高頻紅外碳硫分析儀EMIA-220V2的分析使用

趙鳳俊(烏海市包鋼萬騰鋼鐵有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016099)

0 引言

高頻紅外碳硫分析儀是一款靈敏度與自動化程度較高的快速碳硫分析儀，代替了過去原始的人工操作管式爐(升溫較慢、必須保持管內(nèi)的高溫，即使此時不分析樣品也消耗大量電能，造成成本浪費(fèi))，是較為先進(jìn)的快速分析碳、硫元素的儀器，在科研、化工領(lǐng)域、冶金、機(jī)械等不同行業(yè)廣泛應(yīng)用。目前主流碳硫儀品牌有：日本堀場、美國力可等，國產(chǎn)品牌上海德凱也較受歡迎。(如堀場碳硫儀的部分型號有EMIA220V-220V2-320V2-820V2-920V2)。其中，220V2自使用以來穩(wěn)定性較好、故障率較低、分析與應(yīng)用的范圍較寬廣、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，適合日常生產(chǎn)的需求[1]。

1 碳硫儀的工作原理

樣品中各種不同狀態(tài)的碳、硫化合物在高頻感應(yīng)電流的作用下產(chǎn)生渦流效應(yīng)形成高溫燃燒，高溫1 650 ℃下，碳與載氣所發(fā)生化學(xué)反應(yīng)只有微量的生成一氧化碳,絕大部分生成二氧化碳，與此同時樣品里的硫與載氣生成二氧化硫。在經(jīng)過試劑管中的石英棉與干燥劑無水高氯酸鎂吸附粉塵及水分后，這兩種氣體能吸收紅外光譜窄帶紅外能，根據(jù)不同氣體的紅外吸收特性，檢測系統(tǒng)檢測到的紅外光強(qiáng)度與各氣體的量成正比，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理計(jì)算后得到樣品中的碳與硫含量[2]。

2 硬件組成

高頻燃燒爐：將分析檢測樣品中的硫和碳元素通過燃燒吸氧生成CO2和SO2。氣路裝置：氣路裝置主要包括兩個部分：動力氣、載氣。動力氣用來控制爐門氣缸的上升和下降；載氣也就是分析氣體，首先是純氧，在樣品燃燒后生成二氧化碳、二氧化硫和氧氣的混合氣，混合氣在通過探測器后直接排入大氣中，每次分析生成的SO2含量微乎其微，因此不用考慮環(huán)境污染事項(xiàng)。測量裝置：該部分包括硫池、碳池、光源、窄帶濾光片、紅外輻射源和信號放大六個部分。主要功能是將CO2、CO以及SO2濃度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號?？刂婆_：該部分負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)爐門開關(guān)的升降、載氣的輸入與斷開、高壓的關(guān)閉與打開、系統(tǒng)溫度的調(diào)節(jié)和壓力的控制、浮子流量計(jì)穩(wěn)定性的控制、采集由紅外探測系統(tǒng)輸出的電壓信號等，結(jié)構(gòu)錯落有致。外接設(shè)備天平：能夠準(zhǔn)確稱量樣品的重量，并將重量通過數(shù)字信號傳輸給分析軟件作為儀器設(shè)備分析參數(shù)來使用。載氣：提供燃燒樣品所使用的氧氣，通常使用壓縮氧氣 。動力氣：提供爐門及坩堝托升降需要的動力氣，通常用氮?dú)庾鳛閯恿猓部梢杂醚鯕?、氬氣或者壓縮空氣。處理器單元：連接控制系統(tǒng)，根據(jù)分析樣品檢測到的電壓信號和樣品重量分析該樣品中碳元素和硫元素的含量。并對分析檢測的結(jié)果進(jìn)行管控，檢驗(yàn)處理系統(tǒng)是否運(yùn)行正常等。

3 影響碳硫分析結(jié)果的因素

3.1 坩堝對結(jié)果的影響

坩堝的空白一直以來是碳硫檢測人員關(guān)注的問題之一。沒有經(jīng)過處理的坩堝，空白值從幾到幾十(0.000 1%)不等，如果前期處理符合要求，坩堝空白可降至0.0001%以下。經(jīng)過反復(fù)測試實(shí)踐證明，溫度與處理時間對取得坩堝穩(wěn)定的低空白尤為突顯。例，在800±10 ℃的馬弗爐內(nèi)長達(dá)4～5 h烘燒后的坩堝，用于分析鋼類樣，測得結(jié)果波動較大。紅外探測是根據(jù)不同物質(zhì)對紅外線吸收波長來檢測濃度含量的，對于CO2、SO2來說，它們分別吸收波長為4.26 nm 和7.35 nm的紅外能，水與二氧化硫生成亞硫酸，會改變二氧化硫的吸收波長，硫的信號值檢測不到。因此水對于硫的影響非常大，特別是一些粉末狀樣品、煤焦、鐵礦石等在使用紅外測硫時需特別注意樣品及坩堝的烘干。

