一、【前言】

ARL4460直读光谱仪是目前市场上性能优秀的金属分析仪。该仪器广泛用于各种金属材料的分析，特别是在钢铁工业、有色工业、航空工业及实验室快速分析等领域，对合金材料、超纯金属材料、贵金属材料及特种金属材料低C、N、O、低As、Bi、Sb、Sn等元素的分析，表现出良好的性能。

ARL4460直读光谱仪作为经典的金属分析仪之一，它具有分析精度高，速度快，性能稳定，尤其在高纯金属分析、金属夹杂物分析具有一定的优势。仪器具有自动分析系统，快速在线分析，尤其是在炉前分析和实验室分析都具有优越的分析性能。

Spark-DAT分析技术的应用使仪器发挥了更大的作用，它可以快速分析出钢铁中的非金属夹杂物，以及材料中酸溶/酸不溶物的分布。对于炼钢产业来说，随着生产规模、工艺结构的不断升级，半成品、成品的金属材料成分检验，能否快速、准确报出分析结果，仪器Spark-DAT分析技术的应用尤为重要。

二、【Spark-DAT简介】

Spark-DAT（Spark-Data Acquisition and Treatment，火花数据采集与处理系统）于1999年作为一种离线工具提出以后，起初优势并不明显，只有在线使用Spark-DAT时才能发挥其真正的优势，于是在2000年，采集电路和处理算法集成到了仪器硬件和软件之中。自此，OXSAS（或WinOE）软件处理Spark-DAT结果就如同处理常规结果一样方便，可储存、打印结果，并将结果与产品标准进行比较，通过网络将结果传输到过程控制计算机。按这种方式工作，只需要进行一次分析便可得到所有的常规浓度分析结果，并从Spark-DAT获知夹杂物或酸溶/酸不溶物的分布。

CCS（Current Controlled Source电流控制光源）和TRS（Time Resolved Spectroscopy时间分辩光谱技术）两项技术的结合使Spark-DAT技术达到了最好效能。由于这些技术的采用和内标的恰当选择，大部分元素的分析都得到了改善。所有钢成分中的重要元素现在都可以按照生产厂家的大部分需求进行分析。尤其是C和N成分较低时，Spark-DAT技术可以降低成本，提高生产力。

三、【Spark-DAT 分析原理】

（一）、Spark-DAT的特点。

ARL4460直读光谱Spark-DAT，有些类似于脉冲辨别分析技术（OES-PDA）。属于单火花发射光谱分析技术，基于不同的采集方法和处理原理，此分析技术具有以下特点：
1、Spark-DAT是将激发的各个“单火花”对应的脉冲光强进行采集，每个单火花击中样品一个很微小区域，每个脉冲光强都包含了该微小区域的材料成分信息，从微观层面可监测材料的成分变化，因此通过这些电火花可获得更丰富的信息资源，比如包含非金属夹杂物信息等。
2、Spark-DAT系统依赖于CCS和TRS分析技术。CCS为ARL直读光谱专利电流控制光源，可提供最佳火花放电波形（基体、待测元素）。TRS为时间分辨光谱技术，放电过程中优化信号采集，进而提高灵敏度、精确度和准确度，降低谱线干扰。Spark-DAT、CCS、TRS三项技术的联合使用，使光谱仪发挥最佳的分析检测能效。【注：CCS和TRS仅为ARL4460仪器设计，此功能只有在仪器设置中启用CCS和TRS操作时才可用。】
3、Spark-DAT由硬件、软件和算法三大部分组成，三方互相协同工作。由于Spark-DAT 的数据采集处理与常规分析信号采集和积分是并行运行的，所以一次分析就能同时获得常规分析的所有元素含量，以及测定材料表征微夹杂物或元素（如低合金钢中的铝、硼、钙和钛）的酸溶/酸不溶的分布信息。Spark-DAT数据采集时间大约7秒，而Spark-DAT数据采集+常规分析整个处理过程耗时不超过 30秒。
4、Spark-DAT 一般采集2000个彼此独立的强度值，相对于常规同时32个（或16个）通道积分，32×2000的矩阵（64k）值可供快速计算法进行在线处理，计算值提供给分析软件。软件处理这些数据就如同处理常规通道数据一样，可以再任何分析程序计算，可以关联任何分析条件，可以集成在校准曲线计算。标准样品可用来校准Spark-DAT通道，作为漂移校正样品。（图3-1）

