高频燃烧-红外吸收光谱法测定钢铁中超低含量的碳硫

2014-02-26童晓旻高春英

中国无机分析化学 2014年4期

王楠童晓旻高春英

(东北大学分析测试中心，沈阳 110004)

0 引言

高频燃烧红外吸收光谱法测定钢中碳硫是较为普遍也较为成熟的碳硫分析方法[1-2]，所分析的碳的范围多数在0.10%～4.3%，硫的范围0.05%～0.30%[3]。随着市场对钢材优质化和品种多样化要求不断提高，各种新型钢种特殊钢种不断出现，这些新钢种的杂质元素很多都要求控制在μg/g级[4]，因此对钢中超低含量碳硫的准确分析，是科研和生产活动的迫切需要，同时也对未来出现的新钢种中超低碳硫的分析具有一定的指导意义，目前对钢铁中超低含量碳硫的分析有相关文献报道，柳轶男[5]等对影响钢铁中碳硫分析的相关因素进行了探讨建立了最佳分析条件，并对碳含量0.08%，硫含量0.027%的标准样品进行了测定，取得了满意效果，刘金祥[6]等通过对氧气净化、坩埚预处理等条件的优化实现了对碳含量0.027%，硫含量0.013%的标准样品的准确测定，相关的报道还有很多[7-10]，在吸取前人经验的基础上，对钢铁中超低含量碳硫的测定进行了更加详实的研究。

1 原理

高频燃烧红外吸收光谱法就是将样品送入高频振荡强磁场内，由于电磁感应效果，样品中的分子、通过电子高速振动产生热，在极短时间内能把样品加热到所需要的温度，在氧气氛围内燃烧，试样中的C，S元素和氧反应生成少量CO大量CO2和SO2，分析气体随载气进入气路系统，先到达SO2检测池进行S的检测，随后通过热的氧化铜，将少量CO转换成CO2；SO2转化成SO3被纤维棉吸收，然后，试样气体通过CO2红外检测池检测C含量。

2 实验部分

2.1 仪器和试剂

LECO CS230红外碳硫分析仪(配天平)。

气体：氧气(纯度>99.92%)、氮气(纯度>99.99%)。

助熔剂：铁助熔剂(ωC<0.0005%，ωS<0.0005%)、钨助熔剂(ωC<0.0008%，ωS<0.0005%)、锡助熔剂(ωC<0.001%，ωS<0.0005%)、钨锡助熔剂(ωC<0.0008%，ωS<0.0005%)。

碳硫分析专用陶瓷坩埚(Ф=25 mm)。

2.2 仪器预热及调试

主机通电预热1 h后，将高频炉和气体净化器通电继续预热0.5 h，打开测量软件，进行漏气检查，若漏气检查通过仪器即可开始进行分析。

2.3 样品的测量

称0.5 g某已知碳硫含量的钢铁样品，加入1.5 g纯钨助溶剂，放入仪器进行测量，反复这样操作若干次，使仪器对碳硫的吸附达到一种平衡再开始标准样品及样品的测量。按前述操作方法选择一组合适的标准样品绘制校准曲线，并进行未知样品的测量。

3 结果与讨论

3.1 气体的净化

普通的工业氧可能会有少量的有机物、CO等杂质，在燃烧过程中会产生CO2和H2O，产生的CO2会使碳的测量结果偏高；而产生的H2O对4.5～7.5 μm的红外线均有吸收，一方面会影响硫的测定，另一方面也会出现严重的拖尾现象增加分析时间。为了使测定更加准确，我们配备了CF10气体净化装置，对进入炉内的氧气进行净化，既得到了较满意的分析结果，又降低了仪器本身高氯酸镁的更换频率，大大降低了成本。

3.2 坩埚的处理

碳硫分析专用坩埚由于吸收水分和受到空气中CO2和粉尘的污染，是空白值的主要来源，通过实验证实经过预烧的坩埚空白值可下降60%左右，分别采用两种方式进行预烧实验，一是1 350 ℃下烧45 min，二是1 000 ℃烧4 h，实验证明这两种预烧方式在降低空白值方面达到的效果是一致的，为了减少分析时间节约能源，实验选择1 350 ℃下烧45 min这种方式，预烧后的坩埚冷却后放于干燥器中存放，并在45 min内使用。

3.3 试样的处理及称样量的选择

由于钢铁样品一般是经过车、钻等加工过程得到，在试样的加工和传递过程中可能受到污染，这种污染对超低碳硫含量的钢铁样品来说影响非常大，因此我们在分析样品之前先将样品在丙酮中清洗数分钟，并在70 ℃烘干待用。

由于钢铁中含量较低的元素可能存在偏析现象，所以称样量太小，样品代表性不好，且称样量太小，由天平引起的称量误差太大；但称样量太大，消耗助熔剂太多，成本增加且存在燃烧不完全的可能，综合考虑选择称样量为0.5 g。

3.4 助熔剂种类及用量的选择

助熔剂的种类和用量是关乎分析结果好坏的关键，考察了钨助熔剂、锡助熔剂和钨锡助熔剂，通过对比发现，钨助熔剂反应速度快、燃烧稳定、无粉尘、碳硫释放曲线平滑、结果精密度准确度均较好；锡助熔剂产生大量粉尘，且结果的精密度和准确度较差；钨锡助熔剂的效果介于两者之间。助熔剂的空白值也是选择助熔剂的考虑因素之一，在相同实验条件下对上述三种助熔剂空白值进行了测定，结果见表1。