氣體氫試樣的取樣、制樣及保存

李 艷

(東北特鋼集團(tuán)北滿特殊鋼有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾161041)

金屬材料在機(jī)械部件與構(gòu)件的生產(chǎn)過程和使用過程既取決于工藝規(guī)程也取決于各種成分。氫雖然是鋼中的微量成分，但對鋼材的性能有著很重要的影響。氫會對鋼產(chǎn)生有害影響:(1)降低鋼的塑性和韌性。(2)降低鋼的使用壽命。(3)使氣孔率增加。(4)引發(fā)表面細(xì)小裂紋。鋼中氫是導(dǎo)致白點(diǎn)和發(fā)裂的主要原因。當(dāng)鋼中CO和H2等的壓力之和大于大氣壓力和鋼液飽和壓力之和時(shí)，鋼液中產(chǎn)生氣泡。為了有效控制鋼中的含氫量，必須選擇正確的取樣方法、制樣方法和保存方法。以便能比較客觀準(zhǔn)確地得到鋼中氫數(shù)據(jù)。

我們所采用的取樣方法應(yīng)保證分析試樣能代表熔體或抽樣產(chǎn)品的化學(xué)成分平均值。分析試樣在化學(xué)成分方面應(yīng)具有良好的均勻性，其不均勻性應(yīng)不對分析產(chǎn)生顯著偏差。然而對于熔體的取樣，分析方法和分析試樣二者有可能產(chǎn)生偏差，這種偏差用分析方法的重現(xiàn)性和再現(xiàn)性表示。

分析試樣應(yīng)去除表面涂層、除濕、除塵以及其他形式的污染。應(yīng)盡可能避開孔隙、裂紋、疏松、毛刺、折疊或其他表面缺陷。對熔體進(jìn)行取樣時(shí)如果預(yù)測到可能的缺陷要采取措施。樣品的尺寸及質(zhì)量要足夠大，以便進(jìn)行復(fù)驗(yàn)或必要時(shí)使用其他的分析方法進(jìn)行分析。要有適當(dāng)?shù)馁A存設(shè)備用于保存分析試樣。在分析試樣的制備過程中和制備后，分析試樣應(yīng)該防止污染和化學(xué)變化。分析試樣應(yīng)保存足夠長的時(shí)間，以保證實(shí)驗(yàn)室管理的完整性。

鋼鐵材料中氫在取制樣過程中極易損失和污染。在取樣、制樣和保存過程中必須避免氫損失和被環(huán)境污染，氫損失與樣品溫度、環(huán)境氫分壓、樣品存放時(shí)間等有很大關(guān)系。所以在保存氫試樣時(shí)要考慮到上述因素。

為了監(jiān)控生產(chǎn)過程，需要在整個(gè)生產(chǎn)過程的不同階段從熔體中取樣。熔體的取樣過程是根據(jù)對樣品品質(zhì)的要求而進(jìn)行的一個(gè)獨(dú)立的處理過程。當(dāng)澆注生產(chǎn)中需要控制其一定限量時(shí)，就應(yīng)該進(jìn)行氫的測定。爐前取樣是一項(xiàng)專業(yè)技術(shù)，必須使用特制的取樣裝置。一種新的爐前取樣方法或新取樣裝置應(yīng)用實(shí)施前，必須對其可靠性和有效性進(jìn)行評估，并出據(jù)評估報(bào)告?zhèn)浒浮?/p>

