高频红外碳硫分析仪EMIA-220V2的分析使用

赵凤俊(乌海市包钢万腾钢铁有限责任公司，内蒙古 乌海 016099)

0 引言

高频红外碳硫分析仪是一款灵敏度与自动化程度较高的快速碳硫分析仪，代替了过去原始的人工操作管式炉(升温较慢、必须保持管内的高温，即使此时不分析样品也消耗大量电能，造成成本浪费)，是较为先进的快速分析碳、硫元素的仪器，在科研、化工领域、冶金、机械等不同行业广泛应用。目前主流碳硫仪品牌有：日本堀场、美国力可等，国产品牌上海德凯也较受欢迎。(如堀场碳硫仪的部分型号有EMIA220V-220V2-320V2-820V2-920V2)。其中，220V2自使用以来稳定性较好、故障率较低、分析与应用的范围较宽广、经济实用，适合日常生产的需求[1]。

1 碳硫仪的工作原理

样品中各种不同状态的碳、硫化合物在高频感应电流的作用下产生涡流效应形成高温燃烧，高温1 650 ℃下，碳与载气所发生化学反应只有微量的生成一氧化碳,绝大部分生成二氧化碳，与此同时样品里的硫与载气生成二氧化硫。在经过试剂管中的石英棉与干燥剂无水高氯酸镁吸附粉尘及水分后，这两种气体能吸收红外光谱窄带红外能，根据不同气体的红外吸收特性，检测系统检测到的红外光强度与各气体的量成正比，经过计算机处理计算后得到样品中的碳与硫含量[2]。

2 硬件组成

高频燃烧炉：将分析检测样品中的硫和碳元素通过燃烧吸氧生成CO2和SO2。气路装置：气路装置主要包括两个部分：动力气、载气。动力气用来控制炉门气缸的上升和下降；载气也就是分析气体，首先是纯氧，在样品燃烧后生成二氧化碳、二氧化硫和氧气的混合气，混合气在通过探测器后直接排入大气中，每次分析生成的SO2含量微乎其微，因此不用考虑环境污染事项。测量装置：该部分包括硫池、碳池、光源、窄带滤光片、红外辐射源和信号放大六个部分。主要功能是将CO2、CO以及SO2浓度信号转换成电压信号。控制台：该部分负责实现炉门开关的升降、载气的输入与断开、高压的关闭与打开、系统温度的调节和压力的控制、浮子流量计稳定性的控制、采集由红外探测系统输出的电压信号等，结构错落有致。外接设备天平：能够准确称量样品的重量，并将重量通过数字信号传输给分析软件作为仪器设备分析参数来使用。载气：提供燃烧样品所使用的氧气，通常使用压缩氧气 。动力气：提供炉门及坩埚托升降需要的动力气，通常用氮气作为动力气，也可以用氧气、氩气或者压缩空气。处理器单元：连接控制系统，根据分析样品检测到的电压信号和样品重量分析该样品中碳元素和硫元素的含量。并对分析检测的结果进行管控，检验处理系统是否运行正常等。

3 影响碳硫分析结果的因素

3.1 坩埚对结果的影响

坩埚的空白一直以来是碳硫检测人员关注的问题之一。没有经过处理的坩埚，空白值从几到几十(0.000 1%)不等，如果前期处理符合要求，坩埚空白可降至0.0001%以下。经过反复测试实践证明，温度与处理时间对取得坩埚稳定的低空白尤为突显。例，在800±10 ℃的马弗炉内长达4～5 h烘烧后的坩埚，用于分析钢类样，测得结果波动较大。红外探测是根据不同物质对红外线吸收波长来检测浓度含量的，对于CO2、SO2来说，它们分别吸收波长为4.26 nm 和7.35 nm的红外能，水与二氧化硫生成亚硫酸，会改变二氧化硫的吸收波长，硫的信号值检测不到。因此水对于硫的影响非常大，特别是一些粉末状样品、煤焦、铁矿石等在使用红外测硫时需特别注意样品及坩埚的烘干。

3.2 温度对探测器的影响

探测性能随温度、大气压力的变化而变化，这是由它的物理特性所决定的，直接影响分析数据的稳定性。燃烧不充分会直接造成分析元素含量降低，而前期通氧适量加大、后期相对控制氧气的燃烧方式，最大限度地提高了转换率，会相对提高结果稳定性。

3.3 称样量结果的影响

样品称重不同，所含硫、碳的含量存在差异，导致分析结果显现在仪器校正曲线上不同的区域(分通道、分段校正)，分析结果会出现波动，尤其在仪器此通道线性的最高、最低及零界点时这种影响表现更为明显。

红外分析法的理论基础是朗博-比尔定律，样品中碳、硫的含量根据红外吸收的程度的大小来测定。样品称重量的不同直接影响高频燃烧的情况。感应区内物质量的多少、高频炉本身的功率直接影响碳硫仪的燃烧温度、状态。高频燃烧的温度并不是持续不变，随着样品的熔化燃烧，感应量相应逐渐减少。例如，分析某些难熔物质时(硅碳合金)，所加入的钨粒、锡粒助熔剂重量是恒量，产生的热量不变，而在样品重量过多的情况下样品燃烧不完全，使得样品中的碳、硫释放不完全，导致结果偏差较大。

