高頻紅外碳硫儀分析合金中低碳低硫的方法探討

李 濤，趙小青

（陜鋼集團(tuán)韓城鋼鐵有限責(zé)任公司，陜西 西安 710021）

隨著鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展，鋼材的品種越來(lái)越多，對(duì)鋼中所加合金要求也越來(lái)越高，所添加的合金中，有時(shí)碳硫分析要求都在10-3%數(shù)量級(jí)，這就要求分析前必須降低分析的系統(tǒng)空白值，才能提高分析的準(zhǔn)確度和精密度。采用上海德凱公司生產(chǎn)的HCS-140紅外碳硫分析儀，通過(guò)對(duì)所用的分析氣體、坩堝、干燥劑、助熔劑等進(jìn)行空白處理，可降低系統(tǒng)空白值；并對(duì)硅錳、硅鐵中低碳低硫的分析方法進(jìn)行探討分析，其分析的準(zhǔn)確度和精確度都較好，可滿足鋼鐵生產(chǎn)分析的要求。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 儀器與試劑

HCS-140 DK606A型高頻紅外碳硫儀1臺(tái)；儀器配套的瓷坩堝，1 200℃左右的馬弗爐中灼燒4 h；助熔劑鎢粒，425 mm，450℃烘烤2 h；金屬純錫粒；屑狀純鐵。

1.2 分析條件

硅錳、硅鐵中碳最短分析時(shí)間設(shè)定25 s，最長(zhǎng)分析時(shí)間45 s；碳的截止電平為7；氧氣輸入壓力均為0.4 MPa左右。硫最短分析時(shí)間設(shè)定25 s，最長(zhǎng)分析時(shí)間55 s；硫截止電平為8；氧氣輸入壓力均為0.4 MPa左右。預(yù)吹氧時(shí)間25 s；試樣稱樣量為0.200 g左右。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 制備抹底坩堝

制備抹底坩堝：稱取約0.400 g金屬錫粒于已經(jīng)高溫處理坩堝中（在1 200℃左右的馬弗爐中灼燒4 h）墊底，天平去零，稱樣量輸入電腦后,再加入約0.600 g的純鐵助熔劑和約1.5 g金屬鎢粒助熔劑覆蓋在上面，充分混勻后，按分析鍵進(jìn)行測(cè)定。

1.3.2 分析方法

分析方法：稱取0.400 g金屬錫粒和約0.600 g的純鐵助熔劑于抹底坩堝中，再稱取約0.200 g的試樣覆蓋其上，最后再加入約1.5 g金屬鎢粒助熔劑（450±10）℃烘烤2 h，在干燥器冷卻后放入磨口瓶里）覆蓋在試樣上面，充分混勻后，按分析條件進(jìn)行分析測(cè)定[1-2]。硅錳合金與硅鐵合金只是分析通道不同外，其余分析條件均相同。

2 結(jié)果與討論

2.1 空白值的影響因素

2.1.1 坩堝

未經(jīng)處理的坩堝，或多或少都含有碳硫，對(duì)分析結(jié)果影響較大，有的碳硫含量甚至比標(biāo)樣的標(biāo)準(zhǔn)值還高，因此，新坩堝必須經(jīng)過(guò)空白處理。一種方法是將新坩堝在1 200℃馬弗爐里通氧燃燒4 h，在馬弗爐里冷卻過(guò)夜，再放置于干燥器中，這種處理后的坩堝叫高溫預(yù)燒過(guò)坩堝；另一種方法將高溫預(yù)燒過(guò)的坩堝加入助熔劑經(jīng)高頻爐燃燒一次，冷卻后再使用，這種處理的坩堝稱為抹底坩堝。高溫預(yù)燒過(guò)坩堝和抹底坩堝的空白值見(jiàn)表1。從表1可以看出，抹底坩堝的碳、硫空白值明顯降低，因此為了消除空白值的影響，本文實(shí)驗(yàn)均采用抹底坩堝。

表1 高溫預(yù)處理的新瓷坩堝和抹底坩堝的碳硫空白值（n=6）

2.1.2 助熔劑

文獻(xiàn)[3]指出，助熔劑表面會(huì)吸附雜質(zhì)氣體，進(jìn)而影響系統(tǒng)空白值。本文消除助熔劑吸附雜質(zhì)氣體的方法是把鎢粒放入烘箱內(nèi)，（450±10）℃烘烤2 h，在干燥器冷卻后備用。

鎢粒的比對(duì)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)表明，烘烤過(guò)的鎢粒中碳、硫殘余量明顯下降。

表2 烘烤和未烘烤鎢粒比對(duì)性實(shí)驗(yàn)（n=6）

2.1.3 分析氣

高頻紅外碳硫分析儀所使用的分析氣及載氣的干燥、純凈度會(huì)直接影響系統(tǒng)空白值。由于二氧化硫特征吸收波長(zhǎng)和水氣的吸收波長(zhǎng)有重疊，因此在低碳、低硫分析所用氧氣應(yīng)該為高純氧或在進(jìn)入儀器之前先通過(guò)凈化裝置，以除去有機(jī)雜質(zhì)，再用高效干燥劑和高效二氧化碳吸收劑除去水分和二氧化碳[4]。