3.2 溫度對探測器的影響

探測性能隨溫度、大氣壓力的變化而變化，這是由它的物理特性所決定的，直接影響分析數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。燃燒不充分會直接造成分析元素含量降低，而前期通氧適量加大、后期相對控制氧氣的燃燒方式，最大限度地提高了轉(zhuǎn)換率，會相對提高結(jié)果穩(wěn)定性。

3.3 稱樣量結(jié)果的影響

樣品稱重不同，所含硫、碳的含量存在差異，導(dǎo)致分析結(jié)果顯現(xiàn)在儀器校正曲線上不同的區(qū)域(分通道、分段校正)，分析結(jié)果會出現(xiàn)波動，尤其在儀器此通道線性的最高、最低及零界點(diǎn)時這種影響表現(xiàn)更為明顯。

紅外分析法的理論基礎(chǔ)是朗博-比爾定律，樣品中碳、硫的含量根據(jù)紅外吸收的程度的大小來測定。樣品稱重量的不同直接影響高頻燃燒的情況。感應(yīng)區(qū)內(nèi)物質(zhì)量的多少、高頻爐本身的功率直接影響碳硫儀的燃燒溫度、狀態(tài)。高頻燃燒的溫度并不是持續(xù)不變，隨著樣品的熔化燃燒，感應(yīng)量相應(yīng)逐漸減少。例如，分析某些難熔物質(zhì)時(硅碳合金)，所加入的鎢粒、錫粒助熔劑重量是恒量，產(chǎn)生的熱量不變，而在樣品重量過多的情況下樣品燃燒不完全，使得樣品中的碳、硫釋放不完全，導(dǎo)致結(jié)果偏差較大。

3.4 灰塵雜質(zhì)對結(jié)果的影響

灰塵雜質(zhì)的累積所造成的吸附也是影響分析結(jié)果穩(wěn)定性的重要因素，在低含量樣品檢測分析時體現(xiàn)的特別明顯。如，分析熔劑類時，稱0.15 g錫粒+0.3 g純鐵+0.10 g樣品+1.5 g鎢粒。錫粒的加入，使燃燒時產(chǎn)生的灰塵較大。通過20次樣品分析后，硫的分析結(jié)果相對第一次分析結(jié)果偏低0.000 2%以上，隨著分析頻次的增加，偏差也越來越大。待徹底清理掉爐頭及石英燃燒管、過濾器中的灰塵后，結(jié)果與第一次分析結(jié)果一致。在樣品檢測分析過程中，爐頭、過濾器中的灰塵微雜應(yīng)及時清理確保結(jié)果的精確性，在日常規(guī)定中手動爐頭清理在樣品分析15～25次之間需進(jìn)行清灰處理)。

3.5 水對于硫的影響

放入瓷坩堝的樣品進(jìn)入感應(yīng)爐膛內(nèi)通電時形成渦流感應(yīng)，樣品潮濕未烘或未按規(guī)定的烘樣條件及時間執(zhí)行導(dǎo)致樣品含有水分的情況下，干燥管(通過石英棉吸附粉塵和高氯酸鎂吸附樣品中部分水份)裝有無水高氯酸鎂和一個小的過濾器，吸收樣品中的水份后干燥劑易結(jié)晶，導(dǎo)致分析檢測結(jié)果含量偏高。

3.6 助熔劑、樣品加入順序?qū)Y(jié)果的影響

各熔劑不僅可以增加樣品中的流動性、提高燃燒溫度，還能增加樣品導(dǎo)磁性，起到稀釋樣品的作用。分析過程中，各助熔劑、分析樣品的先后稱重加入次序直接影響燃燒結(jié)果和分析穩(wěn)定性與重現(xiàn)性。例如礦石類樣品在不加助溶劑的情況下直接在氧氣下經(jīng)高頻感應(yīng)而燃燒，飛濺程度嚴(yán)重、反應(yīng)特別劇烈，容易迸濺致使石英管破裂和保護(hù)裝置污染。鎢粒進(jìn)行打底，樣品置于上層，此時燃燒室中的石英管也瞬間被污染。保護(hù)圈上覆蓋一層鐵屑，清理起來費(fèi)時費(fèi)力，不僅嚴(yán)重影響了石英燃燒管的使用壽命，還阻礙了氧氣供應(yīng)的流暢性，從而使結(jié)果的波動較大，影響分析結(jié)果的穩(wěn)定性。應(yīng)將樣品平鋪于坩堝底層，鎢粒置于次層，錫粒位于上層，分析結(jié)束后燃燒室內(nèi)石英管非常干凈，保護(hù)圈上無金屬飛濺現(xiàn)象，曲線弧度釋放完整，分析結(jié)果穩(wěn)定。

