钢中氧氮含量测定结果不稳定原因分析及解决方法

李云龙

（天津天铁冶金集团热轧板有限公司技术质量部，河北涉县056404）

1 引言

天铁热轧板有限公司应用日本崛场EMGA-620W氧氮分析仪测定钢水、板坯、钢卷中氧氮含量时，发现测定结果稳定性差，是由于仪器工作状态的稳定性情况和钢样制取的方法不同等原因。为了提高数据可靠性和准确度，对仪器进行了最优工作状态的标定，对取样方法及器具、试样制备等采取了一系列的优化改进措施后，保障了测定结果稳定性，满足了实际工作需要，为冶炼工艺提供了更准确的依据，保证了最终产品的质量。

2 仪器和相关条件及设备

2.1 仪器工作原理及工作参数

日本崛场EMGA-620W氧氮分析仪采用惰性气体激发热熔分析氧和氮[1]，O转化为CO，经非色散红外（NDIR）测试仪迅速准确的测试CO气体[2]，N用导热检测器测试[3]。当强电流通过夹在上、下两个电极之间的石墨坩埚时，产生焦耳热，坩埚温度迅速升高。首先，在高温条件下驱逐石墨坩埚里的气体。然后，将试样置于坩埚中，在高温下试样发生热分解。试样中的O与来自坩埚中的碳化合生成CO气体，试样中的N生成N2。这些气体被He2载体分别送往非色散红外测试仪和导热检测器，分别检测CO和N2的信号值，做相应数模转换，获得试样中的氧氮含量。

日本崛场EMGA-620W氧氮分析仪参数值见表1。

2.2 相关条件和设备

内、外石墨坩埚；载气为He2（纯度：99.9996%），压力0.35 MPa；动力气为N2压力0.35 MPa；南京和澳双厚度铣样机；手动磨样机；南京和澳液压冲样机；80目Al2O3砂纸；200目ZrO2砂纸；AR级无水乙醇；AR级四氯化碳；纯锡助熔剂；∅12.5 mm定量滤纸；金刚锉。

3 测定结果不稳定的影响因素

表1 日本崛场EMGA-620W氧氮分析仪参数值

3.1 空白值

空白值的存在是不可避免的。其主要来源于石墨坩埚、载气、助熔剂、仪器稳定程度。表2是仪器工作参数稳定前后空白测定值对比。

表2 仪器工作参数稳定前后空白测定值对比

由表2对比可知，仪器稳定前空白值标准偏差明显高于稳定后的，说明分析偏差较大；RSD值较大，空白重现性很差，证明仪器状态不满足测试要求；空白值远大于实际空白值（BLANK实趋于0×10-6）增加了试样测定结果的误差。

因此，测定试样前应先通载气、开机预热1.5 h以上，不间断空烧石墨坩埚10次以上，确认仪器各项参数值达到分析要求后，再进行试样测试工作。这样可以降低因空白值的更多引入带来的分析误差。

3.2 取制样方法

不稳定因素中最重要的一个环节是试样制备[4]环节。试样制备环节分为两大部分：一部分为现场取样；另一部分为化验室制样方法。

3.2.1 现场取样

现场取样时，一般采用两种取样器：a为普通取样器；b为真空取样器。普通取样器依靠钢水静压力取样，取出试样存在氧化物夹杂、缩孔、表面严重氧化等问题，缺陷明显多于真空取样器（抽真空式取样）取得的试样。

以上缺陷对测定结果稳定性的影响是直接的和不可控的，见表3。

表3 20根直径D=5 mm，长L=50 mm棒状试样

A类试样结果误差大于B类试样；氧分析值由于试样表面氧化、内部氧化物夹杂、缩孔、裂纹等缺陷造成数据重现性很差，结果偏差很大；氮分析值由于A类试样内部含水高于B类，导致结果普遍偏高。对比表明A类测定结果没有B类的稳定、可靠、准确度高，见表4。

表4 取相同冶炼工位试样测定结果对比（n=6）

为获得准确的测定结果，做钢中氧氮测定工作前，如果分析成本允许，应尽可能选用真空取样器来取氧氮测定试样。

3.2.2 化验室制样方法

氧氮试样制备一般步骤：收到现场来样→贴签分类→试样表面抛光→切、冲取小（∅：5 mm，m：1.0 g）→浸泡除水、除油，见表5。

实际工作证明，采用表5方法后，试样中氧氮含量测定值比实际值要高一些，其制样方法也存在诸多不妥之处。

抛光材料因选用80目Al2O3砂纸，磨制过程中造成试样表面细微凹坑处嵌入Al2O3，造成氧结果值增加（1～2）×10-6。试样因磨制产生过热，表面二次氧化，致使氧结果值比试样实际含量高。取样时试样表面急速水冷导致硬度增加，试样表皮以下不易磨掉，整体制样效率低。研究表明，浸泡时间过短会造成试样表面除水、除油不彻底。试样中氧和氮含量是×10-6级的，水和油的存在使氧氮测定结果偏高。自然晾干容易使浸泡完的试样表面二次污染（吸附空气中的水分和微尘），试样表面干燥时间过长，影响测定效果和速度。

表5 常见试样制备方法

4 制样方法改进与试验结果

4.1 制样方法改进

为了达到更好的制样效果，对以上存在问题仔细研究后，采用表6改进后制样方法进行试验。

表6 改进后氧、氮分析试样制备方法

使用80目Al2O3砂纸对表皮进行粗加工后，再用200目ZrO2砂纸和金刚锉对表皮下进行细加工，加工后效果很明显，试样表面纹路很细，无粗糙纹路和凹坑，这样就避免了由于抛光后表面纹路过粗、凹坑而嵌入Al2O3增加了氧，使结果偏高。磨制过程中反复水冷可大大降低过热造成试样表面的二次氧化，减少对氧真值的影响。浸泡时间的增加有效地清除了试样抛光后表面沾污物，降低分析误差。采用热吹风机干燥可以大大缩短干燥时间，避免浸泡完的试样二次暴露污染。

4.2 试验结果（见表7）

表7 测定结果

在仪器稳定后，空白值基本趋零，采用真空取样器取样，表6为制样方法的条件下，对标准物质和随机抽取的试样所测定的结果。

通过数据可判断，标准物质测定结果满足其误差要求，说明仪器状态稳定，分析曲线线性良好。随机试样数据重现性很好，偏差在正常范围之类，证明采用改进后的制样方法取得了良好的分析效果。

5 结论

通过对仪器状态、取样、制样等改进优化后，保障了测定结果稳定性，满足了实际工作需要，为冶炼工艺提供了更准确的依据，保证了最终产品的质量，为企业产品的出售提供了依据。

[1]徐霞，莫庆军.钢中氧、氮测定方法研究[J].冶金分析，2004，24（10）：444.

[2]GB/T20123—2006，钢铁总碳硫含量测定高频感应炉燃烧后红外吸收法[S].北京:中国标准出版社，2006.

[3]GB/T12690.4—2003，稀土金属及其氧化物中非稀土杂质化学分析方法:氧、氮量的测定——脉冲-红外吸收法和脉冲-热导法[S].