3.4 灰尘杂质对结果的影响

灰尘杂质的累积所造成的吸附也是影响分析结果稳定性的重要因素，在低含量样品检测分析时体现的特别明显。如，分析熔剂类时，称0.15 g锡粒+0.3 g纯铁+0.10 g样品+1.5 g钨粒。锡粒的加入，使燃烧时产生的灰尘较大。通过20次样品分析后，硫的分析结果相对第一次分析结果偏低0.000 2%以上，随着分析频次的增加，偏差也越来越大。待彻底清理掉炉头及石英燃烧管、过滤器中的灰尘后，结果与第一次分析结果一致。在样品检测分析过程中，炉头、过滤器中的灰尘微杂应及时清理确保结果的精确性，在日常规定中手动炉头清理在样品分析15～25次之间需进行清灰处理)。

3.5 水对于硫的影响

放入瓷坩埚的样品进入感应炉膛内通电时形成涡流感应，样品潮湿未烘或未按规定的烘样条件及时间执行导致样品含有水分的情况下，干燥管(通过石英棉吸附粉尘和高氯酸镁吸附样品中部分水份)装有无水高氯酸镁和一个小的过滤器，吸收样品中的水份后干燥剂易结晶，导致分析检测结果含量偏高。

3.6 助熔剂、样品加入顺序对结果的影响

各熔剂不仅可以增加样品中的流动性、提高燃烧温度，还能增加样品导磁性，起到稀释样品的作用。分析过程中，各助熔剂、分析样品的先后称重加入次序直接影响燃烧结果和分析稳定性与重现性。例如矿石类样品在不加助溶剂的情况下直接在氧气下经高频感应而燃烧，飞溅程度严重、反应特别剧烈，容易迸溅致使石英管破裂和保护装置污染。钨粒进行打底，样品置于上层，此时燃烧室中的石英管也瞬间被污染。保护圈上覆盖一层铁屑，清理起来费时费力，不仅严重影响了石英燃烧管的使用寿命，还阻碍了氧气供应的流畅性，从而使结果的波动较大，影响分析结果的稳定性。应将样品平铺于坩埚底层，钨粒置于次层，锡粒位于上层，分析结束后燃烧室内石英管非常干净，保护圈上无金属飞溅现象，曲线弧度释放完整，分析结果稳定。

4 日常维护注意事项

维护或维修前一定要先断电源，严格按仪器设备安全操作规程进行。(1)红外碳硫仪分析使用前一定先提前预热1.5～2 h，使仪器达到稳定的工作状态。(2)在分析样品前首先做空白，空白含量需在规定的允许范围之内(如空白偏高进行相应的调整)，使仪器各参数条件达到相对稳定后，再带相应不同梯度标准物质开始分析样检测品。(3)载气、动力气压力不能太高,若压力太高碳硫仪气路容易爆裂。一般载气压力在0.30～0.32 MPa、动力气压力在0.32～0.35 MPa，更换气体后要注意二次压力的变化并做相应的调整。(4)分析样品时应首先分析几个梯度不同的标准物质，如在硬件设施没问题的情况下(如干燥剂更换、漏气检查等)只是标样含量有偏差，需以高低标样至少分析5次以上并在结果相对稳定、波动较小的情况下进行校准，校准之后再带相应的标试样，这样分析的结果更稳定。(5)试剂管中干燥剂变色、结晶及时更换、否则仪器内水分多会影响分析结果(结果偏高)。(6)分析检测样品的前提条件是确保天平的稳定性及灵敏度，应及时调整(称重克数的准确与否直接影响样品含量的稳定性及准确性)。

5 漏气检查

(1)在更换石英燃烧管、试剂管或各试剂后，进行机械检查与气路检查看大气压力及水平状态的各项参数指标，无漏气则显示“There is no fault”，如有漏气会在维护界面显示出检漏的区域及报警项目，便于操作人员及时反馈至仪器设备维修人员，及时查找原因并予以解决。(2)动作检查：维护界面显示各电磁阀，驱动气缸装置、硫开关动作，也可以分段检查便于排除故障。(3)信号检查：显示装置内的各个传感器的状态。显示大气压力参数及流量校正的参数便于故障的排查。(4)压力调节器的设定：压力调节器是分析气路中调节载气(氧气)的关键环节。样品在分析过程中吸收大量的氧气，吸收氧气量的大小是随样品氧化燃烧程度、气流、气压的波动变化而变化，直接影响样品的分析结果。压力调节器在样品加测过程中起到自动调节稳定电压作用。(5)设有大气压力的自动校正、流量校正等功能，实现了极高的稳定性。(6)在检测分析样品时，如出现任何异常立即停止分析，经仔细排查并解决异常故障后方可进行继续分析检测，并随之带相应的标准物质(确保仪器的稳定性和分析检测结果的准确性)。(7)如遇到突发断电的情况下，首先按此顺序立即关掉稳压器，再关高频炉、主机等。来电稳定半小时后方可按操作规程先后顺序正常启动设备。(8)坩埚处理：坩埚置于1 050 ℃的马沸炉中烘2～4 h，断电后室温自然冷却，取出于干燥器中保存。

6 结语

高频红外碳硫仪EMIA-220V2具有高精度、稳定性、及时准确地分析样品的功能，降低了劳动强度，适合企业的生产需要。