图3-1 Spark-DAT系统在线处理过程

（二）、Spark-DAT工作原理。

1 、信号采集
Spark-DAT 采集系统允许在分析的任何积分期间，对单次火花进行信号采集。在IVFC（电流电压频率转换器）/TRS板的积分器输出时得到火花的单次值。工作原理详见图3-2 。

图3-2 Spark-DAT信号采集时序（原理）图

t0（t 3，t 6）火花起始点；
t1（t 4）被采集通道的TRS窗口的起始点；
t2（t 5） TRS窗口的结束；
TRS 窗口由开始时间（t0 -t1）和持续时间（t1 -t21）决定。当 TRS 窗口打开时，积分器工作。积分过程维持到下一个火花的开始时结束。在此期间（t2-t3之间），系统提供一个专用的数字同步脉冲信号（ACQSYNC），使Spark-DAT 完成一次采集工作周期（积分器输出信号）。

2 、算法（Algorithms）

Spark-DAT 能够采集32个分析通道的单次火花。一次正常的积分过程需要产生2000个火花。例如需要对32通道进行Spark-DAT采集，那么采集的火花在传递给OXSAS之前，就需要完成32×2000个火花矩阵的算法处理。

算法分成两大部分：

（1）元素算法（Elemental algorithms，也称基本算法）

元素算法应用于任何的Spark-DAT通道。因而这些元素算法可以输出任何 Spark-DAT通道。举例来说，如果 Al是Spark-DAT通道其中的一个，那么就会有元素算法应用到该通道，以特定的积分方式，把Spark-DAT通道Al（铝元素）的数据提供给 OXSAS（图3-3）。

图3-3 元素算法原理示意图

（2）虚拟算法（Virtual algorithms）

虚拟算法不能应用到实体的通道，但可以应用在积分器中（即：所有通道）. 它并不输出一个Spark-DAT通道，但它是个虚拟通道，是个物理上根本不存在的一个通道。例如，Al2O3夹杂物可以关联Al和O的Spark-DAT通道计算得到。通过这样，一个专用的算法就可以计算出Al2O3颗粒的数量和大小，并计算出样品的纯度。而这三个值（Al2O3数量，尺寸和纯度）并不是仪器的实体通道，但是它们可以使用一个单独的虚拟算法作为虚拟通道而存在。（图3-4 ）

图3-4 虚拟算法原理示意图

3、参数

两种类型的算法可以被赋予一项或多项元素参数。用户可在 OXSAS 中设置这些参数值，并发送到算法中，这样它才可以在处理过程中使用。这些值也可被用于漂移校正。每个单独的算法都有不同的设置。（图3-5）

图3-5 多项元素参数赋值

4、通道参数

每个虚拟的算法都有其共性，即总是使用相同的输入通道。例如，设定一个 Al夹杂物的虚拟通道，该算法会将数据发送到称之为Al2O3的虚拟通道，则该虚拟通道会一直使用（最少是这两个）Al和O输入通道。（图3-6）

图3-6 虚拟通道算法例举

与此相反，在每个程序里，一个元素算法可能基于不同的输入通道。例如：一个平均的元素算法，仅是简单计算列出的火花的平均值，可应用于任何一个Spark-DAT 通道。（图3-7）

图3-7 单通道元素算法例举

因此，通道参数间的概念是能关联一个或多个固定的Spark-DAT通道选项到一个算法。至少一个虚拟算法需要一个通道参数，它们是元素算法的选项（例如，对内标通道）。

（三）、Spark-DAT分析优势

1、分析曲线校正

Spark-DAT产生的值，即元素通道和虚拟通道，可以包含在任何分析程序中。它们可以与任何分析条件相关联，因此是分析采集时的任何一部分。元素通道相当于标准仪器通道，通过全局校准曲线（每个增益一个）处理元素通道，进行分析程序（每个元素都有校准程序）。虚拟通道是通过全局校准曲线（每个算法对应一个输出（虚拟）通道）进行处理，它们在分析程序中并没有元素曲线。（图3-8）

