溪洛渡等大型水電葉片和百萬核電轉(zhuǎn)子中氫、氧含量的測定

李立東 丁淑杰 張雅麗

（哈電集團(tuán)哈爾濱電機(jī)廠計(jì)量測試中心，黑龍江 哈爾濱150040）

1 研究意義。氫、氧是金屬材料中的有害元素。鋼中溶氫會(huì)引起鋼的氫脆、白點(diǎn)等缺陷，這種現(xiàn)象在合金鋼中尤為嚴(yán)重。鍛件中有了白點(diǎn)，使用時(shí)會(huì)發(fā)生突然斷裂，造成不測事故，這對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力機(jī)械是十分危險(xiǎn)的。鋼中的氧對(duì)鋼的機(jī)械性能有不利影響，它使鋼的強(qiáng)度、塑性均降低。準(zhǔn)確測定鋼鐵等金屬材料中氫、氧含量有助于提高我公司產(chǎn)品質(zhì)量。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑耗材等

ROH600氧氫分析儀（美國LECO公司）KQ-700VDE型超聲波清洗器（昆山）德國賽多利斯CP124S電子天平（靈敏度0.1mg）

萊博泰科H150-1500型冷卻水循環(huán)器，石墨套坩堝（常州、北京納克公司和LECO公司）。

LECO無水高氯酸鎂（24至48目）；LECO堿石棉（20至30目）；LECO氧化銅（20至30目）；鎳籃（7mm*12mm）研制單位：北京納克公司、沈陽金屬所、北京有色金屬研究總院和LECO公司）;美國ALPHA錫片（9T-7516）。普通氮?dú)猓?9.99%）；高純氬氣（≥99.999%）。

2.2 分析原理：

該儀器使用惰性氣體高純氬氣作載氣，脈沖電極爐將石墨坩堝電極加熱，通過改變電流和功率來控制加熱溫度，其爐子最高功率可達(dá)7000W約3500℃.當(dāng)試樣投入到已加熱的坩堝中后，試樣在惰性氣氛（氬）中被熔融，試樣中的氫以H2形式析出，氧和坩堝中的碳形成CO和少量的CO2，從爐中釋放出的混合氣體被載氣（氬氣）攜帶，通過加熱的稀土氧化銅，使CO氧化成CO2，H2被氧化為H2O，由H2O紅外檢測池檢測氫含量，1個(gè)CO紅外池和2個(gè)CO2紅外檢測池共同檢測氧含量，隨后再經(jīng)堿石棉吸收CO2和無水高氯酸鎂吸收H2O。紅外吸收池所得電信號(hào)經(jīng)微機(jī)的數(shù)學(xué)運(yùn)算直接輸出氧、氫的含量（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。

3 結(jié)果與討論

3.1 試樣的制備和實(shí)驗(yàn)環(huán)境

3.1.1 試驗(yàn)環(huán)境。氧、氫的測定極易受到環(huán)境的污染，如試樣加工過程中易遭到機(jī)油等的玷污，試驗(yàn)結(jié)果表明：加工樣品所用設(shè)備的清潔程度和燃燒爐膛內(nèi)上、下電機(jī)表面的清潔程度都對(duì)氧、氫含量的結(jié)果有較大影響，因此為獲得較好的分析結(jié)果必須保證整個(gè)樣品在制備過程、分析過程中相應(yīng)的設(shè)備、環(huán)境的清潔。

3.1.2 樣品制備對(duì)分析結(jié)果的影響。鋼鐵、鎳合金和銅合金等材料車成直徑5mm、長4～6mm、0.5～1.0g左右的圓柱狀樣品，車削過程中要防止試樣表面氧化和玷污，加工好的試樣在分析前依次用四氯化碳、乙醚、丙酮清洗（包括標(biāo)樣），如試樣表面很干凈，只需用丙酮清洗即可。制備好的試樣當(dāng)天用不完，須儲(chǔ)于干燥器內(nèi)，并存于陰涼避光處。用作分析的鋼樣應(yīng)無氣孔、裂紋等缺陷。

測定下列金屬材料中氧含量時(shí)，試樣的表面處理方法：

純鐵：草酸（50g/L-1）加純鐵，滴加過氧化氫（W=30%），待試樣表面光亮后，用流水沖洗，無水酒精洗滌，吹干，置于干燥器中。

銅：濃磷酸5ml,濃硝酸2.2ml,冰醋酸2.8ml,樣品置于混合酸中1～2分鐘，用流水沖洗干凈，無水酒精洗滌，于60℃吹干，置于干燥器中。鎳：濃硝酸2.5ml,冰醋酸7.5ml,濃鹽酸0.15ml,樣品置于混合酸中30～60秒，用流水沖洗干凈，無水酒精洗滌，于60℃吹干，置于干燥器中。

