低温绝热气瓶（杜瓦罐）充装液氩在直读光谱仪上的应用

苏文星， 郑贵增， 艾 鹏， 降建平

（连云港兴鑫钢铁有限公司技术检测中心， 江苏 连云港 222500）

直读光谱仪因其具有快速、准确、操作简单、多元素测定等特点被广泛应用于冶金检测领域。在冶金工业中，对钢铁材料和合金的光谱分析使用氩气气体控制，当样品在氩气中激发时，由于取代了空气中的氧和氮，防止了样品在激发过程中的选择氧化，使放电状态稳定，有利于提高光谱分析的精密度，同时减少了CN、CO、NO 等分子的带状光谱，增强了谱线强度。另外氧对140.0～195.0 nm 波长的光谱会有强烈的吸收效果，在氩气气氛中排除氧的存在，使得这一波段的C、S、P、B、As、Se、Sn、N 等灵敏线可被利用，扩大了光谱分析领域。

此外，氩气对钨电极有保护作用，光谱激发时瞬间电压、电流大，激发温度高，氩气纯度不够会对钨电极造成损害，并且会使一些高熔点的样品激发不充分，在激发表面留下很多白点，造成检测数据不准。高纯氩作为火花室保护气的主体，其纯度高才会形成需要的“聚能放电”，样品的组织结构越复杂，对氩气的纯度要求就越严格。通常引起分析数据不稳定的主要原因就是氩气的纯度，一般情况下，铸铁、铸铝及高纯金属等材质时需使用纯度为99.999%的氩气。

1 液氩替代高压气瓶氩气的设计背景

连云港兴鑫钢铁有限公司（全文简称我公司）检测中心钢铁化验室共配置3 台德国OBLF-GS1000型火花直读光谱仪，主要用于炼钢生产样的分析及炼钢生铁及成品的检测分析工作，为更好地服务炼钢，钢铁实验室选择靠近炼钢车间的位置，位于三楼炼钢平台右侧，仪器所用氩气是采用外购南京特气生产的40 L 瓶装高纯氩气，在一楼设气瓶室，将几组气瓶通过汇流排连接，通过管道输送至仪器。因炼钢生产节奏快，样品检测量大，每瓶高纯氩气使用期限仅为3 d，经统计，钢铁实验室每月总用气量达到28～30 瓶。按照要求每更换一瓶氩气需对光谱仪进行完全标准化工作，且经常遇有氩气不纯情况，所以给快节奏的检测工作带来诸多不便。

钢铁企业作为国民经济中最大的用氧部门，其生产过程所需大量氧气，我公司制氧厂在制取氧气的同时也生产出氮气和氩气等工业气体，副产品氩气被深冷储存于液氩罐中，该液氩纯度达99.999%，完全可以作为光谱仪用气使用。为解决这一问题，联合公司制氧厂相关技术人员共同进行研究讨论，最终安全、科学地设计了充氩管路，规范了充氩流程，实现了自产自用液氩替代高压气瓶氩气的目的。采用特殊管路将液氩充至低温绝热气瓶（杜瓦罐），运送至气瓶存放处，连接管道，开启气化阀门，调整好压力，将液氩缓缓气化，并由管道送至光谱仪。

2 杜瓦罐充装液氩在直读光谱仪上的应用探讨

公司采用山东奥扬科技股份有限公司生产的B4（1）（2）级低温绝热气瓶（杜瓦罐）公称容积为175 L，工作压力为2.3 MPa，最大充装量为225 kg，该气瓶作为一种低温绝热压力容器，双层真空结构设计。内胆用来储存低温液体，在外壁附有多层绝热材料，具有超强隔热性能，外壳和支撑系统的设计能够承受运输车辆在行驶中所产生的相关外力。

2.1 具体操作

低温瓶的充装通过1 根独立的软管完成。充液时，首先将充装软管与瓶的充装接头连接，打开气相阀，然后开启液相阀，低温液体将通过连接软管进入瓶内胆。当液位计显示满时，停止充装。

热瓶充装：通常将首次充装低温液体前和停止工作两周以上的瓶称为“热瓶”。首先向瓶内充入大约20 L 的低温液体，静置，在瓶内液体气化升压的过程中，瓶内胆也得到冷却，当瓶内压力达到正常工作压力后，进行系统检漏，通过放空降低压力，即可按常规充装程序进行操作。此外，放空充装程序也适用于已知的“热瓶”。

