王 楠 童曉旻 高春英

(東北大學(xué) 分析測(cè)試中心，沈陽(yáng) 110004)

0 引言

高頻燃燒紅外吸收光譜法測(cè)定鋼中碳硫是較為普遍也較為成熟的碳硫分析方法[1-2]，所分析的碳的范圍多數(shù)在0.10%～4.3%，硫的范圍0.05%～0.30%[3]。隨著市場(chǎng)對(duì)鋼材優(yōu)質(zhì)化和品種多樣化要求不斷提高，各種新型鋼種特殊鋼種不斷出現(xiàn)，這些新鋼種的雜質(zhì)元素很多都要求控制在μg/g級(jí)[4]，因此對(duì)鋼中超低含量碳硫的準(zhǔn)確分析，是科研和生產(chǎn)活動(dòng)的迫切需要，同時(shí)也對(duì)未來(lái)出現(xiàn)的新鋼種中超低碳硫的分析具有一定的指導(dǎo)意義，目前對(duì)鋼鐵中超低含量碳硫的分析有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，柳軼男[5]等對(duì)影響鋼鐵中碳硫分析的相關(guān)因素進(jìn)行了探討建立了最佳分析條件，并對(duì)碳含量0.08%，硫含量0.027%的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行了測(cè)定，取得了滿意效果，劉金祥[6]等通過對(duì)氧氣凈化、坩堝預(yù)處理等條件的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了對(duì)碳含量0.027%，硫含量0.013%的標(biāo)準(zhǔn)樣品的準(zhǔn)確測(cè)定，相關(guān)的報(bào)道還有很多[7-10]，在吸取前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)鋼鐵中超低含量碳硫的測(cè)定進(jìn)行了更加詳實(shí)的研究。

1 原理

高頻燃燒紅外吸收光譜法就是將樣品送入高頻振蕩強(qiáng)磁場(chǎng)內(nèi)，由于電磁感應(yīng)效果，樣品中的分子、通過電子高速振動(dòng)產(chǎn)生熱，在極短時(shí)間內(nèi)能把樣品加熱到所需要的溫度，在氧氣氛圍內(nèi)燃燒，試樣中的C，S元素和氧反應(yīng)生成少量CO大量CO2和SO2，分析氣體隨載氣進(jìn)入氣路系統(tǒng)，先到達(dá)SO2檢測(cè)池進(jìn)行S的檢測(cè)，隨后通過熱的氧化銅，將少量CO轉(zhuǎn)換成CO2；SO2轉(zhuǎn)化成SO3被纖維棉吸收，然后，試樣氣體通過CO2紅外檢測(cè)池檢測(cè)C含量。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器和試劑

LECO CS230紅外碳硫分析儀(配天平)。

氣體：氧氣(純度>99.92%)、氮?dú)?純度>99.99%)。

助熔劑：鐵助熔劑(ωC<0.0005%，ωS<0.0005%)、鎢助熔劑(ωC<0.0008%，ωS<0.0005%)、錫助熔劑(ωC<0.001%，ωS<0.0005%)、鎢錫助熔劑(ωC<0.0008%，ωS<0.0005%)。

碳硫分析專用陶瓷坩堝(Ф=25 mm)。

2.2 儀器預(yù)熱及調(diào)試

主機(jī)通電預(yù)熱1 h后，將高頻爐和氣體凈化器通電繼續(xù)預(yù)熱0.5 h，打開測(cè)量軟件，進(jìn)行漏氣檢查，若漏氣檢查通過儀器即可開始進(jìn)行分析。

2.3 樣品的測(cè)量

稱0.5 g某已知碳硫含量的鋼鐵樣品，加入1.5 g純鎢助溶劑，放入儀器進(jìn)行測(cè)量，反復(fù)這樣操作若干次，使儀器對(duì)碳硫的吸附達(dá)到一種平衡再開始標(biāo)準(zhǔn)樣品及樣品的測(cè)量。按前述操作方法選擇一組合適的標(biāo)準(zhǔn)樣品繪制校準(zhǔn)曲線，并進(jìn)行未知樣品的測(cè)量。

3 結(jié)果與討論

3.1 氣體的凈化

普通的工業(yè)氧可能會(huì)有少量的有機(jī)物、CO等雜質(zhì)，在燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生CO2和H2O，產(chǎn)生的CO2會(huì)使碳的測(cè)量結(jié)果偏高；而產(chǎn)生的H2O對(duì)4.5～7.5 μm的紅外線均有吸收，一方面會(huì)影響硫的測(cè)定，另一方面也會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的拖尾現(xiàn)象增加分析時(shí)間。為了使測(cè)定更加準(zhǔn)確，我們配備了CF10氣體凈化裝置，對(duì)進(jìn)入爐內(nèi)的氧氣進(jìn)行凈化，既得到了較滿意的分析結(jié)果，又降低了儀器本身高氯酸鎂的更換頻率，大大降低了成本。