鈦是化學(xué)性質(zhì)最活波元素之一，有時(shí)人們把它當(dāng)作"吸氣劑"來使用，因此要準(zhǔn)確地測定鈦和鈦合金中的氣體雜質(zhì)存在一定的困難和需要一定的技巧。鈦板、鈦棒及鈦合金等樣品，或截成4*4*2毫米的小塊，或車成Ф3*4～5毫米的小圓柱體，而后用丙酮（有文獻(xiàn)用四氯化碳）去脂。純鈦樣品可放在濃度為4%的氫氟酸溶液重進(jìn)行浸蝕10～15分鐘，以除去表面氧化物，而后用無水酒精處理，干燥、稱重、留待分析。以鋼中氫氧為例說明樣品表面處理對(duì)氣體分析結(jié)果的影響上面所用試樣含量范圍 H≤1.5μg/g,O≤35μg/g.試驗(yàn)表明試樣清洗前分析結(jié)果高偏差大證明表面有油污，清洗后樣品不僅在合格范圍內(nèi)而且結(jié)果平行偏差小。

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3.2 氧氫分析儀的分析界面。分析界面上面顯示分析數(shù)據(jù)，下面顯示與分析數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的分析曲線，通過分析曲線可以看出氧氫釋放是否正常。

圖1：儀器軟件分析界面

3.3 環(huán)境圖表。通過環(huán)境圖表監(jiān)控儀器是否在正常狀態(tài)下工作，正常狀態(tài)下：

載氣1480～1500psi(磅每平方英寸）之間。

圖2：儀器軟件的環(huán)境圖表

3.4 分析功率的選擇

3.4.1 分析功率對(duì)氧氫的釋放有影響，過高反應(yīng)劇烈會(huì)造成試樣的迸濺，對(duì)儀器及測定可能造成不良影響，過低氧氫釋放不出來，而且氧氫是聯(lián)測，經(jīng)過試驗(yàn)鋼中氧氫、鈦合金中氧氫分析功率在4500W時(shí)氫氧都能達(dá)到較完全釋放，銅中氧分析功率在2800W時(shí)氧會(huì)達(dá)到較完全釋放。

3.4.2 分別在分析功率4000W、4500W和5000W條件下對(duì)Leco標(biāo)準(zhǔn)樣品(502-416)進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果見下表

結(jié)果表明：功率在4000W和4500W時(shí)隨著功率的逐漸增加，氫、氧的數(shù)值也逐漸增大接近標(biāo)準(zhǔn)值，功率在5000W時(shí)數(shù)值變化不大，，說明試樣中氫，氧在4500W時(shí)已達(dá)到較完全的釋放。過高的分析功率將產(chǎn)生更多石墨粉塵，同時(shí)反應(yīng)劇烈會(huì)造成試樣的迸濺，對(duì)儀器及測定可能造成不良影響，因此選擇分析功率為4500W。

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4 結(jié)論

4.1 使用OH900儀器時(shí)，由于老儀器已用九年多，脫氣過程不完全分析曲線下移，每分析一個(gè)試樣，要進(jìn)行一次空燒。浪費(fèi)分析時(shí)間、儀器試劑、自來水和氣源等。ROH600可以連續(xù)分析試樣，不存在脫氣不完全現(xiàn)象。

4.2 由于OH900儀器采用紅外吸收法測定氧，熱導(dǎo)法測定氫，同一金屬材料樣品氧氫不能聯(lián)測，氫和氧要分別在不同分析條件下測定。ROH600可實(shí)現(xiàn)一次投樣，氧氫同時(shí)分析出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

[1]胡少成等.《固態(tài)金屬及合金材料中氧、氮、氫聯(lián)測技術(shù)進(jìn)展》.冶金分析（MetallurgicalAnalysis）,2009,29(11):34-40.

[2]魏強(qiáng)，《金屬材料中氣體分析應(yīng)用研究》【C】.2006年中國金屬學(xué)會(huì)第十三屆分析測試學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)論文集.北京：中國金屬學(xué)會(huì)分析測試分會(huì)，2006.