图3-8 Spark-DAT曲线校准

如图3-8所示，对于元素通道，每个增益可以有一条曲线，最多可以有四个校准曲线（每个增益一个）。对于虚拟算法，每个算法只能有一条曲线。这是因为虚拟算法可以使用多个输入通道（通过通道参数设置）。如对于三个输入通道，每个通道有四个可能的增益，这将导致六十四个不同的组合，即六十四个不同的校准曲线。其原理是选择一个固定的增益组合，并使用这些增益进行曲线校准。

2、采集信号优化

为了获得较佳的信号采集结果，应用CCS技术优化火花条件和顺序。结合使用TRS技术，在整个激发火花过程中，控制信号不再像传统光谱仪那样连续不断。为了提高采集信号的灵敏度、精度以及准确度，通过优化“ TRS窗口”的位置和持续时间，展现CCS和TRS技术结合的优势，以获得分析谱线信号和干扰信号之间的最佳比例。（图3-9）

图3-9 TRS 窗口的优化选择

图3-9中TRS1窗口设置是为了获得最佳的信噪比（信号：离子谱线强度；噪声：源于火花或背景发射），TRS2窗口设置是为了最小化离子谱线对原子谱线的干扰。在单个火花产生的过程中，峰值线背景比变化很大，数据采集时基于分析元素和所选谱线，选择最佳的TRS窗口周期，避开了高背景的第一个电流峰，由此减小了背景干扰，这样就提高了痕量分析的灵敏度和精度，并且也提高了校正曲线的精度。【注：TRS窗口参数通常是为工厂校准程序配置的。修改或删除现有定义的TRS窗口可能会完全改变分析结果输出，并使校准曲线失效。所以必须由合格操作员进行更改。】

3、Spark-DAT的专利算法：

Spark-DAT软件提供了多个专利算法，以便对不同的材料和分析要求进行针对性的程序分析。专利算法如下：
1）“Soluble”算法：测定酸溶/酸不溶部分浓度（钢样中Al，B，Ca，Ti 和其它元素）。
2）“Peaks”算法：评估夹杂物数目，区别尺寸。
3）“Composition”算法：评估夹杂物种类。

4）“QuIC”算法（夹杂物组成成分定量）：计算夹杂物尺寸，计算总氧含量。

四、【Spark-DAT应用】

Spark-DAT（火花数据采集处理系统或单火花分析发射光谱）可以使OES（原子发射光谱法）的应用范围得到更加广泛，因为它可以快速分析出钢铁中的非金属夹杂物。因此，非常有利于炼钢过程中的杂质监测和工艺控制，金属材料中夹杂物的快速过滤或者高成本技术的替代，以改善由某些类型夹杂物的存在和数量决定的钢的特性或成分。并在金属材料定量分析和夹杂物分析的拓展中，已得到以下的实际应用，如：
• 评估金属的夹杂物的数量。
• 评估样品均匀性、夹杂物大小和夹杂物分布的信息。
• 评估夹杂物类型（成分），通过比较数个通道脉冲的相关性来识别夹杂物或者了解夹杂物的成分。
• 测定洁净指数或洁净度，通过识别污染来改善元素分析的性能。
• 测定酸溶/酸不溶组分，元素的酸溶部分，如钢中Al和B，低合金钢中的酸溶铝和酸溶硼等。

1、低合金钢夹杂物分析

1）Spark-DAT 的基本概念就是火花击中夹杂物时会造成夹杂物中存在元素的光信号产生强度高峰。在一级近似下，峰强度值取决于夹杂物的大小和夹杂物中的的元素浓度。最简单的应用是对峰强度进行计数，通过计算样品中指定元素的夹杂物数量，可测量洁净度指数，为此提供了一种非常快速的评价样品洁净度的方法。（图4-1）