測定鋼水中的氫的取樣方法是用取樣管。取樣管有不同直徑的片型和鉛筆型。取樣管通常包括有壓制鋼鋼模以及在厚的保護(hù)紙管上安裝有硅管。將取樣管取得的樣品設(shè)計(jì)為細(xì)棒狀或鉛筆狀，直徑為7～12mm，長度為75～150mm，所使用的取樣方法應(yīng)該設(shè)計(jì)成控制和減少氫從管式樣品中的快速滲出。在進(jìn)行取樣、樣品貯存以及試料的制備過程中都會發(fā)生這種滲出。滲出的損失環(huán)境溫度高時(shí)會很大，尤其是小直徑樣品。管式樣品應(yīng)該無裂紋和表面氣孔，沒有濕氣，尤其是沒有俘獲水。試料的狀態(tài)對氫的結(jié)果影響很大。由于水的存在，會使氫的分析結(jié)果偏高。如果使用的是吸入式取樣管，操作時(shí)要避免樣品中混入濕氣。在取樣的各階段以及貯存和制備過程中都要保持低溫狀態(tài)，浸入冷水中或冷卻劑中冷卻效果更好些。應(yīng)盡量去除冷卻后的試料表面的濕氣，樣品應(yīng)該在冷藏劑中貯存，液態(tài)氮或丙酮與二氧化碳干冰的混合物軟膏較為合適。通過研磨進(jìn)行試料的表面加工時(shí)，應(yīng)保持用時(shí)最少，能滿足去除所有表面氧化物和缺陷即可，試料制備完成后應(yīng)立即進(jìn)行分析。爐前取得的樣品若需要較長時(shí)間保存(不超過24h)，可存放于干冰或液氮中，短時(shí)間可保存于干燥器中，在操作時(shí)使用干凈的鑷子并避免水汽在樣品表面凝結(jié)。

取樣時(shí)的安全注意事項(xiàng):(1)液態(tài)取樣時(shí)應(yīng)有防護(hù)服、保護(hù)手套、面罩以防止濺傷。(2)對樣品和試料進(jìn)行清洗和干燥處理時(shí)，會使用到溶劑，對于溶劑的使用要參照國家相應(yīng)的規(guī)定進(jìn)行。

對于鑄鐵產(chǎn)品，分析試樣可從鑄態(tài)產(chǎn)品的棒或塊中取樣。對于鍛造產(chǎn)品，分析試樣可從未鍛造的原始產(chǎn)品中或從鍛后的產(chǎn)品中或從額外的鍛造產(chǎn)品中取樣。

如果樣品的某一部分的化學(xué)成分有可能不具有代表性，首先要研究樣品的特性和化學(xué)成分的變動范圍，然后除去樣品中已發(fā)生變化的部分。然后對樣品采取保護(hù)措施防止化學(xué)成分發(fā)生變化。必要時(shí)，應(yīng)采用合適的方法除去制備過程中使用的涂層，使要被切削的表面完全外露。金屬表面要使用適當(dāng)?shù)娜軇┏?，但要保證除油的方法對分析結(jié)果的正確性不產(chǎn)生影響。

分析試樣的表面制備應(yīng)該到露出適合于分析方法使用的表面。已受切割火焰影響的樣品的任何部分不能用于制備分析表面。用于制備樣品的設(shè)備應(yīng)該設(shè)計(jì)成盡可能減小樣品的過熱，其中要有相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)。制備后的分析試樣表面應(yīng)該平整且沒有對分析結(jié)果準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響的缺陷。應(yīng)對制備后的試樣進(jìn)行目視檢查，表面沒有顆粒異物，沒有表面缺陷，如果有異物或缺陷應(yīng)該重新處理表面或放棄使用。分析試樣應(yīng)該干燥，并且防止制備好的試樣表面被污染。

用于測定氫的樣品要迅速冷卻，樣品固化后立即脫模，迅速急冷。丙酮和二氧化碳的混合物膏劑適合于急冷。樣品應(yīng)浸入冷卻劑中保存。錠或型材上取樣時(shí)，必須防止發(fā)熱，試樣加工溫度應(yīng)低于50℃。用帶碳化鎢刀具的車床除去所有氧化痕跡的表面。用分離工具橫向切開樣品得到合適質(zhì)量的用于分析的試料。在制備用于測定氫的試料時(shí)，樣品要不斷地被冷卻，避免過熱。要確保制備試料與分析之間不要延誤時(shí)間。