3.2 坩堝的處理

碳硫分析專用坩堝由于吸收水分和受到空氣中CO2和粉塵的污染，是空白值的主要來(lái)源，通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)經(jīng)過預(yù)燒的坩堝空白值可下降60%左右，分別采用兩種方式進(jìn)行預(yù)燒實(shí)驗(yàn)，一是1 350 ℃下燒45 min，二是1 000 ℃燒4 h，實(shí)驗(yàn)證明這兩種預(yù)燒方式在降低空白值方面達(dá)到的效果是一致的，為了減少分析時(shí)間節(jié)約能源，實(shí)驗(yàn)選擇1 350 ℃下燒45 min這種方式，預(yù)燒后的坩堝冷卻后放于干燥器中存放，并在45 min內(nèi)使用。

3.3 試樣的處理及稱樣量的選擇

由于鋼鐵樣品一般是經(jīng)過車、鉆等加工過程得到，在試樣的加工和傳遞過程中可能受到污染，這種污染對(duì)超低碳硫含量的鋼鐵樣品來(lái)說影響非常大，因此我們?cè)诜治鰳悠分跋葘悠吩诒星逑磾?shù)分鐘，并在70 ℃烘干待用。

由于鋼鐵中含量較低的元素可能存在偏析現(xiàn)象，所以稱樣量太小，樣品代表性不好，且稱樣量太小，由天平引起的稱量誤差太大；但稱樣量太大，消耗助熔劑太多，成本增加且存在燃燒不完全的可能，綜合考慮選擇稱樣量為0.5 g。

3.4 助熔劑種類及用量的選擇

助熔劑的種類和用量是關(guān)乎分析結(jié)果好壞的關(guān)鍵，考察了鎢助熔劑、錫助熔劑和鎢錫助熔劑，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鎢助熔劑反應(yīng)速度快、燃燒穩(wěn)定、無(wú)粉塵、碳硫釋放曲線平滑、結(jié)果精密度準(zhǔn)確度均較好；錫助熔劑產(chǎn)生大量粉塵，且結(jié)果的精密度和準(zhǔn)確度較差；鎢錫助熔劑的效果介于兩者之間。助熔劑的空白值也是選擇助熔劑的考慮因素之一，在相同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)上述三種助熔劑空白值進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果見表1。

表1 助熔劑空白值測(cè)定結(jié)果Table 1 Determination results of the blank value of fluxing agents /%

從表1中可以看出，三種助熔劑的空白值中，除錫助熔劑的碳空白值較高外，其它均滿足超低碳硫含量的測(cè)定要求，從燃燒效果和空白值兩點(diǎn)考慮，實(shí)驗(yàn)選擇鎢助熔劑，考慮到鎢助熔劑在空氣中放置后可能會(huì)吸附少量氣體，在使用前將鎢助溶劑在140 ℃下烘3 h冷卻后放入干燥器中待用。

在確定助熔劑種類后，我們又對(duì)助熔劑用量進(jìn)行了考察，稱取0.5 g樣品，在其上分別覆蓋0.5，1.0，1.5，2.0，2.5 g鎢助熔劑，按照儀器設(shè)定的工作條件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表2。

表2 助熔劑用量試驗(yàn)Table 2 Test of amount of the fluxing agents (n=5) /%

從表2看出當(dāng)助熔劑用量是樣品質(zhì)量的2倍及以上時(shí)，碳硫均能得到準(zhǔn)確且精度高的測(cè)定值，綜合考慮成本及儀器維護(hù)等因素，選擇鎢助熔劑的用量為(1.5±0.05) g。

3.5 分析時(shí)間及比較器水平的選擇

分析時(shí)間和比較器水平是兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的量，較高的比較器水平可以縮短分析時(shí)間，比較器低盡管可以包含更多的試樣氣體，但會(huì)使分析時(shí)間顯著增加，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)比較器水平設(shè)為1%，分析時(shí)間設(shè)為45 s可以把全部有效的輸出值收集起來(lái)，達(dá)到最佳的分析效果。

3.6 樣品的測(cè)定

在確定的最佳實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)超低碳硫含量的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果見表3。其測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值基本吻合。

表3 標(biāo)準(zhǔn)樣品分析結(jié)果Table 3 Determination results of standard samples /%

4 結(jié)語(yǔ)

通過各種條件的優(yōu)化建立了鋼鐵中超低含量碳硫的測(cè)定方法，該方法分析速度快、準(zhǔn)確度高、精密度好，完全能滿足生產(chǎn)、科研中對(duì)超低含量碳硫的分析測(cè)試需要。

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