光谱分析技术及应用.docx

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光谱分析技术及应用

光谱分析技术及应用

一、光谱分析的分类

1、原子吸收光谱法——也叫湿法分析。

它是以待测元素的特征光波，通过样品的蒸发，被蒸发中的待测元素的基态原子所吸收，由辐射强度的减弱程度，来测定该元素的存在与否和含量多少；通常是采用火焰或无火焰（也叫等离子）方法，把被测元素转化为基态原子。

根据吸收光波能量的多少测定元素的含量。

通常原子吸收光谱法是进行仪器定量分析的湿法分析。

2、原子发射光谱法——利用外部能量激发光子发光产生光谱。

看谱分析法就是原始的、也是最经典的利用原子发射光谱的分析方法。

看谱分析法在我国工业生产上的使用是在上世纪50年代，58年北京永定机械厂制造了第一台仿苏联技术的看谱仪，随后天津光学仪器厂成为我国大量生产棱镜分光的看谱镜基地。

上世纪80年代起，德国、英国、美国等国家，开始研制采用CCD（ChargeCoupledDevice电荷耦合器件）技术作为光谱接收器件的直读式定量光谱仪，德国以实验室用大型直读定量光谱仪为主；英国阿朗公司、美国尼通公司以便携式金属分析仪为主打市场。

近年来，德国、芬兰等国家研制生产便携式、直读定量光谱仪，分析精度在一定条件下可以替代实验室直读式定量光谱仪。

二、看谱分析的特点

1、操作简便，分析速度快。

2、适合现场操作。

3、无损检测（现场操作情况下无须破坏样品）。

4、检测成本低。

是便携式金属分析仪的1/30左右，是便携式直读定量光谱仪的1/40。

5、有一定的灵敏度和准确度。

三、看谱分析的方法：

定性分析方法，所谓定性就是判定分析的元素是否存在的分析。

严格的讲定性分析是根据某元素的特征灵敏线的出现与否，来确定该元素是否存在的分析方法。

那么，什么叫灵敏线呢？

某元素在某几个区域出现的几条与其它元素不同的特征线；或称“在较低含量情况下出现的谱线”，或者说是在某一范围内出现的谱线，叫做灵敏线。

半定量方法就是近似的估计元素含量的方法。

利用谱线进行比较，即通过含量%

亮度比较含量，就是与铁基线进

行比较，含量与亮度的对数成正

比关系。

（用来进行比较的铁基线

的亮度应不变。

）lgI（谱线强度）

四、看谱分析的一般步骤

1、分析前的准备

①辅助电极的分类及其选择：

a、材料：

铜、铁电极两种

分析钢铁一般选用铜电极，铁电极在高温下，氧化快，生成的氧化皮很厚，使激发受到影响，而铜电极不易氧化、散热效果好，光谱谱线清晰。

b、形状：

棒状和圆盘两种

棒状电极比较适合位置困难的部件的分析，但在燃烧过程中闪耀现象严重，且在使用过程中需经常清理；圆盘电极边缘面积大，可分析一段时间待边缘用完后再清理。

②试样的制备

需要去除油漆、氧化皮等，露出金属光泽。

③仪器的准备

a、先检查电源线、连接线有无破损，旋钮有无松动，亮度、波长调节旋钮及目镜转动是否灵活。

b、工作地点应有220伏电流容量大于10A的单相交流电源，电源插座必须接好地线，发生器接通电源前，必须将电源开关处于“关”的位置。

c、发生器接通电源后，安全指示灯亮，表明电源满足仪器要求可正常工作。

d、将看谱镜与发生器连接好，打开发生器开关，根据需要选择“电弧”“火花”开关，开机产生电弧，调节看谱镜亮度旋钮、波长手轮、目镜调节钮，分析间距，使谱线清晰，移动平稳，无变形。

