冶炼行业中应用到的红外碳硫分析

冶炼行业中应用到的红外碳硫分析

摘要：铁合金中的碳元素、硫元素的含量是衡量铁合金品质的重要技术指标，也是冶炼过程中影响钢水质量的关键因素，本文主要介绍、归纳了常用铁合金的红外碳硫分析方法。
关键词： 铁合金；红外碳硫分析

O．引言

      随着机械、冶金工业的迅猛发展，产品技术含量进一步提高，大量特殊材质的钢种被研制出来，以适应不同的应用需求。而铁合金作为炉前钢水冶炼的重要原材料之一，它的品质好坏将直接影响钢水质量。目前，常用的铁合金主要有：锰铁、硅铁、钼铁、铬铁、钒铁等品种。其中，锰铁又可分为高碳锰铁、中碳锰铁；铬铁又分为高碳铬铁、低碳铬铁、微碳铬铁等。各类铁合金较之于钢材来说，基体各不相同，如何准确快速测定铁合金中碳、硫含量给检测部门提出了更高的要求。准确快速测定铁合金中的碳、硫含量，既能控制住进厂铁合金的品质，降低采购成本，叉能对炉前冶炼钢水碳硫成分精确控制．对确保钢水质量起到重要意义。
      大锻所之前使用的检测方法是气体容量法，属经典碳硫测定方法，采用管式炉加热，测定燃烧前后的气体体积差，受瓷管和其他因素影响，最高燃烧温度为1400℃ ，不能适应不同材质的熔化温度要求，且加热瓷管容易烧穿，分析时间较长，分析结果受温度和大气压影响，分析精度不高，随着集团公司钢产量的不断增长。外购材料的品种和数量增多。对复检的准确度和速度等都提出 更高的要求，该分析方法愈加显得力不从心，迫切需要一种新设备、新方法来改变这种现状。

1．原理

1．1 基础理论
      红外吸收法碳、硫测定仪当前已为广大分析工作者运用，它灵敏度高，检测下限低，检测下限可达：C-0．6mg／L；S-0．3 mg／L。灵敏度C、S达0．01mg／L。这是气体容量法不可能达到的。
      红外线的波长为0．70～1000um，属于不可见光，分为三个区域。近红外区为0．70-2．5um，中红外区为2．5-25um，远红外区为25～1000nm。绝大多数的红外仪器工作在中红外区 红外线的特性接近可见光，所以也称红外光，它与可见光一样直线传播，遵守光的反射和透射定律。但它又不同于可见光，与可见光相比，它有三个显著特点：第一，在整个电磁波谱中，红外波段的热功率最大；第二，红外线能穿透很厚的气层或云雾而不致产生散射；第三，红外线被物质吸收后热效应变化显著，且易于控制。用红外吸收法测定某物质含量大小，必须其备两个条件：一是该物质能吸收红外线能量，如极性分子的气体CO、CO₂ 等都能吸收红外光能量； 短该物质吸收红外线能量必须是选择性地吸收某一特定的波长的能垃，如而二 氧化碳吸收波长为4.26um，二氧化硫为7.35um.
        根据红外线通过待测气体前后能量的变化与待测气体浓度之间的关系，可近似地用朗伯-比耳定律表述如下：I=I₀e^KCL
        式中I-- 红外线通过被测气体后的能缝值；
              I₀ --红外线通过被测气体前的能量值；
              e--自然对数的底；
              k--被测气体对红外线的吸收系数；
              c--被测气体的浓度；
              L-- 红外线穿过被测气体的厚度。
      由此可知，假如能测得I和I₀ ，便可求得气体的浓度，这是红外线气体分析仪分析各种气体含量的基础之一。但由于测量I和I 很困难，目前所采用的红外线气体仪都采用双光路系统，以比较的方法求得气体的浓度。把金属样品置于陶瓷坩埚中，加入一定量的助熔剂，在氧气气氛中，经高频感应炉加热熔融，样品中的碳和硫形成二氧化碳和二氧化硫，这两种物质在红外光谱范围内具有特定的吸收波长。在红外线气体分析仪的测量室未通被测气体前，则通过测量室和参比室两边红外光能量相等，这时测量仪表指示为零。当二氧化碳或二氧化硫通过测量室时，二氧化碳或二氧化硫吸收了红外光能量，测量室和参比室两边的红外光能量便不相等，红外检测器所接受到的红外光辐射的能量减少，其减少程度与二氧化碳或二氧化硫的浓度有关。因此，测量红外检测器输出值的变化，也就测量了碳或硫在金属样品中的含量。
1．2 样品的燃烧
       样品的燃烧是分析中首先要解决的重要问题。如果样品燃烧不好，就不会有正确的分析结果。与仪器相配套的是HF高频感应炉 HF高频感应炉采用经典的“三点式”电容反馈振荡电路，电路简洁，易起振，振荡稳定。振荡频率为18MHz，感应加热速度快，瞬间可达到1900℃，1g样品在3-5秒内即可完全熔化。
       高频炉热量的来源与管式炉一样，都是由电能转化为热能，但加热原理不同。高频炉是通过电子振荡电路产生高频电磁场，对样品进行感应产生涡电流，从而产生焦耳热，使样品升温熔化，所以称为高频感应炉。样品燃烧产生高频输出信号，燃烧完成后高频感应即停止，因而较管式炉省电、省时，同时 免除了管式炉长时问高温辐射之苦。高频感应炉的感应线圈分为水冷和风冷两种。
      高频炉对管式炉难于燃烧的特种样品。如不锈钢、高铬钢、高温合金、中问合金、纯金属、矿石、炉渣、以及非金属氧化物。均有较好的燃烧效果。
1．3 助熔剂的选用
       在碳硫分析中，助熔剂是必不可少的。加入一定量的助熔剂．一方面可降低样品的熔点，使样品易于燃烧；另一方面助熔剂在燃烧过程中，有氧化放热作用，有助于样品温度的提高，钨粒及其合会(如WSn、WfeSn等)是高频炉常刖的助熔剂 钨粒有较好的透气忡和较高的热值，燃烧不飞溅，具有降低碳硫释放速度，稳定碳硫分析结果的作用，燃烧后生成酸性三氧化钨，对消除硫的吸附有良好的效果。
       工业纯铁也是一种很好的助熔剂，它在生铁、铁合金、不锈钢、耐热台金以及其它特种材料的分析中有广泛的应用。
       三氧化钼对消除硫的吸附比三氧化钨有更好的效果，对于高铬钢、高锰钢的分析，加入适量的三氧化钼，能获得理想的硫分析效果。锡粒也可用于高频炉中，但加入量不宜过多(通常为0．3g以下，且需同MoO₃ 同时加入)，加入量过多。产生的粉尘也多，这对硫的分析是不利的。
      另外，氧化铜也是分析铁合金的良好助熔剂，五氧化二钒在硫的分析中经常使用。