图4-1 低合金钢样含铝夹杂物分析示意图

（铁基中含有较低铝含量（ppm级），Al2O3 夹杂物含有~ 50%的铝）

Spark-DAT 峰强度值代表了火花所击中样品区域的样品构成。当某元素在这一区域富集，则测量的强度会大大高于平均值。典型的例子就是火花击中低合金钢样含铝夹杂物（例如Al2O3）时，因为夹杂物颗粒中铝的浓度较基体中的铝浓度要高出好多倍，所以，铝的光强也高很多，相应地在铝通道的时序图中出现一个高峰（图4-2）。
此“火花图”或“脉冲图”与光谱很类似，反映的是铝强度与火花放电次数的关系。背景信号与固溶在基体中的铝合金成正比，高峰表明金属被烧蚀的位置存在一个或多个含铝夹杂物。高峰的个数与这种夹杂物的个数有关，而峰的高度与铝夹杂物的尺寸和浓度相关。通过Spark-DAT算法处理统计评价所记录的信息，来计数夹杂物峰的个数或同时有二、三至四个元素通道出现高脉冲的个数。

图4-2 低合金钢样铝通道的火花图

2）另一种方法是通过比较不同通道的高峰之间的相关性，例如，铝和氧的通道同时出现高脉冲，便可知道夹杂物为 Al2O3 。这种相关性的元素还可能在两个以上，例如，铝、钙和氧之间的关系。（图4-3 ）

图4-3 低合金钢样品铝和钙通道火花图

图4-3 显示的是低合金钢样品中，铝和钙同时出现高峰的记录。对于这种情况，代表铝的高峰仅仅对于Al 2O3夹杂物，钙峰对应于CaO夹杂物。但是，如果铝和钙通道同时都出现高脉冲，则可认定是 Al2O3-CaO 夹杂物。

3）图 4-4 所示为 AlSi 样品的Spark-DAT分析的部分结果（Si12%）。火花图和含有某些元素（例如，Ti峰、B峰、Na峰……）及元素组合（例如，TiB、NaCl……）的夹杂物产生的相应信号值，能够证明样品中存在 TiB 2 和 NaCl 夹杂物。

图4-4 AlSi 样品多通道元素组合分析结果

通过比较通道组内（Spark-DAT的算法最多可计算4个元素）的相关性，还能测定钢中很多其他类型的夹杂物，例如，氧化物（TiO 2 、MgO…），硫化物（CaS、MnS,…），氮化物（TiN,AlN,…），碳化物（TiC,…），硅酸盐，尖晶石等等。
此方法不仅限于钢铁应用，夹杂物普遍存在于所有金属和合金之中，许多用于钢的检测原理也适合于其他金属检测，例如，在铝金属中，可以用 Spark-DAT 观察到氧化物（MgO，Al2O3，…），盐（MgCl2 , NaCl,…）, 部分耐火材料，氮化物（AlN, BN）和其他化合物。
3）在标准浓度分析的预燃阶段进行Spark-DAT信号采集。图4-5 所示为对铝样品同时进行浓度分析与夹杂物分析的顺序图。

图4-5 Spark-DAT铝样品信号采集分析

仪器将提供三种输出分析结果：

① Spark-DAT原始数据火花图（强度/时间-谱图），数据格式为 .txt 或 .csv。此数据可以被第三方软件使用。
② 被分析常规元素浓度，表格形式。
③ 经Spark-DAT对夹杂物产生的信号分析，以数量的形式进行数据处理的结果，其夹杂物包含某些元素和某些组合元素，表格形式。
Spark-DAT信息与光谱分析的预热同时进行，分析时间从29秒降至23秒。仅Spark-DAT 约7-8秒，光谱分析约20秒，Spark-DAT+光谱分析约23秒。可以看出平行分析几乎无需额外时间。这对分析时间要求较高的生产过程非常重要。

2、钢洁净度分析

洁净度一般通过统计夹杂物的尺寸和性质而得出，有很多方法可用于洁净度的测量。Spark-DAT 是一种测量金属洁净度的简便方法。通过对关注通道（铝，钙，镁等）的强度记录中高脉冲进行统计，计算出高脉冲出现的个数。在多数情况下，高脉冲的数量与夹杂物的个数具有很好的相关性，因此，也与常规法得到的洁净度高度相关。

