冶煉行業(yè)中應(yīng)用到的紅外碳硫分析

摘要：鐵合金中的碳元素、硫元素的含量是衡量鐵合金品質(zhì)的重要技術(shù)指標(biāo)，也是冶煉過程中影響鋼水質(zhì)量的關(guān)鍵因素，本文主要介紹、歸納了常用鐵合金的紅外碳硫分析方法。
關(guān)鍵詞： 鐵合金；紅外碳硫分析

O．引言

      隨著機(jī)械、冶金工業(yè)的迅猛發(fā)展，產(chǎn)品技術(shù)含量進(jìn)一步提高，大量特殊材質(zhì)的鋼種被研制出來，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。而鐵合金作為爐前鋼水冶煉的重要原材料之一，它的品質(zhì)好壞將直接影響鋼水質(zhì)量。目前，常用的鐵合金主要有：錳鐵、硅鐵、鉬鐵、鉻鐵、釩鐵等品種。其中，錳鐵又可分為高碳錳鐵、中碳錳鐵；鉻鐵又分為高碳鉻鐵、低碳鉻鐵、微碳鉻鐵等。各類鐵合金較之于鋼材來說，基體各不相同，如何準(zhǔn)確快速測(cè)定鐵合金中碳、硫含量給檢測(cè)部門提出了更高的要求。準(zhǔn)確快速測(cè)定鐵合金中的碳、硫含量，既能控制住進(jìn)廠鐵合金的品質(zhì)，降低采購(gòu)成本，叉能對(duì)爐前冶煉鋼水碳硫成分精確控制．對(duì)確保鋼水質(zhì)量起到重要意義。
      大鍛所之前使用的檢測(cè)方法是氣體容量法，屬經(jīng)典碳硫測(cè)定方法，采用管式爐加熱，測(cè)定燃燒前后的氣體體積差，受瓷管和其他因素影響，最高燃燒溫度為1400℃ ，不能適應(yīng)不同材質(zhì)的熔化溫度要求，且加熱瓷管容易燒穿，分析時(shí)間較長(zhǎng)，分析結(jié)果受溫度和大氣壓影響，分析精度不高，隨著集團(tuán)公司鋼產(chǎn)量的不斷增長(zhǎng)。外購(gòu)材料的品種和數(shù)量增多。對(duì)復(fù)檢的準(zhǔn)確度和速度等都提出 更高的要求，該分析方法愈加顯得力不從心，迫切需要一種新設(shè)備、新方法來改變這種現(xiàn)狀。

