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，性能也得到較大擴(kuò)展，做到多種不同材料的質(zhì)量檢測(cè)，拓寬技術(shù)應(yīng)用范圍。如寶鋼利用該技術(shù)對(duì)耐火材料、鋁制硅質(zhì)、鎂質(zhì)耐火材料、鋁碳質(zhì)耐火材料實(shí)行質(zhì)量檢測(cè)，獲取完善的光譜線;鞍鋼、酒鋼利用該技術(shù)對(duì)錳礦中和不銹鋼中多元素含量進(jìn)行檢測(cè)分析;攀鋼則利用該技術(shù)對(duì)低合金鋼中元素進(jìn)行分析?，F(xiàn)階段，X射線熒光光譜檢測(cè)技術(shù)除被應(yīng)用在常規(guī)材料元素檢測(cè)中外，在冷軋涂層、涂層原料、氧化鐵泥球、除塵灰、保護(hù)渣等成分分析中也具有顯著優(yōu)勢(shì)。

3 X射線熒光光譜分析技術(shù)應(yīng)用探討

3.1 光譜檢測(cè)儀器的選擇

鋼鐵企業(yè)目前應(yīng)用的X射線熒光光譜分析儀以波長(zhǎng)色散型為主，被分為多道同時(shí)型、掃描型和多道與掃描混合型這三種。

多道同時(shí)型檢測(cè)儀可針對(duì)固定元素開(kāi)展檢測(cè)，具有成本低廉、檢測(cè)時(shí)間短，安裝和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，但由于僅限固定元素，使用范圍受限，掃描型檢測(cè)儀在科研和很多領(lǐng)域均有應(yīng)用，該類(lèi)型儀器可檢測(cè)和分析近百種元素，具有較強(qiáng)的定量、半定量分析功能，可適用于各種復(fù)雜情況下，確保檢測(cè)分析結(jié)果的精準(zhǔn)性。不過(guò)該設(shè)備在使用中消耗成本較高，安裝軟件復(fù)雜性強(qiáng);多道和掃描型檢測(cè)儀融合兩種模式的優(yōu)點(diǎn)，用在實(shí)驗(yàn)分析及項(xiàng)目研究中有著顯著效果。不過(guò)由于該類(lèi)型檢測(cè)儀所需的搭配設(shè)備較多，在選用上需做到具體問(wèn)題具體分析。X射線熒光光譜儀是由五部分構(gòu)成的，即色散系統(tǒng)、激發(fā)系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

每個(gè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)相關(guān)控制模塊，加快檢測(cè)和分析速度。目前生產(chǎn)制造X射線熒光光譜儀的企業(yè)較多，種類(lèi)繁雜，在實(shí)際選用中需結(jié)合自身需求科學(xué)選型。需注意的是，長(zhǎng)波色散性X射線熒光光譜儀在使用中，要配備穩(wěn)壓電源、循環(huán)水冷卻裝置。

3.2 樣品制備及檢測(cè)方式確定

應(yīng)用X射線熒光光譜分析技術(shù)時(shí)，需先做好樣品制備，科學(xué)選擇檢測(cè)樣品。對(duì)于鋼鐵企業(yè)來(lái)說(shuō)，其存在的液體樣品較少，多是以固體樣品為主。而在固體樣品制備中，又以塊狀金屬樣品居多，如生鐵、鋼樣等，這類(lèi)樣品在切削打磨后可直接應(yīng)用，處理簡(jiǎn)單，檢測(cè)分析效率較高，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性強(qiáng)。

鋼鐵企業(yè)在質(zhì)量檢測(cè)中使用的方式方法為：一是破碎粉末壓片法。選取樣品要先進(jìn)行破碎，檢查合格后，利用硼酸、鋁盒或聚酯對(duì)其實(shí)施嵌邊處理，處理后直接放到儀器制定位置內(nèi)，開(kāi)啟儀器，收集樣品X射線，獲得精準(zhǔn)檢測(cè)結(jié)果。該方式具有操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)效率快有時(shí)，不過(guò)僅限于在同品種、同力度或具有相同礦物反應(yīng)下進(jìn)行，保證檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性。因此，方式多數(shù)被應(yīng)用在燒結(jié)礦或球團(tuán)等材料檢測(cè)分析中。該方式在對(duì)原材料檢測(cè)分析上還需進(jìn)一步探究，檢測(cè)結(jié)果有待商榷。二是高溫熔融玻璃片法。先將硼酸鹽溶液滴入到專(zhuān)業(yè)鍋具內(nèi)實(shí)施高溫熔融處理，使其形成較薄的玻璃片，之后進(jìn)行檢測(cè)分析。該方法在使用中，因材料不同，方式方法存在一些差異。如果材料為非還原性粉末樣品，直接高溫熔融處理，如果材料是還原性樣品，要在熔融過(guò)程中添加適量氧化劑，保證高溫熔融過(guò)程中不會(huì)對(duì)鍋具帶來(lái)較大影響。優(yōu)勢(shì)為檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)度高，不存在其他不良反應(yīng)。

