主题：【第十五届原创】简介ARL iSpark直读光谱仪对铝及其合金中微量夹杂物的超快速分析（9月）

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发表于：2022/09/16 21:39:58 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

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【第十五届原创大赛】简介ARL iSpark直读光谱仪对铝及其合金中微量夹杂物的超快速分析（9月）

一、【前言】

赛默飞公司继ARL MA/3460/4460直读光谱仪之后，推出了ARL iSpark（简称iSpark ）系列新型高端直读光谱仪，iSpark直读光谱仪采用了先进的Spark-DAT（Spark 数据采集和处理）分析技术，能够更好的为用户提供更为广泛及更为准确精细的直读光谱仪检测方法。

iSpark系列直读光谱仪采用PMT独立光学系统或CCD/PMT双重光学系统，该系列系列直读光谱仪具有单/多基体配置，非常适合铸造和金属加工厂商的冶金样品检测。同时也是实验室研究、金属回收、检测机构及任何通用性常规元素分析的理想仪器，尤其是在夹杂物分析，金属研发，光谱研究，更具有其样品检测的灵活性。以此来保证用户的生产效率和质量控制目标。

本文简单介绍iSpark直读光谱仪与Spark-DAT方法结合，为材料分析提供一个多用途解决方案。从常规材料到铝中的微夹杂物、过程控制、定性尺寸分布、纯净铝夹杂物分析、铝及其合金的分析技术。iSpark直读光谱仪发挥出了良好的功能和特性。并且还适用于在恶劣的分析环境下，对铝及其合金中的微夹杂物进行超快速分析，以实现冶金现场快速高效的需求。

二、【简介】

发射光谱法（OES）是一种快速、易于使用且具有成本效益的分析技术，应用于从生产到回收，从铸造厂到服务实验室的各种环境中的固体铝样品的元素分析。iSpark直读光谱仪作为高性能OES光谱仪，可为从痕量到合金元素的铝样品分析提供极高的精度和准确度。

Spark-DAT（Spark 数据采集和处理）方法可以实现超快速的夹杂物分析，由此大大扩展了其光谱分析的能力。在钢铁工业中，这些方法通常用于获取炼钢过程中有关夹杂物的信息。随着分析技术的提升和改进，扩展到了铝行业中的夹杂物分析。在铝及其合金中，夹杂物会影响诸如流动性、气孔率、机械加工性、表面形貌和力学性能等，因此对铝液中夹杂物的分析非常重要。Spark-DAT方法在iSpark直读光谱仪中的使用大大的提升了其分析的潜力，特别是可以取代或简化传统的夹杂物评估技术。

三、【优点】

使用iSpark直读光谱与Spark-DAT方法结合的使用具有如下优点:

1、除了元素浓度分析外，光谱仪还能够进行夹杂物分析。为此可以大幅降低夹杂物分析的经济成本。

2、在取样后即可快速获得夹杂物信息。这为金属加工的过程控制提供了非常有价值的参考信息。

3、夹杂物分析和相关样品制备的时间极短。样品及其制备与标准 OES 分析完全相同。

4、与标准的OES 光谱仪相比，无需额外的操作成本和时间。用于夹杂物分析的维护、服务和样品制备保持不变。

5、夹杂物分析与元素浓度分析同时进行，每小时可能分析超过 30 个样品。可以对 OES 分析的所有样品进行夹杂物分析。

6、更容易检测随机分布的外来夹杂物。且可以快速分析样品非常大的表面积。

四、【原理】

与 OES 浓度分析相比，Spark-DAT 方法使用了独特的处理原理。所有单火花的光强度值都经过特殊的数学处理，而不是被整合并转化为浓度。

单火花信号的强度取决于对应单个火花击中位置的样品成分。如果一种元素在烧蚀样品材料中的浓度显著高于其在基体中可溶形式的浓度，则结果是该元素强度峰值。当火花击中含有Ti（钛）基夹杂物（例如TiB2）的样品区域时，因为夹杂物的作用，使Ti的浓度比金属基体中的浓度要高的多。

为了更好地理解这一点，我们可以用数字来解释。TiB2颗粒中Ti的浓度约为69%，如果与样品材料一起烧蚀一个直径为5 μ m的球形夹杂物，则Ti的浓度会明显提高0.136%。

