钢铁夹杂物的高效检测方法

【中天钢铁集团有限公司，2001 年成立于江苏省，生产商用车辆和工程机械用的钢部件。这些不同的行业对使用的钢材有着不同的要求，这就要求中天钢铁需要严格控制其炼钢工艺。飞纳电镜助力中天钢铁能够更快、更准确地识别在生产成品时发生故障的根本原因。例如，当汽车制造商拉钢丝时，钢丝帘线就会断裂，当这种情况发生时，钢被送回中天钢铁，由该公司的工程师分析导致断裂的夹杂物，包括成分、尺寸和位置等。】

钢铁是一种可无限循环利用的坚固材料，是现代经济的支柱。从交通系统的桥梁和交通工具，到为我们提供能源的风车和发电厂，钢铁对每个国家的日常生活都至关重要。随着人们对轻便耐用型钢铁产品的需求不断增长，如今的钢铁制造商正面临着生产更高品质钢材的压力，这类钢材包含了客户需要的特定性能。能够满足这些日益增长的高品质钢铁需求的制造商将为其产品开出更高的价格，并提高其行业的竞争地位。

市场上对高品质钢材的需求正在增长

随着制造商竞相生产更耐用、更轻便的产品，市场对高强度钢材的需求也在增加。如今，每年生产的 19 亿吨钢材中，大约有一半的钢材用于高强度应用中「1」。此外，先进的高强度钢和铁心硅钢市场正在快速增长，汽车制造商开始增加使用这类钢材以满足新的法规，并且能源供应商也开始扩大使用可再生能源。

以汽车工业为例。为了更具竞争力，如今的汽车制造商都面临着生产寿命更长、重量更轻的汽车的压力，任何部件出现故障都可能会削弱制造商的竞争力。

例如，在车轮和车轴之间旋转的钢球轴承，需要持续至少 10 万英里，而仅仅 50 微米的杂质都将可能导致轴承失效。在当今竞争激烈的市场中，钢铁制造商如果能满足汽车制造商对持久型钢材的需求，就能为自己的产品开出最高的价格，并提高自己的市场地位。

当今钢铁制造商面临着生产优质钢材的挑战

钢种类繁多，有 3500 多个品种，每一种都有不同的延展性、强度和其他性能。这些性能的变化部分是由于在生产过程中不慎进入产品的非金属夹杂物造成的，如果不加以控制，这些夹杂物会损害钢材的质量，甚至扰乱整个生产过程，直接造成利润损失和时间成本增加。

应用于不同场景的钢材需要保持不同的清洁度。例如，在汽车部件(如结构管)中，允许最多 100 微米的杂质夹杂物，然而在生产过程中，轮胎帘线中 15 微米的杂质就足以破坏该组件。

制造出理想性能的钢材需要严格控制钢材中的非金属夹杂物。无论是钢材制造商在进行钢材的制造过程中，还是后续部件制造商用来确定失效故障时，制造商都必须快速准确地了解夹杂物的数量、大小和化学成分。

在过去，研究人员使用光学显微镜来评估内部夹杂物的大小和数量，但是不能确定内部夹杂物的成分。因此，为了同时实现夹杂物大小、数量及成分分析，研究人员必须使用光学显微镜和扫描电镜（手动寻找）两种不同的仪器来进行观察和研究，光学显微镜用于钢制造过程中夹杂物形态的分析，扫描电镜用于手动寻找失效部件的夹杂物并进行成分分析，这两种方式明显增加了使用成本和操作的复杂性。

如果没有合适的检测方法和仪器来控制夹杂物，想要满足客户对高品质钢材的要求是非常困难的，甚至是不可实现的。为了制造下一代高强度钢，研究人员不仅需要快速获得更高质量的数据，还需要一个多功能的检测仪器，以准确地评估在各个生产周期中不同阶段的夹杂物。

飞纳全自动钢中夹杂物分析系统 Phenom ParticleX Steel 解决了这个问题，它可以提供快速、准确和完整的数据信息，以帮助钢铁制造商优化他们的生产过程，提高企业的利润和竞争力。

Phenom ParticleX Steel 小到可以只放置在一台桌面上，几乎任何实验室均通用，且不需要昂贵的场地改造费用。

作为 ParticleX 系列的三款产品之一，Phenom ParticleX Steel 专门为帮助钢铁制造商进行快速评估钢铁清洁度而设计，可以给钢铁制造商提供快速、准确、以及完整的数据信息，以帮助其进行更高质量钢铁的研究和开发。

此外，Phenom ParticleX Steel 是市场上专门用于夹杂物分析的六硼化铈（CeB6）信号源的扫描电镜。高亮度的 CeB6 信号源使得其可以对亚微米级的夹杂物进行表征，还具有比大多数钨灯丝 SEM 至少两倍的使用寿命。与可能突然失效并污染灯丝仓的钨灯丝 SEM 不同，CeB6 晶体会随着时间的推移缓慢降解，用户可以直观地查看灯丝使用时长并预测灯丝可能失效的时间节点，在操作期间便可以及时更换。