綜上，X射線熒光光譜分析技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用，可快速提升質(zhì)量檢測(cè)及數(shù)據(jù)分析效率，精確獲取檢測(cè)結(jié)果，這對(duì)于后續(xù)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工作起到推動(dòng)作用，可為鋼鐵企業(yè)發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇。

3.3 定量分析技術(shù)

如今，鋼鐵企業(yè)中X射線熒光光譜分析技術(shù)落實(shí)遵循的標(biāo)準(zhǔn)，以傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)曲線為主，在樣品選擇上會(huì)以標(biāo)準(zhǔn)曲線為依據(jù)，選擇相近或人工合成樣品，確保標(biāo)準(zhǔn)曲線的合理性，加強(qiáng)檢測(cè)工作效果。在使用X射線熒光光譜檢測(cè)技術(shù)時(shí)，雖然優(yōu)勢(shì)較多，如操作簡(jiǎn)單，干擾小等，但因譜線疊加或元素吸收的影響，獲得的標(biāo)準(zhǔn)曲線可能存在不準(zhǔn)確性，在實(shí)際工作中，要采用合理的方式加以靈活調(diào)整，改善檢測(cè)結(jié)果。

最常見(jiàn)的調(diào)整方式為數(shù)學(xué)矯正法，分為影響系數(shù)法和基本參數(shù)法兩種。其中影響系數(shù)法又被分為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)和理論影響兩類(lèi)。經(jīng)驗(yàn)系數(shù)中主要對(duì)內(nèi)控補(bǔ)償化學(xué)制和熒光值予以獲取，將兩組數(shù)值實(shí)施擬合處理，計(jì)算得出影響系數(shù)，利用影響系數(shù)對(duì)熒光分析結(jié)果實(shí)施校正處理，獲得最終精準(zhǔn)檢測(cè)結(jié)果。理論影響利用SHERMAN方程構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，將元素間的關(guān)系以矩陣的方式呈現(xiàn)出來(lái)，之后在方程中計(jì)算元素間的增強(qiáng)吸收元素系數(shù)，再利用理論系數(shù)做出校正，得出最終數(shù)值。而固定道的分析一般以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)和理論影響兩種方式為主，后者是先利用理論依據(jù)對(duì)熒光強(qiáng)度及物理常數(shù)和參數(shù)進(jìn)行推算，之后再利用數(shù)學(xué)方程計(jì)算，最后利用數(shù)學(xué)校正法校正得出的參數(shù)值，確定最終結(jié)果。該方法在掃描型WDRXF中的應(yīng)用最為廣泛，不僅可降低樣品采集數(shù)量，對(duì)樣品標(biāo)準(zhǔn)樣的要求也不高，只要條件合適，均能檢測(cè)出準(zhǔn)確的數(shù)值參數(shù)，實(shí)用性較強(qiáng)。對(duì)于鋼鐵企業(yè)來(lái)說(shuō)，上述兩種方法的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)檢測(cè)中大批量采樣帶來(lái)的麻煩，除了基本元素含量的掌握外，對(duì)非常規(guī)元素也有顯著作用，可加強(qiáng)檢測(cè)準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

希望通過(guò)上文的論述，從業(yè)人員可對(duì)X射線熒光光譜分析技術(shù)有所了解，并在日后工作中，加大對(duì)該技術(shù)的推廣和應(yīng)用，結(jié)合時(shí)代發(fā)展特征及技術(shù)要求，不斷嘗試創(chuàng)新和優(yōu)化，以期改善質(zhì)量檢測(cè)效果，為行業(yè)前行提供助力。