1．原理

1．1 基礎(chǔ)理論
      紅外吸收法碳、硫測(cè)定儀當(dāng)前已為廣大分析工作者運(yùn)用，它靈敏度高，檢測(cè)下限低，檢測(cè)下限可達(dá)：C-0．6mg／L；S-0．3 mg／L。靈敏度C、S達(dá)0．01mg／L。這是氣體容量法不可能達(dá)到的。
      紅外線的波長(zhǎng)為0．70～1000um，屬于不可見光，分為三個(gè)區(qū)域。近紅外區(qū)為0．70-2．5um，中紅外區(qū)為2．5-25um，遠(yuǎn)紅外區(qū)為25～1000nm。絕大多數(shù)的紅外儀器工作在中紅外區(qū) 紅外線的特性接近可見光，所以也稱紅外光，它與可見光一樣直線傳播，遵守光的反射和透射定律。但它又不同于可見光，與可見光相比，它有三個(gè)顯著特點(diǎn)：第一，在整個(gè)電磁波譜中，紅外波段的熱功率最大；第二，紅外線能穿透很厚的氣層或云霧而不致產(chǎn)生散射；第三，紅外線被物質(zhì)吸收后熱效應(yīng)變化顯著，且易于控制。用紅外吸收法測(cè)定某物質(zhì)含量大小，必須其備兩個(gè)條件：一是該物質(zhì)能吸收紅外線能量，如極性分子的氣體CO、CO₂ 等都能吸收紅外光能量； 短該物質(zhì)吸收紅外線能量必須是選擇性地吸收某一特定的波長(zhǎng)的能垃，如而二 氧化碳吸收波長(zhǎng)為4.26um，二氧化硫?yàn)?.35um.
        根據(jù)紅外線通過待測(cè)氣體前后能量的變化與待測(cè)氣體濃度之間的關(guān)系，可近似地用朗伯-比耳定律表述如下：I=I₀e^KCL
        式中I-- 紅外線通過被測(cè)氣體后的能縫值；
              I₀ --紅外線通過被測(cè)氣體前的能量值；
              e--自然對(duì)數(shù)的底；
              k--被測(cè)氣體對(duì)紅外線的吸收系數(shù)；
              c--被測(cè)氣體的濃度；
              L-- 紅外線穿過被測(cè)氣體的厚度。
      由此可知，假如能測(cè)得I和I₀ ，便可求得氣體的濃度，這是紅外線氣體分析儀分析各種氣體含量的基礎(chǔ)之一。但由于測(cè)量I和I 很困難，目前所采用的紅外線氣體儀都采用雙光路系統(tǒng)，以比較的方法求得氣體的濃度。把金屬樣品置于陶瓷坩堝中，加入一定量的助熔劑，在氧氣氣氛中，經(jīng)高頻感應(yīng)爐加熱熔融，樣品中的碳和硫形成二氧化碳和二氧化硫，這兩種物質(zhì)在紅外光譜范圍內(nèi)具有特定的吸收波長(zhǎng)。在紅外線氣體分析儀的測(cè)量室未通被測(cè)氣體前，則通過測(cè)量室和參比室兩邊紅外光能量相等，這時(shí)測(cè)量?jī)x表指示為零。當(dāng)二氧化碳或二氧化硫通過測(cè)量室時(shí)，二氧化碳或二氧化硫吸收了紅外光能量，測(cè)量室和參比室兩邊的紅外光能量便不相等，紅外檢測(cè)器所接受到的紅外光輻射的能量減少，其減少程度與二氧化碳或二氧化硫的濃度有關(guān)。因此，測(cè)量紅外檢測(cè)器輸出值的變化，也就測(cè)量了碳或硫在金屬樣品中的含量。
1．2 樣品的燃燒
       樣品的燃燒是分析中首先要解決的重要問題。如果樣品燃燒不好，就不會(huì)有正確的分析結(jié)果。與儀器相配套的是HF高頻感應(yīng)爐 HF高頻感應(yīng)爐采用經(jīng)典的“三點(diǎn)式”電容反饋振蕩電路，電路簡(jiǎn)潔，易起振，振蕩穩(wěn)定。振蕩頻率為18MHz，感應(yīng)加熱速度快，瞬間可達(dá)到1900℃，1g樣品在3-5秒內(nèi)即可完全熔化。
       高頻爐熱量的來源與管式爐一樣，都是由電能轉(zhuǎn)化為熱能，但加熱原理不同。高頻爐是通過電子振蕩電路產(chǎn)生高頻電磁場(chǎng)，對(duì)樣品進(jìn)行感應(yīng)產(chǎn)生渦電流，從而產(chǎn)生焦耳熱，使樣品升溫熔化，所以稱為高頻感應(yīng)爐。樣品燃燒產(chǎn)生高頻輸出信號(hào)，燃燒完成后高頻感應(yīng)即停止，因而較管式爐省電、省時(shí)，同時(shí) 免除了管式爐長(zhǎng)時(shí)問高溫輻射之苦。高頻感應(yīng)爐的感應(yīng)線圈分為水冷和風(fēng)冷兩種。
      高頻爐對(duì)管式爐難于燃燒的特種樣品。如不銹鋼、高鉻鋼、高溫合金、中問合金、純金屬、礦石、爐渣、以及非金屬氧化物。均有較好的燃燒效果。
1．3 助熔劑的選用
       在碳硫分析中，助熔劑是必不可少的。加入一定量的助熔劑．一方面可降低樣品的熔點(diǎn)，使樣品易于燃燒；另一方面助熔劑在燃燒過程中，有氧化放熱作用，有助于樣品溫度的提高，鎢粒及其合會(huì)(如WSn、WfeSn等)是高頻爐常刖的助熔劑 鎢粒有較好的透氣忡和較高的熱值，燃燒不飛濺，具有降低碳硫釋放速度，穩(wěn)定碳硫分析結(jié)果的作用，燃燒后生成酸性三氧化鎢，對(duì)消除硫的吸附有良好的效果。
       工業(yè)純鐵也是一種很好的助熔劑，它在生鐵、鐵合金、不銹鋼、耐熱臺(tái)金以及其它特種材料的分析中有廣泛的應(yīng)用。
       三氧化鉬對(duì)消除硫的吸附比三氧化鎢有更好的效果，對(duì)于高鉻鋼、高錳鋼的分析，加入適量的三氧化鉬，能獲得理想的硫分析效果。錫粒也可用于高頻爐中，但加入量不宜過多(通常為0．3g以下，且需同MoO₃ 同時(shí)加入)，加入量過多。產(chǎn)生的粉塵也多，這對(duì)硫的分析是不利的。
      另外，氧化銅也是分析鐵合金的良好助熔劑，五氧化二釩在硫的分析中經(jīng)常使用。

