高頻紅外碳硫儀測定球墨鑄鐵的碳硫

秦臣

（柳州五菱柳機有限公司，廣西 柳州 545005）

五菱柳機生產的曲軸是球墨鑄鐵，采用的是鐵型覆膜砂技術生產。主要客戶上汽通用五菱對曲軸的品質要求很高。經(jīng)過大量試制，發(fā)現(xiàn)熔化爐前成分直接關系鑄件的品質。原來在現(xiàn)場僅配備了OBLF直讀光譜儀，試驗結果不理想，主要是碳控制范圍太窄(±0.1%)。直讀光譜議對高碳鑄鐵的碳硫測量有局限性，因為C、S元素譜線短，易受干擾而影響分析結果不能很好的指導生產。

紅外碳硫儀是根據(jù)紅外線吸收理論而設計生產的一種專門測定材料中碳和硫的儀器，采用高頻紅外碳硫儀現(xiàn)場測定球墨鑄鐵碳硫。該法操作快速、簡便、精密度高，準確可靠，完全滿足了現(xiàn)場生產要求，有效監(jiān)控曲軸鐵水的品質。經(jīng)生產實踐驗證，取得了令人滿意的結果。

本文根據(jù)現(xiàn)場分析實際操作，總結了高頻紅外碳硫儀測定球墨鑄鐵的碳硫達到快速準確分析的經(jīng)驗。

1 實驗儀器和試劑

1.1 儀器與試劑

CS一3000紅外碳硫儀為北京納克分析儀器有限公司出品；

動力氣為氮氣，無油無水；

載氣為氧氣，純度≥99.5%；

鎢粒助熔劑為醴陵市茶山萬財坩堝業(yè)有限公司出品；

坩堝為醴陵市茶山萬財坩堝業(yè)有限公司出品；

干燥劑為高氯酸鎂（從美國進口）；

二氧化碳吸收劑為HE-3型高效C02吸收劑（從美國進口）。

1.2 技術指標

燃燒氧氣壓力為0.2～0.3 MPa；

氮氣壓力0.2～0.4 MPa；

C的積分時間為45 s，比較水準2%；

S的積分時間為35 s，比較水準2%。

分析精度及誤差：碳、硫為 1×10-6；碳RSD≤0.5%以內，硫RSD≤1.0%。

2 實驗方法

2.1 儀器校準

開機預熱1 h，待儀器穩(wěn)定后，空燒3次，做廢樣3次，然后用國家鑄鐵樣校準。

2.2 制樣

設計蘑菇狀鑄模，澆注出直徑為約38 mm，厚1 mm的圓形薄片試樣。把薄片表面磨光并錘碎，篩選40目（0.4 mm）均勻的顆粒樣品用于分析。

2.3 試樣分析

選用已標準好的通道，稱0.200 0～0.209 0 g試樣，加1.80～1.90 g鎢粒，放入高頻爐中分析，可得到試樣碳硫的標準含量。

3 注意事項及分析結果

3.1 坩堝的影響

坩堝的空白，對分析結果有影響。未經(jīng)處理的坩堝，空白從十多到數(shù)十×10-6不等。從市場上購買的坩堝，本身的含碳量可能有0.002 0%～0.0 x%不等，坩堝空白值的不穩(wěn)定，會影響低碳分析的精密度。坩堝的水分，會影響硫的測定。坩堝的熱處理，可以在馬弗爐內，在1 100℃以上的溫度下灼燒3～4 h，冷卻后，保存在干燥器內，備用。對于特別低含量的碳、硫樣品的測定，尤其要選擇品質好的坩堝。

但是本廠測量碳含量高，約為3.5%～4%。采用未處理的坩堝，對國家鑄鐵標準樣品進行8次重復性試驗，分析結果如表1。

表1 實驗結果數(shù)據(jù)表 （%）

采用正規(guī)廠家生產的坩堝，發(fā)現(xiàn)使用未處理的坩堝，碳硫分析精度也能滿足分析要求。只要分析準確，測量球墨鑄鐵時，不必要對坩堝進行處理，這樣可以節(jié)省購買馬弗爐設備及電能分析成本。

