冶煉行業(yè)中應用到的紅外碳硫分析

摘要：鐵合金中的碳元素、硫元素的含量是衡量鐵合金品質(zhì)的重要技術(shù)指標，也是冶煉過(guò)程中影響鋼水質(zhì)量的關(guān)鍵因素，本文主要介紹、歸納了常用鐵合金的紅外碳硫分析方法。
關(guān)鍵詞： 鐵合金；紅外碳硫分析

O．引言

      隨著(zhù)機械、冶金工業(yè)的迅猛發(fā)展，產(chǎn)品技術(shù)含量進(jìn)一步提高，大量特殊材質(zhì)的鋼種被研制出來(lái)，以適應不同的應用需求。而鐵合金作為爐前鋼水冶煉的重要原材料之一，它的品質(zhì)好壞將直接影響鋼水質(zhì)量。目前，常用的鐵合金主要有：錳鐵、硅鐵、鉬鐵、鉻鐵、釩鐵等品種。其中，錳鐵又可分為高碳錳鐵、中碳錳鐵；鉻鐵又分為高碳鉻鐵、低碳鉻鐵、微碳鉻鐵等。各類(lèi)鐵合金較之于鋼材來(lái)說(shuō)，基體各不相同，如何準確快速測定鐵合金中碳、硫含量給檢測部門(mén)提出了更高的要求。準確快速測定鐵合金中的碳、硫含量，既能控制住進(jìn)廠(chǎng)鐵合金的品質(zhì)，降低采購成本，叉能對爐前冶煉鋼水碳硫成分精確控制．對確保鋼水質(zhì)量起到重要意義。
      大鍛所之前使用的檢測方法是氣體容量法，屬經(jīng)典碳硫測定方法，采用管式爐加熱，測定燃燒前后的氣體體積差，受瓷管和其他因素影響，最高燃燒溫度為1400℃ ，不能適應不同材質(zhì)的熔化溫度要求，且加熱瓷管容易燒穿，分析時(shí)間較長(cháng)，分析結果受溫度和大氣壓影響，分析精度不高，隨著(zhù)集團公司鋼產(chǎn)量的不斷增長(cháng)。外購材料的品種和數量增多。對復檢的準確度和速度等都提出 更高的要求，該分析方法愈加顯得力不從心，迫切需要一種新設備、新方法來(lái)改變這種現狀。