2．試驗(yàn)

2 . 1 試驗(yàn)器材
       HCS878型高頻紅外碳硫儀氧氣(二重工業(yè)瓶裝氧)純度≥99 2％
2．2 試驗(yàn)條件
       分析軟件：紅外碳硫分析系統(tǒng)版本：5．0(德陽(yáng)市科學(xué)儀器廠)
       驅(qū)動(dòng)氣(氧氣)壓力：0．5MPa
       載氣(氧氣)壓力：0．07 MPa
2．3 氧氣的凈化
        氧氣的凈化對(duì)碳、硫分析是十分重要的。氧氣中通常含有水分和二氧化碳及少量碳?xì)浠�臺(tái)物等雜質(zhì)，對(duì)樣品燃燒和碳硫檢測(cè)都將產(chǎn)生影響，需要加以清除。對(duì)于紅外檢測(cè)來說，水分對(duì)硫的榆測(cè)影響更大，除了通常的吸附影響外，還由于水蒸氣對(duì)紅外線的吸收峰與SO₂ 的吸收峰十分靠近，而嚴(yán)重干擾硫的測(cè)定 所以氧氣的干燥對(duì)紅外檢測(cè)比其它檢測(cè)方法有更高的要求。氧氣中的水分的清楚多采用高氯酸鎂，二氧化碳采用堿石棉吸收。對(duì)于超低碳硫的分析。則需要采用超純氧氣凈化裝置。
2．4 試驗(yàn)結(jié)果
       碳硫分析中，最為關(guān)鍵的條件是試樣的燃燒狀況。試樣完全燃燒，二氧化碳、二氧化硫完全釋放進(jìn)入吸收池。這種狀況是碳硫分析的理想狀態(tài)。但實(shí)際操作過程中，很難達(dá)到百分之百的完全燃燒。為了盡可能的使試樣接近完全燃燒，我們的助熔劑都要求定量加入，且大多是混合助熔劑。力求使樣品在相同的條件下燃燒。而且，這種定量加入，對(duì)消除助熔劑的空白值的影響也是大有裨益。
       對(duì)不同的材料來說，由于其材質(zhì)的不同，燃燒效率、釋放速度迥然不同。這就要求我們對(duì)各類鐵合金區(qū)別對(duì)待。在清洗時(shí)間、預(yù)熱時(shí)間、加熱時(shí)間、分析時(shí)間等分析條件上找到一個(gè)最好的匹配條件。
       通過大量細(xì)致、繁瑣的條件試驗(yàn)。我們對(duì)幾類常用鐵合金從助熔劑配方、分析條件等方面，摸索、歸納除了一套卓有成效的分析方法，列表如下：

2．5 結(jié)果驗(yàn)證
2．5．1精密度試驗(yàn)
       選用有代表性的各種鐵合金標(biāo)準(zhǔn)樣品各一種，在各自的通道下，平行測(cè)定10次，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，試驗(yàn)的精密度、重現(xiàn)性良好。
2．5．2 準(zhǔn)確度試驗(yàn)
       我們對(duì)上述幾類鐵合金的分析方法進(jìn)行了大量的標(biāo)樣比對(duì)驗(yàn)證，以高碳鉻鐵和硅鐵(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì))為例，見下表：

        通過對(duì)上表的數(shù)據(jù)分析，所有測(cè)量值的分析偏差均小于GB223-87中規(guī)定的測(cè)世允許差。

3．結(jié)論

       紅外吸收法測(cè)定常用鐵合盒巾的碳、硫含量，具有快速、高效、準(zhǔn)確的特點(diǎn)， 要按照上述的試驗(yàn)條件，正確操作，完全能滿足生產(chǎn)需要，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)與實(shí)際生產(chǎn)的密切結(jié)合。