這里強調一下，坩堝存放地點一定要干燥，存放周期最好不超過3個月，分析過程一定不能用手觸摸，以免沾污坩堝，造成分析結果波動。分析過程一定要用干凈的夾鉗放置坩堝。

3.2 樣品制備

為了得到一個準確的結果，樣品必須具有代表性。樣品制備就是為了使樣品成為符合儀器要求并具有代表性的過程。球墨鑄鐵中，含有一定含量的球狀石墨碳，采用傳統(tǒng)的車屑取樣法，當車屑取樣時，石墨碳會脫離樣品。因此將樣品制成薄片，然后弄成均勻的粒狀，使樣品具有代表性，才能代表鐵水的碳硫成分。

3.3 穩(wěn)壓電源

由于工作需要，儀器搬遷了兩次。發(fā)現(xiàn)搬遷后的設備，精度下降。經(jīng)比較基線電壓，在曲軸工部工作時，基線電壓是0～0.50 V波動，在黑色工部時，基線電壓是0～0.80 V，由于電壓波動大，造成空白含量不一樣，從而分析誤差大。

采用了5 000 V的鐵塔穩(wěn)壓電源后，分析精度得到了改觀。所以安裝紅外儀時，一定配備一個好的穩(wěn)壓電源，遠離大型設備，并采用專用地線安裝。

3.4 樣品、助熔劑的疊放次序[1]

對碳硫含量分析的成敗關鍵，在于燃燒環(huán)節(jié)。為了提高回收率并使數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，助熔劑不可或缺。鎢粒及其合金，是燃燒常用助熔劑。實驗經(jīng)驗表明，助熔劑的加入次序，也對碳硫釋放有影響。助熔劑不僅具有增加樣品中導磁物質，從而提高燃燒溫度，還具有增加樣品流動性、稀釋樣品的作用。

分析過程中，樣品、助熔劑的疊放次序，直接影響燃燒結果和分析穩(wěn)定性。例如鐵基樣品直接在氧氣下經(jīng)高頻感應而燃燒，反應劇烈，飛濺嚴重，容易造成燃燒室石英管的破損和陶瓷保護套的污染。換成以鎢粒打底，樣品置于上層，發(fā)現(xiàn)燃燒室中石英管也很快被污染，陶瓷保護套上粘了一層厚厚的鐵屑，很難清理，不僅影響了燃燒管的使用壽命，還阻礙了氧氣的供應，從而影響分析結果的穩(wěn)定性。將樣品置于底層，鎢粒置于上層，分析結束后燃燒室內石英管非常干凈，陶瓷熱保護套上無金屬飛濺，分析結果穩(wěn)定。所以分析試樣時，要讓助熔劑均勻置于上層。

3.5 粉塵過濾器的影響

粉塵干擾，會導致低硫分析結果偏高。這是因為粉塵吸附的氣體，在分析低硫時，會釋放出來，造成分析結果偏高。分析過程中灰塵的積累所造成的吸附，也是影響分析結果穩(wěn)定性的重要因素。因此要定期清潔粉塵過濾器.

3.6 試劑的影響

分析過程，要采用高純氧，否則要在氧氣進入測定儀器前，先用高氯酸鎂除去有機雜質。試劑的效率，直接影響分析結果的穩(wěn)定性，甚至準確性。在高頻紅外碳硫分析儀的使用中，分析氣及載氣的干燥純凈，是降低系統(tǒng)空白、得到準確、穩(wěn)定分析結果的保障。高氯酸鎂用來凈化載氣，HE-3型高效C02吸收劑用來凈化分析氣，日常要及時更換試劑，以免影響分析結果。

3.7 分析結果

爐前分析樣品平行做了3次，結果如表2。

表2 分析結果表 （%）

分析結果允許差達到國家標準要求，碳的相對標準偏差小于1%，硫的相對標準偏差小于5%。

4 結束語

紅外碳硫分析儀從2011年5月投入使用已近10個月，實踐證明效果非常好。在曲軸生產過程中，定期維護好設備，及時更換試劑，采用薄片取樣分析，采用高頻紅外碳硫儀現(xiàn)場測定球墨鑄鐵碳硫，完全能滿足現(xiàn)場對鐵水品質控制要求。

[1]張長均，王 蓬，張之果.影響高頻紅外碳硫儀分析結果穩(wěn)定性因素的探討[J].冶金分析，2006，26（6）：90-91.