【技术前沿】钢铁材料的快速分析方法和装置

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采用CL方法的夹杂物识别

钢中的非金属夹杂物不仅能引起连铸过程中的水口堵塞，成为拉丝和绞线工序中破断的原因等，而且，还有可能引起疲劳断裂、氢致裂纹、耐蚀性降低、低温脆性和表面缺陷等产品质量问题。因此，在钢铁生产中，夹杂物分析是重要的工序。夹杂物引起的这些问题取决于夹杂物的种类、大小和形状，因此，夹杂物的分析需要测定夹杂物的种类、大小和形状。常规而言，夹杂物的分析广泛采用显微镜法和EPMA相结合的分析方法。但这种分析大约需要一周的时间，所以希望开发一种快速分析夹杂物的方法。

为此，研究人员采用CL法，进行了快速进行夹杂物分析的研究。因为没有可以获得CL图像和频谱的廉价装置，因此将市场上销售的扫描电子显微镜进行改造，制作了图1所示的CL装置。用该装置测定了含有氧化铝（Al₂O₃）和尖晶石（MgO-Al₂O₃）夹杂物的钢铁试样。氧化铝和尖晶石被称为硬质夹杂物，易导致钢铁材料表面裂纹和拉丝中断，以及连铸水口堵塞等，因此，检测这些夹杂物很重要。观察CL图像发现，氧化铝发出蓝色光，尖晶石发出绿色光。该CL图像的曝光时间在极短时间就可以测定，因此，CL法可以说是能够快速识别夹杂物的方法。

02

采用CL法检测钢渣中的游离CaO

日本钢铁企业产生的钢渣中有40%以上被作为道路用路基材料再利用，如果钢渣中残留游离CaO，游离CaO与雨水和大气中的水分及二氧化碳反应，生成Ca(OH)₂和CaCO₂，体积膨胀，是造成路基破坏的原因。因此，测定钢渣中的游离CaO很重要。游离CaO的测定方法中应用最广泛的是，使钢渣溶解在乙二醇溶液中，使用原子吸光或高频感应耦合等离子发光分光分析法测定溶液中Ca浓度的方法（乙二醇法）。该方法中，Ca(OH)₂也被提取到乙二醇中，所以提出了将热重量分析的Ca(OH)₂的定量和乙二醇法结合的方法。但是，不管哪种分析法，在复杂的分析顺序和溶媒提取上都需要熟练的分析技术，因此，希望开发简单的游离CaO测定法。

为此，研究人员进行了采用CL法是否可以简单测定游离CaO的研究。首先制备了含有游离CaO的模拟渣，获得CL图像后，检测到游离CaO发出强橙色光，在600nm附近存在引起CaO中含有的Mn²⁺发光峰值（图2）。其他区域存在2CaO-Fe₂O₃、FeO、3CaO-SiO₂，但没有检测到发光。因此，确定了可以从发光颜色分辨出游离CaO和钢渣中含有的其他矿物相。在此，介绍了通过拍摄CL图像，游离CaO定性的测定法。目前，正在确立从发光区域定量游离CaO的方法，还进行了用CL法检测与游离CaO同样导致路基材料膨胀的游离MgO的研究。

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未来展望

目前的研究是采用试剂制备的模拟试样进行测定，今后将进行实际试样的测定，确认CL法的实用性。照射源使用X射线代替电子束，也产生与CL同样的现象，称为X射线励磁发光。若使用X射线，在大气中也可以进行测定，因此，有可能可以现场和在线进行分析。因此将着手开发利用X射线励磁发光的小型装置，并提出对钢铁分析有用的新的方法和装置。