1．原理

1．1 基礎理論
      紅外吸收法碳、硫測定儀當前已為廣大分析工作者運用，它靈敏度高，檢測下限低，檢測下限可達：C-0．6mg／L；S-0．3 mg／L。靈敏度C、S達0．01mg／L。這是氣體容量法不可能達到的。
      紅外線(xiàn)的波長(cháng)為0．70～1000um，屬于不可見(jiàn)光，分為三個(gè)區域。近紅外區為0．70-2．5um，中紅外區為2．5-25um，遠紅外區為25～1000nm。絕大多數的紅外儀器工作在中紅外區 紅外線(xiàn)的特性接近可見(jiàn)光，所以也稱(chēng)紅外光，它與可見(jiàn)光一樣直線(xiàn)傳播，遵守光的反射和透射定律。但它又不同于可見(jiàn)光，與可見(jiàn)光相比，它有三個(gè)顯著(zhù)特點(diǎn)：第一，在整個(gè)電磁波譜中，紅外波段的熱功率最大；第二，紅外線(xiàn)能穿透很厚的氣層或云霧而不致產(chǎn)生散射；第三，紅外線(xiàn)被物質(zhì)吸收后熱效應變化顯著(zhù)，且易于控制。用紅外吸收法測定某物質(zhì)含量大小，必須其備兩個(gè)條件：一是該物質(zhì)能吸收紅外線(xiàn)能量，如極性分子的氣體CO、CO₂ 等都能吸收紅外光能量； 短該物質(zhì)吸收紅外線(xiàn)能量必須是選擇性地吸收某一特定的波長(cháng)的能垃，如而二 氧化碳吸收波長(cháng)為4.26um，二氧化硫為7.35um.
        根據紅外線(xiàn)通過(guò)待測氣體前后能量的變化與待測氣體濃度之間的關(guān)系，可近似地用朗伯-比耳定律表述如下：I=I₀e^KCL
        式中I-- 紅外線(xiàn)通過(guò)被測氣體后的能縫值；
              I₀ --紅外線(xiàn)通過(guò)被測氣體前的能量值；
              e--自然對數的底；
              k--被測氣體對紅外線(xiàn)的吸收系數；
              c--被測氣體的濃度；
              L-- 紅外線(xiàn)穿過(guò)被測氣體的厚度。
      由此可知，假如能測得I和I₀ ，便可求得氣體的濃度，這是紅外線(xiàn)氣體分析儀分析各種氣體含量的基礎之一。但由于測量I和I 很困難，目前所采用的紅外線(xiàn)氣體儀都采用雙光路系統，以比較的方法求得氣體的濃度。把金屬樣品置于陶瓷坩堝中，加入一定量的助熔劑，在氧氣氣氛中，經(jīng)高頻感應爐加熱熔融，樣品中的碳和硫形成二氧化碳和二氧化硫，這兩種物質(zhì)在紅外光譜范圍內具有特定的吸收波長(cháng)。在紅外線(xiàn)氣體分析儀的測量室未通被測氣體前，則通過(guò)測量室和參比室兩邊紅外光能量相等，這時(shí)測量?jì)x表指示為零。當二氧化碳或二氧化硫通過(guò)測量室時(shí)，二氧化碳或二氧化硫吸收了紅外光能量，測量室和參比室兩邊的紅外光能量便不相等，紅外檢測器所接受到的紅外光輻射的能量減少，其減少程度與二氧化碳或二氧化硫的濃度有關(guān)。因此，測量紅外檢測器輸出值的變化，也就測量了碳或硫在金屬樣品中的含量。
1．2 樣品的燃燒
       樣品的燃燒是分析中首先要解決的重要問(wèn)題。如果樣品燃燒不好，就不會(huì )有正確的分析結果。與儀器相配套的是HF高頻感應爐 HF高頻感應爐采用經(jīng)典的“三點(diǎn)式”電容反饋振蕩電路，電路簡(jiǎn)潔，易起振，振蕩穩定。振蕩頻率為18MHz，感應加熱速度快，瞬間可達到1900℃，1g樣品在3-5秒內即可完全熔化。
       高頻爐熱量的來(lái)源與管式爐一樣，都是由電能轉化為熱能，但加熱原理不同。高頻爐是通過(guò)電子振蕩電路產(chǎn)生高頻電磁場(chǎng)，對樣品進(jìn)行感應產(chǎn)生渦電流，從而產(chǎn)生焦耳熱，使樣品升溫熔化，所以稱(chēng)為高頻感應爐。樣品燃燒產(chǎn)生高頻輸出信號，燃燒完成后高頻感應即停止，因而較管式爐省電、省時(shí)，同時(shí) 免除了管式爐長(cháng)時(shí)問(wèn)高溫輻射之苦。高頻感應爐的感應線(xiàn)圈分為水冷和風(fēng)冷兩種。
      高頻爐對管式爐難于燃燒的特種樣品。如不銹鋼、高鉻鋼、高溫合金、中問(wèn)合金、純金屬、礦石、爐渣、以及非金屬氧化物。均有較好的燃燒效果。
1．3 助熔劑的選用
       在碳硫分析中，助熔劑是必不可少的。加入一定量的助熔劑．一方面可降低樣品的熔點(diǎn)，使樣品易于燃燒；另一方面助熔劑在燃燒過(guò)程中，有氧化放熱作用，有助于樣品溫度的提高，鎢粒及其合會(huì )(如WSn、WfeSn等)是高頻爐常刖的助熔劑 鎢粒有較好的透氣忡和較高的熱值，燃燒不飛濺，具有降低碳硫釋放速度，穩定碳硫分析結果的作用，燃燒后生成酸性三氧化鎢，對消除硫的吸附有良好的效果。
       工業(yè)純鐵也是一種很好的助熔劑，它在生鐵、鐵合金、不銹鋼、耐熱臺金以及其它特種材料的分析中有廣泛的應用。
       三氧化鉬對消除硫的吸附比三氧化鎢有更好的效果，對于高鉻鋼、高錳鋼的分析，加入適量的三氧化鉬，能獲得理想的硫分析效果。錫粒也可用于高頻爐中，但加入量不宜過(guò)多(通常為0．3g以下，且需同MoO₃ 同時(shí)加入)，加入量過(guò)多。產(chǎn)生的粉塵也多，這對硫的分析是不利的。
      另外，氧化銅也是分析鐵合金的良好助熔劑，五氧化二釩在硫的分析中經(jīng)常使用。

