光谱仪维修之ARL光谱仪在铸铁生产中的应用及常见故障分析

光谱仪在铸铁生产中的应用已得到普及，世界上生产光谱仪的厂家主要有：瑞典ARL应用研究实验室公司、日本岛津、德国斯派克分析仪器公司、英国阿朗（ARUN）、中国北京第二光学仪器厂。其中瑞典的ARL型系列光谱仪用户占有比例较大，该型号设备故障率低，工作效率高，性能稳定。本文介绍了广西玉柴机器股份有限公司铸造厂使用的瑞典ARL3460/4460光谱仪的工作原理、在铸铁生产过程中的应用情况及常见异常处理方法。

1　光谱仪的工作原理

光谱仪的工作原理是基于原子发射光谱分析的基本原理：组成物质的各种元素被光源激发，会发射出各自的特征光谱，光谱线的强度与所属元素的含量有一定的函数关系，如果测量出各元素谱线的强度值，即可计算出该元素在物质中的含量。元素经激发产生的谱线，经出射狭缝照在其对应光电倍增管电阴极上，在高压电源作用下，将光信号转换成电信号（光电流），光电流强度和光谱强度成正比，积分电压与光电流的大小成正比，因此检测出积分电压的大小，就可表达出光谱强度的大小，并由工作曲线换算出元素的含量。图1为激发原理图：当某一能量施加到一个原子上时,一些电子就改变其轨道。当这些电子返回到原来的轨道时,以某一定波长的光形式恢复到精确的能量。这是一种原子现象,因此它实际上不受原子化学或结晶形式的影响。举个例子, 这表示用仪器可以测定钢中的含硅量；但是在发现硅时不能得到硅形态的任何信息。

图1 激发原理图

因而一个含有几种不同元素的试样将产生由每种元素的特定波长所组成的光。通过用一个色散系统将这些波长分开,就可以测定存在哪一种元素和这些波长中每一种波长的强度,这些强度与这些元素的浓度成函数关系。（用光电倍增管）测量这种发光强度，再用计算机处理这种信息，就能计算出有关元素的浓度。

2 光谱仪的组成

光谱仪由以下四部分组成：

（1）激发：给试样提供能量。

（2）光学系统：分离开不同的波长。

（3）电子装置：测量每一波长的发光强度。

（4）计算机：处理测量值和控制仪器。

3 铸铁生产中的应用

光谱仪在铸铁生产中的应用已有很长的时间，现在光谱仪也可以用来分析非金属元素，如C、S等，在样品的测试结果方面基本可以满足要求。但铸铁生产中如蠕墨铸铁和球墨铸铁对C、S非金属元素的含量控制非常敏感，需要准确测量铁水中C、S非金属元素的含量。因此在铸铁生产中铁水成分的控制除了用光谱仪检测铁水中的金属元素外，还需要用碳硫分析仪对非金属元素进行测量。光谱仪与碳硫分析仪的区别如下：两者的工作原理不同，一个是原子发射光谱分析，一个是分子红外吸收。如果用直读光谱仪来分析C/S，这两个元素的灵敏线都在远紫外区，而在远紫外区，由于分光器件和探测器光谱灵敏度等因素的影响，这两个元素的检出限不会很好。而碳硫分析仪职责不同，通过高频加热燃烧，生成的CO2和SO2，吸收光谱的灵敏度可以很高，检出限相对较低，几十PPM是没问题的。直读光谱仪在几十ppm可能都没有信号。

通常铸铁生产过程中光谱仪和碳硫分析仪一起使用，互补有无，才能准确控制铁水的成分。

在冲天炉-工频炉双炉熔炼中在冲天炉的回转前炉处按一定的频次取样检测冲天炉的铁水成分，用来指导后炉配料岗位及时调整炉料的配比。在工频炉进行精炼时需要取样检测是否达到出铁要求，出铁孕育后还要取样检测铁水的终成分。具体检测点见图2红圈所示。

图2 冲天炉-工频炉双炉熔炼流程图

在中频炉-工频炉双炉熔炼中则直接取样检测铁水成分，达到要求后才能出铁水，铁水经孕育处理后再取样检测铁水的终成分，见下图3红圈所示。

图3 中频炉-工频炉双炉熔炼

4 常见异常及对策

（1）异常现象：试样激发点为白点，见图4试样激发点对比图。

图4 试样激发点对比图

异常原因：这种情况多为氩气纯度不够或仪器内部管路堵塞所致。

解决办法：

①对于氩气纯度不够可以更换气瓶或将氩气净化器净化吸附柱再生；

②对于一起内部管路堵塞问题，可以对氩气管路进行检查、清理，重点应放在氩气激发台下“U”型管和其上的电磁阀部分，该部分管路较细，易发生堵塞。

③废气排气管堵塞也会导致上述现场。

（2）异常现象：激发声音不连续，中间有间隔，逻辑控制板上红灯亮。

异常原因：这种现象多来自辅助间隙由于长期使用内部积灰太多，长此以往，会使辅助间隙边缘放电，导致损坏。

解决办法：拆下激发台下的辅助间隙，用酒精棉签清理即可。

（3）异常现象：

①描迹时，多数或所有元素通道未出现最佳位置；

②标准化时，各元素高低两个点强度差别不大，且校正系数αβ值异常；

③浓度分析时，标样仪器分析值与其化学成分偏差较大。

异常原因：上述异常现象产生的原因是由于操作者在描迹时出现失误，转错了描迹旋钮方向或圏数，致使出射波长偏离设置位置。

解决办法：将入射狭缝复原，再重新调整到出厂位置，进行描迹。

（4）异常现象：拆激发台清扫火花室，打了几个废点后，即进行标准化，某些元素校正系数αβ值异常。

异常原因：出现以上现象的主要原因：

①清扫火花室后，打了几个废点，未能将激发台内的空气完全赶走，导致标准化时，波长在200nm以下的元素的光强被空气吸收，从而使其校正系数αβ值失真；

②标准化所用高低标均匀性不太好，校正时，激发点少且挨得近，也易导致校正系数αβ值失真。

解决办法：

①用激发废点的办法来驱除空气，在清扫火花室后，先激发8个废点，然后再用一块较均匀生产样激发，观察碳的分析结果，诺碳的分析结果比较稳定且上下波动，则认为火花室内空气基本被赶尽；反之，则继续激发废点。

②对于均匀性不太好的高低标，校正时，可采用对角分析4点，且将4点分析结果平均，以消除高低标成分不均匀带来的影响。

（5）异常现象：在分析工作中激发正常，而且分析中某一元素的强度值没有发生变化。

异常原因：做疲劳灯试验，某元素通道信号值异常且不稳定；做暗电流试验，某元素信号也不稳定并且某元素标准化α值差异很大。中情况是某元素通道的光电倍增管底座已烧坏。

解决方法：更换光电倍增管底座，重新做描迹，标准化α值正常。

5 结束语

瑞典ARL应用研究实验室公司生产的ARL3460/4460光谱仪故障率低，工作效率高，性能稳定，得到很多铸造企业的认可。在铸铁生产过程中发挥重要的作用，是快速检测铁水成分的必备设备。只有充分了解设备的工作原理，加强设备的日常维护保养，才能降低设备的故障率。如果不注意日常保养，设备出现故障是在所难免的。所以要加强设备的日常管理，发现异常及时处理，提高设备的使用效率。

(摘编自：《铸造装备》2013年12月刊，

作者单位：广西玉柴机器股份有限公司）