2.2 气态供给

当瓶的压力较高时，打开气相阀，瓶内的压力将把气相从瓶内的顶部压出，进入汽化器。在汽化器内被汽化、加温后供给实验室。这种方式对降低瓶内的压力具有显著、重要的作用。若需稳定、长时间保持该状态，需开启增压截止阀，并将调压阀调至所需压力，气化后的氩气经汇流排管道输送至3 台光谱仪。需注意的是，在出气口位置需配置一套双表氩气减压阀，用以将罐体气化出的氩气减压至仪器所需压力。一般光谱仪使用氩气压力在0.4～0.6 MPa,可在氩气净化机入口处加精调减压阀，以精确控制仪器使用氩气的流量。低温绝热气瓶（杜瓦罐）的阀门示意图如图1 所示。

图1 低温绝热气瓶（杜瓦罐）的阀门示意图

2.3 液体保留

为方便下次充装，瓶内的液体应遗留2～3 L 为宜，不可用尽，并使瓶处于冷态，不可转变为“热瓶”。

2.4 低温绝热气瓶（杜瓦罐）优点

采用真空绝热不锈钢容器，同压缩气体钢瓶相比更为安全；氩气由液态变为气态，体积增加约780倍，液态氩的密度是1.40 kg/L，气态氩气在常温下的密度为1.78 kg/m3,175 L 的液压杜瓦罐按照气体膨胀系数折算约为23 瓶40 L 的高压气瓶；储存容量大，可减少场地存放，减少换瓶操作，提高工作效率；在相对低的压力下能容纳大量的气体，可满足气液双相使用；其优势还有储存压力低，配有多级安全保护装置，操作简单、安全性好；气体利用率高，钢瓶每次都需留有余气，以液态供气可以避免浪费，降低成本；自增压装置，压力及液位显示一目了然；瓶体清洁，使用的液氩纯度更高，避免气体运输中的二次污染。值得注意的是，对于长期不用氩气或使用频率不高的设备，液氩需定期卸压，否则液氩会泄露直至耗尽。

2.5 注意事项

初次使用杜瓦罐一定要仔细阅读说明书，按照规定严格操作使用。氩气室需配备氧气浓度报警装置；气瓶应存放在通风良好的地方，不得在烈日下长时间暴晒；严禁采用横卧滚动方式来搬动气瓶；若阀门冻住，应使用清洁无油的温水或热氮气解冻，之后方可操作；不得用锤或其他物件敲击阀门。

杜瓦罐主要有四个阀门供使用，即液体使用阀、气体使用阀、放空阀、增压阀。此外还有气相压力表和液位计。杜瓦罐储存未使用时切记不能打开增压阀，一定要检查增压阀是否关死，否则会造成罐内气体泄露。

3 试验比对数据

使用低温绝热气瓶（杜瓦罐）充装液氩在直读光谱仪上分析中低合金钢标准样品，对重复性试验结果进行分析。

YSBS281007—2007 中低合金钢标样样品的重复性试验结果如表1 所示。

表1 YSB样S2品81的0重07复—性20试07验 中结低果合 金钢标样%

使用YSBS 281007—2007 中低合金钢标样样品做精确度试验，试验结果如表2 所示。

表2 YSBS 2样8品10精07确—度20试07验 中结低果合 金钢标样%

采用铸铁光谱标准样品YSBS 4510182—15 做精确度试验，比对结果如表3 所示。

表3 铸铁光谱标准样试品验Y结SB果S 4510182—15 精确度%

4 结论与效果评价

经分析可知，将低温绝热气瓶（杜瓦罐）充装液氩应用在直读光谱仪上进行分析试验的精密度高，符合标准GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法（常规法）》及GB/T 24234—2009《铸铁 多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法（常规法）》的要求。因此使用低温绝热气瓶（杜瓦罐）替代高压气瓶完全可行，此举不仅解决了长期以来运输、更换气体钢瓶的麻烦，更是实现了不间断供气要求；降低了员工的劳动强度，从一定程度上避免了因运送氩气钢瓶造成的安全事故；使用自产液氩替代外购南京特气的高纯氩，降低了检测分析成本，减少了资源浪费，仅此一项为公司一年节约外购氩气费用约10 余万元。采用低温绝热气瓶（杜瓦罐） 充装液氩也可使用在ICP-OES 和ICP-MS 及色谱仪等对氩气使用量大的检测设备上。

值得注意的是，对于长期不用氩气或对氩气使用频率不高的设备，需人工对液氩进行定期卸压，否则液氩会泄露直至完全耗尽。所以使用低温绝热气瓶（杜瓦罐）替代高压气瓶的方法适用于钢铁企业炉前快速检验、不间断检测实验室的检测设备，且用氩气量较大的用户及实验室，在这些场景中该法值得广泛推广应用。