图4-6显示了铝镇静钢在不同生产阶段铝（蓝色）和钙（红色）的变化情况，值得注意的是铝图说明了Spark-DAT 是如何得到洁净度的。

图4-6 铝镇静钢火花图

在上述4个样品中，用一种算法来计数高脉冲，甄别水平设为4000，样品A 是在未作任何处理的阶段取的样，计数的高脉冲为4个，样品B是经过第一次处理后取的样，测出的铝高脉冲有30个。处理时将金属铝加到钢液中是为了除去溶解在钢中的氧，加入的铝会形成氧化铝颗粒，从图中可以看出，处理过的B样中夹杂物比未经处理的A样要多，这些夹杂物随后会上浮到钢渣中。
样品C是在对钢水进行第二次处理后取的样，观察到2个铝高脉冲，少于经第一次处理后样品中的高脉冲数，这是因为经第一次处理后的钢液中溶解的氧已经减少，大多数铝夹杂物已经上浮到钢渣里，故在成品样D中没有发现高脉冲，该样品不仅在4个样品中氧含量最低而且洁净度最高、铝夹杂物最少，颗粒也最小。

3、测定钢中氧

由于样品有可能受到各种各样的污染，测量钢中低含量的氧并不容易，因为钢中的氧绝大部分都以氧化物的形式存在，所以样品中氧的含量与氧化夹杂物（氧化铝、氧化钙、氧化镁等）的量是相关的，图4-7所示的是一组轴承钢样品用燃烧法分析得到的氧与 Spark-DAT 得到的夹杂物计数之间非常好的相关性。

图4-7 Spark-DAT 测定钢中氧

8次测量结果标准偏差提供了非常有价值的信息，反映了钢中夹杂物族的同质性。样品一定要经过数次分析，这样才能使结果在统计上代表所测量的区域。

4、酸溶/酸不溶分析

对低合金钢样采用算法“Peaks ”（峰值）和算法“Composition ”（成分）进行Spark-DAT夹杂物分析。从图4-8可以看出，样品1大部分为Al2O3、CaO、CaS等钙氧化物和钙硫化物。样品2大部分为Al2O3 、Al2O3 ·CaO、CaO、CaS等钙铝酸盐和铝氧化物，以及较少的钙氧化物和硫化物。对同级而言，拥有几乎相同的分析浓度，但夹杂物含量不同。

图4-8 Peaks & Composition 算法应用举例

在线处理获得500-2000个强度成分（运行5次平均值）

对于Al添加物的脱氧过程中，Al生成尖角型的Al2O3 夹杂物，过多的Ca-Si可形成CaS夹杂物，降低了钢水的流动性，容易造成喷嘴的堵塞，引起铸造过程中诸多问题。利用Spark-DAT在线监测 Al2O3、 Al2O3·CaO、CaS（图4-9），通过Ca-Si合金添加物把Al2O3 变成球状 Al2O3 ·CaO，这样通过控制夹杂物的形态来改进钢在连铸中的可铸性。并且可提高洁净度，节约添加剂，减少堵塞，延长喷嘴的寿命。

图4-9 Spark-DAT在线监测Al2O3, Al2O3·CaO、CaS

因为夹杂物严重影响金属性能，所以在许多金属工业中，夹杂物的检测至关重要。Spark-DAT 可以帮助生产厂家对夹杂物进行控制，从而提升产品质量，降低生产成本。

五、【Spark-DAT 硬件简介】

Spark-DAT硬件是一块电路（采集）板，它不是仪器的基本配置，是一个附加的选购件，安装了Spark-DAT软件和硬件，采用单火花分析比单纯的数据采集更精确。这个选购件主要是作为一种数据工具使用，Spark-DAT采集板是从IVFC/TRS板通过几根专用电缆连接至互联板而得到数据的。图5-1显示了IVFC/TRS板在电子柜所安装的位置。

图5-1 IVFC/TRS板在电子柜所安装位置示意图。

IVFC/TRS板（或 IVFC扩展板）采集PMT（光电倍增管）的信号，完成电流-电压-频率转换功能，并将信号转换成计数用的频率。一块IVFC板可控制6个通道，电子柜最多可安装10 块板（60个通道），两种板（IVFC/TRS板或 IVFC扩展板）可以混装，但在换板时替换板必须是同一种板。

