冶煉行業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的重要技術指標，也是冶煉過程中影響鋼水質量的關鍵因素，本文主要介紹、歸納了常用鐵合金的紅外碳硫分析方法。
關鍵詞： 鐵合金；紅外碳硫分析

O．引言

      隨著機械、冶金工業的迅猛發展，產品技術含量進一步提高，大量特殊材質的鋼種被研制出來，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，它的品質好壞將直接影響鋼水質量。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。各類鐵合金較之于鋼材來說，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，既能控制住進廠鐵合金的品質，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℃ ，不能適應不同材質的熔化溫度要求，且加熱瓷管容易燒穿，分析時間較長，分析結果受溫度和大氣壓影響，分析精度不高，隨著集團公司鋼產量的不斷增長。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。
      紅外線的波長為0．70～1000um，屬于不可見光，分為三個區域。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 紅外線的特性接近可見光，所以也稱紅外光，它與可見光一樣直線傳播，遵守光的反射和透射定律。但它又不同于可見光，與可見光相比，它有三個顯著特點：第一，在整個電磁波譜中，紅外波段的熱功率最大；第二，紅外線能穿透很厚的氣層或云霧而不致產生散射；第三，紅外線被物質吸收后熱效應變化顯著，且易于控制。用紅外吸收法測定某物質含量大小，必須其備兩個條件：一是該物質能吸收紅外線能量，如極性分子的氣體CO、CO₂ 等都能吸收紅外光能量； 短該物質吸收紅外線能量必須是選擇性地吸收某一特定的波長的能垃，如而二 氧化碳吸收波長為4.26um，二氧化硫為7.35um.
        根據紅外線通過待測氣體前后能量的變化與待測氣體濃度之間的關系，可近似地用朗伯-比耳定律表述如下：I=I₀e^KCL
        式中I-- 紅外線通過被測氣體后的能縫值；
              I₀ --紅外線通過被測氣體前的能量值；
              e--自然對數的底；
              k--被測氣體對紅外線的吸收系數；
              c--被測氣體的濃度；
              L-- 紅外線穿過被測氣體的厚度。
      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，這兩種物質在紅外光譜范圍內具有特定的吸收波長。在紅外線氣體分析儀的測量室未通被測氣體前，則通過測量室和參比室兩邊紅外光能量相等，這時測量儀表指示為零。當二氧化碳或二氧化硫通過測量室時，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。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題。如果樣品燃燒不好，就不會有正確的分析結果。與儀器相配套的是HF高頻感應爐 HF高頻感應爐采用經典的“三點式”電容反饋振蕩電路，電路簡潔，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。高頻爐是通過電子振蕩電路產生高頻電磁場，對樣品進行感應產生渦電流，從而產生焦耳熱，使樣品升溫熔化，所以稱為高頻感應爐。樣品燃燒產生高頻輸出信號，燃燒完成后高頻感應即停止，因而較管式爐省電、省時，同時 免除了管式爐長時問高溫輻射之苦。高頻感應爐的感應線圈分為水冷和風冷兩種。
      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，使樣品易于燃燒；另一方面助熔劑在燃燒過程中，有氧化放熱作用，有助于樣品溫度的提高，鎢粒及其合會(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，但加入量不宜過多(通常為0．3g以下，且需同MoO₃ 同時加入)，加入量過多。產生的粉塵也多，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(德陽市科學儀器廠)
       驅動氣(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，對樣品燃燒和碳硫檢測都將產生影響，需要加以清除。對于紅外檢測來說，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入吸收池。這種狀況是碳硫分析的理想狀態。但實際操作過程中，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。
       對不同的材料來說，由于其材質的不同，燃燒效率、釋放速度迥然不同。這就要求我們對各類鐵合金區別對待。在清洗時間、預熱時間、加熱時間、分析時間等分析條件上找到一個最好的匹配條件。
       通過大量細致、繁瑣的條件試驗。我們對幾類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
       我們對上述幾類鐵合金的分析方法進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)為例，見下表：

        通過對上表的數據分析，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， 要按照上述的試驗條件，正確操作，完全能滿足生產需要，實現檢測與實際生產的密切結合。