1. 集成 EDS，快速准确的失效分析

Phenom ParticleX Steel 的用户界面简单易用，使得用户可以快速和准确地找出部件失效的根本原因。在加载样品后不到一分钟的时间内便可以获得全屏的扫描电镜图像。然后，在此样品定位的基础上，用户可以快速放大，在高倍放大的情况下观察感兴趣的区域。

Phenom ParticleX Steel 使用户能够快速放大，以确定组件失效的根本原因。图中用户放大了一个 8.8 微米大小的夹杂物，观察了其大小和形态，以便进一步分析。

此外，Phenom ParticleX Steel 直接集成先进的能量色散 X 射线（EDS）分析，可在不到一分钟的时间内获得可靠、高质量的 SEM 图像。更重要的是，研究人员可以快速分析每个夹杂物的大小和位置，可以精确到 0.5 微米，同时还可以获得每个颗粒的元素组成。获取了夹杂物的大小、数量和化学成分信息，钢铁制造商可以针对特定应用和客户需求来优化其炼钢的工艺。

当放大找到目标夹杂物颗粒后，通过集成的 EDS 能谱探测器，可以进一步得到关于颗粒的化学成分信息。只需点击几下鼠标，就可以看到夹杂物颗粒，获得 EDS 能谱，并生成包含以上结果信息的数据报告。

使用 Phenom ParticleX Steel，用户可以放大一个夹杂物到高分辨率下，结合 EDS 能谱信息，可以快速识别粒子的大小、形态和化学元素。图中用户进一步分析了一个 23 微米大小的夹杂物的化学组成。

2. 三元图数据呈现，全自动化智能分析

Phenom ParticleX Steel 将钢材加工样品中的夹杂物分析实现全自动化，允许所有不同经验级别的用户在几秒钟内看到夹杂物的大小、形状以及化学成分。内置的模板和自动化方案使研究人员能够快速上手使用，随着他们对电镜越来越熟悉，也可以结合用户的具体需求制作个性化的定制方案。此外，简化的用户界面、简单快速的样品加载，结合行业特制的软件，几乎任何人都可以立即从该仪器获得高质量的结果，从而进行及时有效的故障分析。该仪器分析选定的区域，从所有的夹杂物颗粒中获得 SEM 图像和 EDS 能谱，并将数据显示为三元图，以便于直观分析。

案例: 了解喷嘴堵塞的过程

钢铁制造商面临的一个问题是，在铸造过程中，由于夹杂物成分的变化，会造成连铸机喷嘴堵塞，一旦发生堵塞，将消耗很高的成本。将钢从钢水包倒入浇注盘时，硫化钙夹杂物与氧气发生反应，形成铝酸钙和铝酸镁。因此，为了减少浇注盘的再氧化，利用扫描电镜分析了解这些化学成分随时间的变化，可以为钢铁制造商提供重要的研究方向。使用 Phenom  ParticleX Steel，钢铁制造商可以观察随着时间的推移，浇注盘再氧化的现象，以更好地了解喷嘴堵塞过程。

通过三元图显示的结果，冶金学家可以直观看出夹杂物出现在不同的时间点，以进一步观察再氧化现象，以便更好地了解喷嘴堵塞过程并优化炼钢工艺。

3. 结合统计模型，预测最大的夹杂物

钢铁制造商面临的另一个挑战是预测成品钢的失效率，大的夹杂物通常是发生失效的地方，但是由于大多数制造商每天生产大批量的钢材，因此不可能准确测量每一个夹杂物。使用 Phenom ParticleX Steel 可以测量足够大区域内夹杂物的尺寸、形态和化学元素，然后将这些数据输入统计模型，研究人员可以根据 ASTM E2283 标准对钢中非金属夹杂物进行极值分析，预测存在的大夹杂物并进一步预测总体失效率。如此一来，钢铁制造商在确认证钢铁产品质量的同时，也获得了优化钢铁制造过程所需的重要信息。

Phenom ParticleX Steel 与统计模型相结合，钢铁制造商可以根据 ASTM E2283 标准中的极值分析来预测大的夹杂物。

双重用途

Phenom ParticleX Steel 具有双重用途，它可以用于钢材制造过程中的夹杂物分析，同时可以进行部件制造后的失效分析。白天，研究人员可以在产品制造完成后，手动使用该仪器来确定失效件产生失效的根本原因（下方左图）。在夜间和周末，研究人员可以设置自动化的常规非金属夹杂物分析（下方右图）。总的来说，这种双重的用途为制造商提供了研究所需的完整信息的同时，节省了宝贵的时间，以促进加速开发更高质量的钢材。