e、当工作地点远离电源需拉临时线时，应注意临时线的容量有足够大（10A），工作时，电压下降不能大于10%。

④分析过程中应注意的问题：

a、分析过程中应注意燃弧的稳定性及燃弧时间，及时清理或更换已污染的电极。

b、发生器连续工作时间不能过长，较长时间工作时应注意冷却。

c、通电导线不宜过长，不应互相扭在一起或与其它金属接触，以免造成高频漏电，使电弧燃烧不稳定或无法燃烧。

d、应避免在强光或风大的时候观察。

阳光强烈，有漫反射光线进入谱镜，背景呈现灰色，判断困难；风较大时，电弧或火花会产生不正常闪动或漂移现象。

⑤安全注意事项：

a、发生器通电状态下，严禁接触电极；

b、更换电极时，应切断电源；

c、天气潮湿时，不宜在露天操作；

d、不要用手接触刚工作过的电极或试样；

e、两人操作配合好，不发生触电事故；

f、仪器不要碰撞，目镜用后应盖；

g、激发状态下，不要更换电源形式（电弧或火花）；

h、发生器损坏应及时修理。

2、定性与半定量分析

①定性分析：

根据元素的特征灵敏线的出现与否，来确定该元素是否存在。

特征灵敏线是指元素含量很低时也能出现的线。

只要在光谱中观察到某元素的二至三条灵敏线，就证明该材料中有这种元素，定性分析就完成了。

根据我们电站常用金属材料的特点，即中低合金钢（典型钢牌号12Cr1MoV、10CrMo910、钢102--12Cr2MoWVTiB、15CrMo），新型耐热高强钢（常见T/P91、T/P92、T122等，过去常见的有F11、F12、）、奥氏体不锈钢（18-8CrNi、TP304H、TP347H、super304H---加入3%铜和铌），结合我们看谱分析对合金元素（Cr、Mo、V、Mn、W、Ti、Ni等7元素）分析的要求，定性分析一般可在以下几个区域快速完成：