2.2 稱樣量

樣品稱樣量與所含的碳硫量有關(guān),它會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果落在儀器校正曲線上的區(qū)域不同，影響分析的準(zhǔn)確度。

用高頻紅外碳硫儀分析硅錳、硅鐵中的低碳、低硫，稱樣量從0.100～0.400 g，共試驗(yàn)了35組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)稱樣量在0.200～0.300 g，其分析結(jié)果都較穩(wěn)定，但隨著試樣量的增大，助熔劑也需相應(yīng)增加。為了提高燃燒效率，節(jié)約助熔劑的加入量，分析硅錳和硅鐵合金中低碳、低硫試樣時(shí)，稱樣量控制為0.200 g為佳。

2.3 樣品、助熔劑疊放次序

文獻(xiàn)[5]指出,助熔劑具有增加樣品中導(dǎo)磁物質(zhì)、提高燃燒溫度的作用,還具有增加樣品流動(dòng)性、稀釋樣品的作用，因此，樣品、助熔劑的疊放次序直接影響燃燒結(jié)果和分析穩(wěn)定性。

經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以鎢粒打底,樣品置于上層,發(fā)現(xiàn)石英管污染較嚴(yán)重,分析結(jié)果也極不穩(wěn)定；若將錫粒、純鐵屑打底，樣品置于其上,鎢粒覆蓋于最上層,分析結(jié)束后，燃燒室內(nèi)石英管較干凈,分析曲線峰形較好，無(wú)拖尾，分析結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定。

2.4 助熔劑加入量

樣品燃燒是分析成敗的關(guān)鍵,因此，分析過(guò)程中助熔劑的加入量直接影響燃燒結(jié)果和分析的穩(wěn)定性。

鎢助熔劑加入量試驗(yàn)從0.80～1.60 g，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鎢助熔劑加入量少于1.00 g時(shí)，燃燒板極電流偏低，為300 mA左右，柵極電流達(dá)60 mA，分析曲線出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，分析數(shù)據(jù)極不穩(wěn)定，甚至有時(shí)分析無(wú)結(jié)果；加入量為1.50～1.60g以上時(shí)，燃燒板極電流為350mA，柵極電流達(dá)90 mA左右，試樣燃燒較充分，分析數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。因設(shè)備自帶的專用勺滿滿1勺時(shí)，剛好1.50 g左右，故為了操作方便，鎢助熔劑加入量確定為1.50 g左右。

錫助熔劑的加入量從0.15～0.50 g，純鐵助熔劑加入量從0.25～0.70 g分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)錫助熔劑加入量少于0.40 g時(shí)，純鐵助熔劑加入量小于0.60 g，低含量的硫（10-3%）數(shù)據(jù)重現(xiàn)性較差，甚至有時(shí)無(wú)法測(cè)試出數(shù)據(jù)。

通過(guò)多次對(duì)錫粒、純鐵、鎢粒不同配比的測(cè)定實(shí)驗(yàn)，使用抹底坩堝分析硅錳、硅鐵合金中低碳、低硫時(shí)，最后實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)錫粒加入量為0.40 g、純鐵0.60 g、鎢粒1.50 g時(shí)，硅鐵、硅錳中碳、硫的測(cè)定偏差均在允許誤差范圍內(nèi)。

2.5 精密度

選用硅錳合金2號(hào)標(biāo)樣和硅鐵合金1號(hào)標(biāo)樣，按本文實(shí)驗(yàn)已確定的分析條件，測(cè)定碳、硫的結(jié)果見(jiàn)表3、表4。其碳、硫的相對(duì)偏差均在4.0%以下，可滿足生產(chǎn)分析要求。

表3 用抹底坩堝分析硅錳、硅鐵合金中碳的準(zhǔn)確度和精密度 %

表4 用抹底坩堝分析硅錳、硅鐵合金中硫的準(zhǔn)確度和精密度 %

3 結(jié)論及注意事項(xiàng)

1）助熔劑的鎢粒應(yīng)預(yù)先烘烤，可消除助熔劑表面的雜質(zhì)氣體，減少空白影響。

2）超低碳、硫分析所用分析氣、載氣經(jīng)過(guò)凈化裝置后，也可降低系統(tǒng)空白值。

3）用抹底坩堝代替預(yù)燒坩堝，可使碳、硫的空白值降至0.003 0%～0.000 5%以下，且再次分析試樣時(shí)，抹底坩堝的底部已形成導(dǎo)電性能好、空白值極低一層助熔劑，因此會(huì)使分析效果更佳[6]。

4）硅錳、硅鐵中低碳低硫的分析方法：錫粒0.400g，純鐵屑0.600 g于抹底坩堝中鋪底，然后加入試樣0.200g，最后加入鎢粒1.500g左右（并預(yù)先（450±10）℃烘烤2h）覆蓋在試樣上面。