图5-2显示多根专用电缆与互联板的连接实物图，电缆从IVFC/TRS板将数据通过一个互联板送至Spark-DAT采集板，Spark-DAT采集板（16个通道或32个通道视需要而定）位于计算机内，外部是不可见的。

图5-2 IVFC/TRS板连接电缆实物图

图标注解：
1、互联板—仪器和位于计算机内部的采集板之间的媒介。
2、触发器信号电缆，为Spark-DAT采集板提供同步信号。
3、Spark-DAT信号电缆，从IVFC/TRS板得到的单火花信号，通过互联板送至Spark-DAT采集板。
4、ISI-2电缆，此电缆用于从仪器到计算机之间的16个或32个Spark-DAT信号通道的信息传递，电缆通往仪器背后与电力分配柜在一起。

六、【Spark-DAT 操作】

在分析方法中加入Spark-DAT算法的操作如下：
1. 在“ Method ”面板中，选择要加入Spark-DAT算法的方法。
2. 选择 “Periodic Table”（周期表）标签。
3. 在 “External Components”（外部组件）框内，选择“Spark-DAT Algorithms”（Spark-DAT 算法）文件夹，该文件夹被打开。
4. 点击 “Add Elements”（添加元素），打开 “Add Components”（添加组件）对话框。
5. 在算法栏点击 “Edit”（编辑）按钮，打开“Spark-DAT Formulae Edition”（Spark-DAT 公式版本）对话框。
6. 选择Spark-DAT功能和其它的参数。
7. 点击 OK 关闭“Spark-DAT Formulae Edition” （Spark-DAT 公式版本）对话框。
8. 点击 OK 关闭 “Add Components”（添加组件）对话框。
9. 在 “Periodic Table” 表单的 “External Components”（外部组件）框中，Spark-DAT Algorithm（Spark-DAT 算法）现在已被添加到“Spark-DAT Algorithms” （Spark-DAT 算法）对话框中。
【注意：如果选择的是Spark-DAT通道，无论是元素通道还是虚拟通道，只有上述对话框的“曲线度数”组框可用，所有其他组框都将变暗。】

七、【结语】

Spark-DAT 的应用使直读光谱元素分析得到了显著的改善，在取代那些由夹杂物存在状态决定钢材特性或性质所进行的分析，其潜能是巨大的。例如，如果能用Spark-DAT监控那些影响某种钢材疲劳特性的夹杂物，那么就可用快速、经济的Spark-DAT来取代耗时、耗资的疲劳试验。
Spark-DAT是一种多维技术，夹杂物的直径表面分析，平面分析技术所看到的夹杂物的尺寸往往比实际更小，而Spark-DAT所观察夹杂物的尺寸则要好的多。除标准的元素定量分析外，对夹杂物进行评估无需额外的操作及维护费用，标准的OES样品制备方法同样适用于Spark-DAT。此外，Spark-DAT 还能提供关于铝合金中的金属间化合物、固溶体和析出物的组成和分布等新信息。
尽管近几十年来直读光谱分析技术是钢铁工业中应用最广的一种分析技术，但直到Spark-DAT技术在 C、N、O、P、S 分析领域和夹杂物分析应用，直读光谱分析技术潜能才得到重大的发展，并使之受到广泛的关注。各钢铁企业都在努力提高生产力，控制成本和改善产品质量，而Spark-DAT技术的最新发展，恰好能帮助生产厂家实现这些目标。

在过去的十多年里，Spark-DAT在钢铁工业中分析夹杂物已得到广泛的应用。并已被一些钢铁制造商采纳作为标准技术（宝钢、武钢、首钢、鞍钢、邯钢、攀钢，POSCO, JFE, Voest Alpine, Riva, Arcelor-Mittal …）。如今，在众多的夹杂物分析仪器中，配置Spark-DAT的 ARL 4460直读光谱仪应该是分析速度快、非常适于对金属精炼过程中的夹杂物进行控制的仪器之一。

2020年8月24日