4 日常維護(hù)注意事項(xiàng)

維護(hù)或維修前一定要先斷電源，嚴(yán)格按儀器設(shè)備安全操作規(guī)程進(jìn)行。(1)紅外碳硫儀分析使用前一定先提前預(yù)熱1.5～2 h，使儀器達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)。(2)在分析樣品前首先做空白，空白含量需在規(guī)定的允許范圍之內(nèi)(如空白偏高進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整)，使儀器各參數(shù)條件達(dá)到相對穩(wěn)定后，再帶相應(yīng)不同梯度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)開始分析樣檢測品。(3)載氣、動力氣壓力不能太高,若壓力太高碳硫儀氣路容易爆裂。一般載氣壓力在0.30～0.32 MPa、動力氣壓力在0.32～0.35 MPa，更換氣體后要注意二次壓力的變化并做相應(yīng)的調(diào)整。(4)分析樣品時應(yīng)首先分析幾個梯度不同的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，如在硬件設(shè)施沒問題的情況下(如干燥劑更換、漏氣檢查等)只是標(biāo)樣含量有偏差，需以高低標(biāo)樣至少分析5次以上并在結(jié)果相對穩(wěn)定、波動較小的情況下進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)之后再帶相應(yīng)的標(biāo)試樣，這樣分析的結(jié)果更穩(wěn)定。(5)試劑管中干燥劑變色、結(jié)晶及時更換、否則儀器內(nèi)水分多會影響分析結(jié)果(結(jié)果偏高)。(6)分析檢測樣品的前提條件是確保天平的穩(wěn)定性及靈敏度，應(yīng)及時調(diào)整(稱重克數(shù)的準(zhǔn)確與否直接影響樣品含量的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性)。

5 漏氣檢查

(1)在更換石英燃燒管、試劑管或各試劑后，進(jìn)行機(jī)械檢查與氣路檢查看大氣壓力及水平狀態(tài)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，無漏氣則顯示“There is no fault”，如有漏氣會在維護(hù)界面顯示出檢漏的區(qū)域及報警項(xiàng)目，便于操作人員及時反饋至儀器設(shè)備維修人員，及時查找原因并予以解決。(2)動作檢查：維護(hù)界面顯示各電磁閥，驅(qū)動氣缸裝置、硫開關(guān)動作，也可以分段檢查便于排除故障。(3)信號檢查：顯示裝置內(nèi)的各個傳感器的狀態(tài)。顯示大氣壓力參數(shù)及流量校正的參數(shù)便于故障的排查。(4)壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)定：壓力調(diào)節(jié)器是分析氣路中調(diào)節(jié)載氣(氧氣)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。樣品在分析過程中吸收大量的氧氣，吸收氧氣量的大小是隨樣品氧化燃燒程度、氣流、氣壓的波動變化而變化，直接影響樣品的分析結(jié)果。壓力調(diào)節(jié)器在樣品加測過程中起到自動調(diào)節(jié)穩(wěn)定電壓作用。(5)設(shè)有大氣壓力的自動校正、流量校正等功能，實(shí)現(xiàn)了極高的穩(wěn)定性。(6)在檢測分析樣品時，如出現(xiàn)任何異常立即停止分析，經(jīng)仔細(xì)排查并解決異常故障后方可進(jìn)行繼續(xù)分析檢測，并隨之帶相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(確保儀器的穩(wěn)定性和分析檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性)。(7)如遇到突發(fā)斷電的情況下，首先按此順序立即關(guān)掉穩(wěn)壓器，再關(guān)高頻爐、主機(jī)等。來電穩(wěn)定半小時后方可按操作規(guī)程先后順序正常啟動設(shè)備。(8)坩堝處理：坩堝置于1 050 ℃的馬沸爐中烘2～4 h，斷電后室溫自然冷卻，取出于干燥器中保存。

6 結(jié)語

高頻紅外碳硫儀EMIA-220V2具有高精度、穩(wěn)定性、及時準(zhǔn)確地分析樣品的功能，降低了勞動強(qiáng)度，適合企業(yè)的生產(chǎn)需要。