通过下面这张图可直接说明这一点：

平坦的、有噪声的基线信号强度与溶解在基体中Ti 原子的浓度成正比，峰值的强度取决于单个火花烧蚀的夹杂物中所包含Ti原子的数量。因此，峰值的数量与夹杂物的数量有关，其强度与夹杂物的尺寸和夹杂物中Ti的浓度等因素有关。

五、【实用方面】

Spark-DAT方法包括软件和专用算法，目前仅适用于PMT。使用SSA（单火花采集）采集的单火花强度，用于夹杂物分析和传统元素浓度分析，两种类型的分析可同时运行。通常在每个通道上获取数千个单一强度值，这使得Spark-DAT原始数据集非常庞大和复杂。此时，使用快速专用算法来计算与有价值信息对应的峰值数。然后，分析软件可以像处理传统的OES结果一样处理计算出的峰值。它们可以显示、打印、存储、传输、用于伪元素计算、检查产品规格等。

六、【分析时间】

Spark-DAT分析单次测量通常需要7s(包含2s Ar冲洗)。这种方式只推荐用于快速计算和确认夹杂物类型，以获取原始数据便于快速进行离线解释。然而，当结合浓度分析时，Spark-DAT分析提供了更多的选择性。在这种情况下，从开始分析到显示结果所用的分析时间平均如下表：

从表面上看，这些分析时间与标准元素分析时间相比没有什么差别，但多种夹杂物的分析情况已包含在其中，特别是在铝生产过程中，分析时间是非常关键的。

七、【使用背景】

采用Spark-DAT方法分析夹杂物具有以下优越性：

1、最重要的应用是铝及铝合金生产过程中的夹杂物分析。并且包含应用在来料或中间产品和成品中获得质量保证的控制。

2、通过在线监测夹杂物进行过程控制。夹杂物是指示过程变化的“过程标记或示踪剂”。借助Spark-DAT方法分析，夹杂物受到在线监控，从而提供了一种快速检测并能及时采取纠错措施的独特方式。

3、样品筛选。一天内可筛查数百个样品中是否有夹杂物。这非常有助于迅速解决关键的质量问题。在预防性方法中，可以对存档样品进行筛选，以验证之前生产并已发给客户的产品是否也存在质量问题。

4、替换冗长或昂贵的分析技术。Spark-DAT方法可以取代传统的夹杂物分析技术。如果可以在Spark-DAT夹杂物分析和常规分析技术的结果之间建立相关性，则该技术即可能成为替代测量铝或铝合金性能的分析技术，检测性能取决于其样品所包含的夹杂物（例如抗疲劳性）。

八、【组合算法】

Spark-DAT方法最简单的应用是使用峰值（peaks）算法计算出给定元素通道上的强度峰值。峰值定义为高于阈值的强度信号（Ipeak），该阈值位于溶解在基体中元素的平均强度（m）加上其三倍的标准偏差 SD ：

Ipeak > m + 3·SDI（基体）

计算强度峰值可以统计出包含该元素的夹杂物的数量和类型。如下图所示，通过比较夹杂元素通道上计数的峰数，可以轻松识别出纯净和非纯净铝样品。

组合算法允许计算重合峰值，即在同一单火花期间同时出现在多个元素通道上的峰值。Na和Cl通道上的峰重合意味着这两种元素是同一夹杂物的一部分，例如氯化钠（NaCl）夹杂物。在上图的示例中可以看出，纯净样品中没有NaCl重合峰计数，而非纯净样品中重合峰计数为96。

组合算法可以统计多达4个通道的重合峰。这样方可计算出复杂夹杂物在金属间相或夹杂物簇的化学组构。例如用NaKCaCl在含7% Si的AlSi样品中记录的几种元素的火花强度如下图所示。此外，除了重合峰计数之外，尽可能检查非重合峰计数，这样有助于消除夹杂物类型上的歧义。

注：Spark-DAT方法提供的其他算法，例如Spark-DAT方法可用于铝合金样品的可溶性分析。该算法评估某种元素的可溶性部分，并允许计算该元素可溶性部分的浓度。可溶性通常用于钢样品分析，以评价Al、B、Ca和Ti的可溶性部分。