從熔體中取來的樣品，去掉可能對后面制備分析試樣產(chǎn)生污染的表面氧化物。從管式樣品的中心截面上切取適當(dāng)量的樣品做為分析試料，切取是應(yīng)該盡量減小對樣品產(chǎn)生過熱，所以要使用大量的流動的冷卻液體。制備試料表面時(shí)應(yīng)使細(xì)齒銼，噴砂時(shí)避免使用能污染試料表面的砂，磨平時(shí)也應(yīng)經(jīng)常冷卻。爐前取出的樣品應(yīng)立即除去套管以便樣品迅速冷卻。充分冷卻后，浸入冷卻劑中貯存并送往實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室加工現(xiàn)場可用車床加工，邊加工邊用乙醇冷卻，也可緩慢打磨試樣表面，去掉粘污層，截取合適尺寸的長條狀樣品，質(zhì)量為0.5～2.5g之間，氫含量越低要求的樣品量越大。用乙醚或丙酮清洗，自然風(fēng)干或冷風(fēng)吹干備用。類似于充氫試樣等制備好的現(xiàn)成樣品僅用四氯化碳、乙醚或丙酮清洗、風(fēng)干或冷風(fēng)吹干后即可使用。

鋼產(chǎn)品在進(jìn)行樣品的取樣、貯存以及試料的制備過程中，所使用的方法應(yīng)該盡量減小并控制樣品中氫的迅速擴(kuò)散。樣品應(yīng)該無裂紋、表面疏松、無濕氣。試料的狀態(tài)對測定的影響很大，不同的分析方法對由于水分的存在的靈敏度不盡相同。室溫下，由于擴(kuò)散而導(dǎo)致樣品中氫的損失會很大。尤其當(dāng)樣品很薄時(shí)。因此，在樣品的取樣、貯存及指標(biāo)過程中的所有階段，要保持原始樣品、分析試樣和試料在盡可能低的溫度。分析試樣應(yīng)該貯存在冷凍劑中，較為合適的是液態(tài)氮、或者使用丙酮和二氧化碳干冰混合膏劑。

在試料制備過程中，對樣品進(jìn)行切割時(shí)，樣品和試料應(yīng)保持冷卻狀態(tài)。在所有機(jī)械加工操作過程中，使用大量流動的冷卻液體，或者反復(fù)加工一次冷卻一下樣品或試料?；蛲瑫r(shí)使用這兩種冷卻方法。冷卻可以是浸入冰水中或冷卻劑中。大型截面的樣品應(yīng)該包上二氧化碳干冰以保溫。在機(jī)械加工時(shí)，粗坯應(yīng)放回冷卻劑中貯存。試料表面制備時(shí)，需要打磨時(shí)，在滿足除去表面氧化物或表面缺陷要求的前提下，應(yīng)盡可能減少打磨。根據(jù)樣品或產(chǎn)品的幾何形狀，使用適當(dāng)?shù)募庸すぞ邅碇苽湓紭悠?，如可使用車、銑、鋸、切和套料加工等方法。從長鍛件上制取分析試樣時(shí)，應(yīng)該先用鋸或切割砂輪在產(chǎn)品的中心線到邊緣的中央位置，且在距截面端點(diǎn)至少一半處切取原始樣品，板材車間來樣厚度應(yīng)為20～25mm，取樣位置在直徑的1/4處取樣;棒材＜Φ60mm在鋼材的中心部位取樣，＞Φ60mm在直徑的1/4處取樣，取樣方向?yàn)榭v向。再從原始樣品上切取一塊適合于車床加工的樣品來制備分析試樣。分析試樣應(yīng)貯存在冷凍劑中。從分析試樣上用盡可能減小樣品過熱的方式切取合適質(zhì)量的樣品來制備試料，并經(jīng)常冷卻樣品。試料浸入丙酮中除油，在低真空下暴露數(shù)秒鐘進(jìn)行干燥后，立即進(jìn)行分析。因氫試樣在取樣和制樣過程中極易被污染，所以在分析前要使用丙酮在超聲波清洗器中對試樣進(jìn)行清洗。將污染的去除，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。