2．试验

2 . 1 试验器材
       HCS878型高频红外碳硫仪氧气(二重工业瓶装氧)纯度≥99 2％
2．2 试验条件
       分析软件：红外碳硫分析系统版本：5．0(德阳市科学仪器厂)
       驱动气(氧气)压力：0．5MPa
       载气(氧气)压力：0．07 MPa
2．3 氧气的净化
        氧气的净化对碳、硫分析是十分重要的。氧气中通常含有水分和二氧化碳及少量碳氢化台物等杂质，对样品燃烧和碳硫检测都将产生影响，需要加以清除。对于红外检测来说，水分对硫的榆测影响更大，除了通常的吸附影响外，还由于水蒸气对红外线的吸收峰与SO₂ 的吸收峰十分靠近，而严重干扰硫的测定 所以氧气的干燥对红外检测比其它检测方法有更高的要求。氧气中的水分的清楚多采用高氯酸镁，二氧化碳采用碱石棉吸收。对于超低碳硫的分析。则需要采用超纯氧气净化装置。
2．4 试验结果
       碳硫分析中，最为关键的条件是试样的燃烧状况。试样完全燃烧，二氧化碳、二氧化硫完全释放进入吸收池。这种状况是碳硫分析的理想状态。但实际操作过程中，很难达到百分之百的完全燃烧。为了尽可能的使试样接近完全燃烧，我们的助熔剂都要求定量加入，且大多是混合助熔剂。力求使样品在相同的条件下燃烧。而且，这种定量加入，对消除助熔剂的空白值的影响也是大有裨益。
       对不同的材料来说，由于其材质的不同，燃烧效率、释放速度迥然不同。这就要求我们对各类铁合金区别对待。在清洗时间、预热时间、加热时间、分析时间等分析条件上找到一个最好的匹配条件。
       通过大量细致、繁琐的条件试验。我们对几类常用铁合金从助熔剂配方、分析条件等方面，摸索、归纳除了一套卓有成效的分析方法，列表如下：

2．5 结果验证
2．5．1精密度试验
       选用有代表性的各种铁合金标准样品各一种，在各自的通道下，平行测定10次，对分析结果进行统计计算。统计结果表明，试验的精密度、重现性良好。
2．5．2 准确度试验
       我们对上述几类铁合金的分析方法进行了大量的标样比对验证，以高碳铬铁和硅铁(国家标准物质)为例，见下表：

        通过对上表的数据分析，所有测量值的分析偏差均小于GB223-87中规定的测世允许差。

3．结论

       红外吸收法测定常用铁合盒巾的碳、硫含量，具有快速、高效、准确的特点， 要按照上述的试验条件，正确操作，完全能满足生产需要，实现检测与实际生产的密切结合。