2．試驗

2 . 1 試驗器材
       HCS878型高頻紅外碳硫儀氧氣(二重工業(yè)瓶裝氧)純度≥99 2％
2．2 試驗條件
       分析軟件：紅外碳硫分析系統版本：5．0(德陽(yáng)市科學(xué)儀器廠(chǎng))
       驅動(dòng)氣(氧氣)壓力：0．5MPa
       載氣(氧氣)壓力：0．07 MPa
2．3 氧氣的凈化
        氧氣的凈化對碳、硫分析是十分重要的。氧氣中通常含有水分和二氧化碳及少量碳氫化臺物等雜質(zhì)，對樣品燃燒和碳硫檢測都將產(chǎn)生影響，需要加以清除。對于紅外檢測來(lái)說(shuō)，水分對硫的榆測影響更大，除了通常的吸附影響外，還由于水蒸氣對紅外線(xiàn)的吸收峰與SO₂ 的吸收峰十分靠近，而嚴重干擾硫的測定 所以氧氣的干燥對紅外檢測比其它檢測方法有更高的要求。氧氣中的水分的清楚多采用高氯酸鎂，二氧化碳采用堿石棉吸收。對于超低碳硫的分析。則需要采用超純氧氣凈化裝置。
2．4 試驗結果
       碳硫分析中，最為關(guān)鍵的條件是試樣的燃燒狀況。試樣完全燃燒，二氧化碳、二氧化硫完全釋放進(jìn)入吸收池。這種狀況是碳硫分析的理想狀態(tài)。但實(shí)際操作過(guò)程中，很難達到百分之百的完全燃燒。為了盡可能的使試樣接近完全燃燒，我們的助熔劑都要求定量加入，且大多是混合助熔劑。力求使樣品在相同的條件下燃燒。而且，這種定量加入，對消除助熔劑的空白值的影響也是大有裨益。
       對不同的材料來(lái)說(shuō)，由于其材質(zhì)的不同，燃燒效率、釋放速度迥然不同。這就要求我們對各類(lèi)鐵合金區別對待。在清洗時(shí)間、預熱時(shí)間、加熱時(shí)間、分析時(shí)間等分析條件上找到一個(gè)最好的匹配條件。
       通過(guò)大量細致、繁瑣的條件試驗。我們對幾類(lèi)常用鐵合金從助熔劑配方、分析條件等方面，摸索、歸納除了一套卓有成效的分析方法，列表如下：

2．5 結果驗證
2．5．1精密度試驗
       選用有代表性的各種鐵合金標準樣品各一種，在各自的通道下，平行測定10次，對分析結果進(jìn)行統計計算。統計結果表明，試驗的精密度、重現性良好。
2．5．2 準確度試驗
       我們對上述幾類(lèi)鐵合金的分析方法進(jìn)行了大量的標樣比對驗證，以高碳鉻鐵和硅鐵(國家標準物質(zhì))為例，見(jiàn)下表：

        通過(guò)對上表的數據分析，所有測量值的分析偏差均小于GB223-87中規定的測世允許差。

3．結論

       紅外吸收法測定常用鐵合盒巾的碳、硫含量，具有快速、高效、準確的特點(diǎn)， 要按照上述的試驗條件，正確操作，完全能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，實(shí)現檢測與實(shí)際生產(chǎn)的密切結合。