a、黄绿色区：

Cr

特征：

Cr5、Cr6线左侧有2根铁基线，右侧有4根间距几乎相等的铁基线。

Cr5Cr6Cr7

71727374757677

b、橙色区：

Mo、V、Mn

特征：

Mn9—Mn10—Fe—Mn11—Fe—Fe—Mo5—V11—Fe

Mn9Mn10Mn11Mo5V11（603.97）

9698

c、青绿色区：

W、Ti、Ni

Ti2TiTi3Ni3TiW2W3

37394143444546

②半定量：

用元素特征谱线的强度与可供比较的基体线强度的对比来测定该元素含量。

其依据罗马金公式：

I=acb

影响半定量分析结果准确度的因素：

a、工作条件应与分光标志要求一致，激发应稳定。

条件包括：

极距——电极类型，是铜、铁，圆盘、圆棒

光源类型——电弧还是火花

电流大小（一般5A）、预燃时间

b、第三元素的存在引起的干扰。

c、掌握适当的评定时机。

d、最好用几组谱线核对。

e、要适应不同色区的评定方法。

f、应避免强光照射。

五、看谱分析产生误差的原因

1、电极的污染：

①可转动或清理电极②燃弧时间延长至少半分钟2、试件表面的洁净情况：

氧化皮、油漆等，太厚打不出光谱

3、焊缝：

①激发部位：

应激发焊缝的中间位置。

②熔合比：

母材中有30%的合金元素进入焊缝。

所以对焊缝一定要半定量，分析时母材与焊缝的材质应完全一样。

4、铸件偏析（铸钢件容易存在元素偏析，分析时应多打几点）

5、激发条件（外界环境的影响）

六、看谱分析的实际应用

电厂常用耐热钢合金元素含量大致划分为以下几种情况：

Cr：

有＞10%、约1.0～2.5%两种。

Mo：

有0.25%、0.5%、1.0%三种。

V：

含量一般较低只有0.1～0.3%。

1、铬的分析

①低含量时（1.0～2.5%），看黄绿色区Cr5、Cr6、Cr7线。

Cr5Cr6Cr7

71727374757677

Cr5=72Cr约为1.0%

Cr5=73Cr约为2.0%

Cr6=72Cr约为2.5%

Cr含量＞0.5%时，Cr7线就出现。

②高含量时（＞10%），看青色区Cr1线。

V8Cr1

3132

注意：

HT7（9%Cr-1%Mo）的分析。

不锈钢不需要定量。

③其它元素的影响

W＞1%、Mo＞0.5%时，Cr的含量约偏低0.1%左右；

当C＞1%时，Cr的含量也会降低。

2、钼的分析：

看黄色区Mo3、Mo4线。

Mo2Ti5Ti6,W4Mo3Mo4

8384878889

Mo2线与铁基线重合，很亮。

Mo2线不能定量，只能定性。

①Mo含量为0.25%时，Mo3线出现，且比旁边的铁基线（简称近铁线）暗一些，Mo4线隐约可见，不明显；

②Mo含量为0.5%时，Mo3线与近铁线亮度近似，Mo4线清晰但亮度低于87、88；

③Mo含量为1.0%时，Mo3线远亮于近铁线，Mo4线亮度与87、88近似。

注意：

Mo有闪耀性，需稳定后评定，但连续激发不应超过2分钟，可在2～3处分析后取平均值。

3、钒的分析：

V含量多为0.15～0.3%。

1紫色区V1、V2、V3线，此处有3条明亮的铁基线，且前面的距离约为后面的2倍。

V1V2V3

有V1线而无V2、V3线时，含量＜0.1%。

V1、V2、V3线同时出现，含量＞0.1%。

②兰色区V8线

V8Cr1

3132

当V8线出现时，其含量＞0.1%。

注意：

预燃时间应小于2分钟，且W、Mo、Cr对其有影响。

4、锰的分析

①低含量（0.05～0.8%）时，可不看，视为碳钢。

②中含量（0.X～1.X%）用Mn9、Mn10、Mn11判定。

Mn9Mn10Mn11Mo5V11

9698

③高含量（1～17%）时用Mn8判定。

注意：

Cr、Ni、Ti对Mn元素的测定有影响。

5、镍的分析

闪耀1分钟后稳定，分析时间应在1～3分钟之间。

6、钛的分析

分析时间不应超过2分钟。

当Ni＞3%时，影响Ti元素的分析。

7、钨的分析

预燃时间60秒，常用W2、W3判定，Mn、Ti对其测定有影响。

当Ti＞0.5%时，W2左边Ti线出现。

Ti2TiTi3Ni3TiW2W3

37394143444546

七、仪器常见故障和排除

1、看谱镜常见故障和排除

①燃弧后通过目镜看不见谱线：

a、电极位置偏高或偏低；可重新调整电极的位置。

b、波长手轮处在3900～7000Å范围之外；应把波长手轮定在5000Å附近。

c、目镜或隔热玻璃等外露光学零件表面有灰尘、脏物或损坏，使光强减弱；应清除或更换。

d、如以上可能都排除，再从光轴上先检查外光路，然后再检查内光路。

②谱线歪斜：

谱线实际是狭缝经过物镜和光栅所成象，所以谱线歪斜必然是狭缝歪斜造成；可打开前盖板、松开紧固狭缝的螺钉、转动狭缝组，反复几次即可放正。

③视场光栏歪斜：

主要是光栏没有压紧或振松造成；可将光栏用万能胶直接粘在光栏座内，用目镜检查在未凝固时进行校正，要注意上面的指针，已防碰断。

④视场中谱线偏上或偏下：

这是因为光栅刻线与入射光轴垂直度发生偏差；先看棱镜的位置有无问题，如果正常，再调光栅后面二只螺钉，一只松，一只紧直到谱线位置正好，再将二只螺钉都拧紧。

⑤视场出现黑横线：

狭缝上有灰尘；应用火柴棒，用刀片削成扁平顺狭缝擦下，若移动比较棱镜黑线也跟着移动，则是比较棱镜上沾有灰尘，清洗一下比较棱镜。

2、发生器常见故障和排除

异常现象

产生原因

排除方法

安全工作指示灯亮，辅助间隙有火花，分析间隙无电弧

辅助间隙距离小，分析间隙距离大

调整两个间隙的极距

继电器失灵，或触电氧化

擦净继电器触电

按钮开关损坏

更换按钮开关

辅助间隙有火花，分析间隙无低频电流通过

导线虚接

检查导线接头，焊牢

电极接触不良

砂纸打光

电阻断路

更换或修理电阻

内部短路

清理线路，焊牢

燃弧断断续续不稳定

导线虚接

检查导线接头，焊牢

电板表面氧化

砂纸打光

辅助间隙氧化

发生器潮湿漏电

待干燥后使用

发生器内有不正常的嗡声

变压器受潮

干燥后使用

变压器发热

风扇吹冷

冒烟或产生胶木味

电源插头接触不良，导线短路

检修插头及导线使之良好接触

引燃回路漏电

采取绝缘措施

熔断器易烧坏，电弧不稳

限流电阻短路

加大电阻

限流阻值太小

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