九、【定性尺寸和尺寸分布】

对于了解夹杂物的尺寸，或者更详细的知道夹杂物的尺寸分布是很重要的，因为大尺寸夹杂物通常对金属质量最有害。峰值和合成两种算法也可以对不同强度等级的信号进行计数。由于峰值强度与夹杂物的体积有关，因此这些等级可以定性地视为尺寸等级。将门控阈值设置在基体中元素强度大于3·SD，可以计数所有可见的信号峰。若将其设置的更高，例如下图中所示的6·SD或9·SD，则只允许计算较大尺寸的夹杂物，分别高于6·SD或9·SD。

通过计算连续阈值之间的夹杂物峰值数，可以获得它们界定的尺寸等级中夹杂物的数量。在该示例中，3·SD ~ 6·SD之间的峰值数和重合数对应的是小尺寸夹杂物，6 ·SD~ 9·SD之间对应的是中等尺寸夹杂物，大于9·SD对应的是大尺寸夹杂物。这样的峰值计算结果可以定性的评估出夹杂物尺寸分布。

十、【使用Spark-DAT 方法检测夹杂物】

使用附带Spark-DAT软件的iSpark 光谱仪，可以直接或间接地在铝及铝合金中，观察到各种类型的内源性和外源性夹杂物，例如氧化物（Al2O3、MgO、CaO、FeO、MnO、SiO2）、尖晶石（MgAl2O4）、碳化物（TiC、Al4C3）、硼化物（TiB2）、氮化物（AlN）、盐（MgCl2、NaCl、KCl、CaCl2）、石墨、金属间化合物（Cr-Mn-Fe）及其他各种化合物（AlP、Mg3P2、硫化物、AlB2、Al4C4 B ）等。

夹杂物的检测主要受所使用分析线灵敏度、夹杂物尺寸及夹杂物元素在基体中作为可溶性元素浓度水平的限制。更高的线灵敏度和更低的可溶性含量允许测定更小的夹杂物。例如，在Ti含量为100 ppm的铝样品中，可检测到的最小ESD约为0.8 μm，而在Ti含量为 0.3% 的情况下，可检测到的最小ESD为1.5 μm。氧线的低灵敏度和作为基体元素的Al，解释了可直接成功观察Al2O3的原因。

十一、【在线分析】

Spark-DAT分析强度峰数和重合峰数的结果，可以与浓度值同时监测。 Spark-DAT的结果可以像任何标准OES结果一样进行处理（例如用于计算具有所谓伪元素的高级参数）、显示、传输和存储。

下图中OXSAS （应用软件）操作界面图显示了部分分析结果，包括元素测定和夹杂物相关信息（峰值数、定性尺寸分布—夹杂物尺寸等级“小”、“中”和“大”，以及重合峰值数等）。

十二、【离线调研】

Spark-DAT 强度数据可以存储在标准文本（.txt）或逗号分隔值（.csv）文件中。然后，这些文件可用于离线调研或学术研究夹杂物及开发新方法或新算法等。它们可以通过集成在OXSAS中的Spark-DAT查看器以图形方式显示出来（如下图所示），这是一个非常有用的工具，不但可以显示火花图和强度分布，而且还有助于搜索重合峰、设置夹杂物分析程序并完善其参数。它们也可以用作第三方程序的输入，在今后的OXSAS升级中可继续开发新的算法并改进现有的算法，以满足用户更多的实际使用需求。

十三、【样品制备】

铣削是推荐用于铝及其合金 OES 分析的表面处理技术，可确保样品表面清洁、无污染，是夹杂物分析的理想选择。

十四、【结语】

ARL iSpark直读光谱仪拥有的Spark-DAT方法增加了仪器使用的多功能性。从常规分析到科学研究，Spark-DAT方法为铝业的夹杂物分析提供了快速，简单且具有经济效益的解决方案。在当今铝工业中可用的所有夹杂物分析方法中，Spark-DAT方法是最快的。Spark-DAT方法可以简单的在几秒钟到几分钟内，对夹杂物进行超快速的在线计数、成分识别和定性尺寸分类等。这使得它在铝生产过程中对夹杂物的控制非常有效。

夹杂物分析技术可以与元素浓度的标准分析技术相结合。与标准OES光谱仪相比，样品及其表面处理以及仪器维护和耗材是相同的。这意味着与需要专用仪器的其他夹杂物分析技术相比，运行成本非常低。对于同一台iSpark直读光谱仪，即可同时获取元素分析信息和夹杂物状况信息，从而大大降低了投资成本。

2022.9.16