高频燃烧红外吸收法测定高碳铬铁合金中碳硫含量

马晓云,郑 莉,吴作立,李 键,张焕焕

(新疆八一钢铁股份有限公司制造管理部)

前言

在金属材料中,碳元素对金属材料的力学性能、工艺性能及抗 疲劳性能、耐腐蚀性能和工程应用有着重要影响; 硫通常以硫化物的形态存在于金属中,破坏金属组织结构的连续性,降低金属材料的物理性能等。因此,在钢铁生产过程中对碳元素和硫元素的控制非常重要,检测人员根据现场检测条件,探索快速、准确检测出碳、硫含量的方法。

高碳铬铁合金是炼钢的重要合金添加剂,用于生产高强度、抗腐蚀、耐磨、耐高温、耐氧化的特种钢,高碳碳铬铁中碳含量为5%～9%,硫含量为0.01%～0.05%。目前普遍采用高频燃烧红外吸收法测定高碳铬铁合金中C、S含量。

文章介绍利用HCS-808型高频红外碳硫分析仪,分别对试样加入量、助熔剂的选择及其配比、助熔剂的加入方式的影响进行的试验研究,通过对标准试样分析,确定了最佳分析条件,最终确定了高频红外吸收法测定高碳铬铁合金中碳、硫含量的最佳分析条件,分析数据准确可靠,取得了满意的效果。

1 实验部分

1.1 仪器

HCS-808型高频红外碳硫仪(四川赛恩思仪器有限公司)陶瓷坩埚:在马弗炉中于 1200℃灼烧4小时,自然冷却后取出置干燥器中保存。

1.2 试剂

纯钨粒助熔剂:C≤0.000 5%,S≤0.000 5%

高纯铁助熔剂:纯度>99.8% ,C≤0.000 5%,S≤0.000 5%

烧碱石棉(SES3B3015A);高效变色干燥剂(SES-3);卤素吸收剂(SES-2);

O2纯度>99.5%

1.3 仪器的工作条件

电源负荷功率>7.5kVA;专用地线接地电阻≤4Ω;仪载氧气,压力为0.5 MPa;

高低检测池进行高低含量分析自动切换。

1.4 分析时间的选择

根据高碳铬铁生产试样中碳、硫元素最高含量分析曲线,确保检测到的所有信号,并且尽量缩短分析时间,选择冲洗时间25s;加热时间25 s;分析时间40s。

1.5 实验步骤

(1)在“新建分析方法栏”输入方法名称“高碳铬铁”、“标准样品管理”栏输入“标样代号YSBC28623-2010、碳的标准值7.78%、硫的标准值0.033%”。

(2)校准方法选择“单标样校正”。

(3)校正的检测池:高碳池、低硫池。

1.6 分析步骤

在灼烧过的陶瓷坩埚中称取Xg 纯铁助熔剂,然后将盛有纯铁助熔剂的坩埚放入联机电子天平后去皮,称取一定量试样加入,电子天平重量读数自动传入计算机分析系统中,再覆盖上Yg钨锡混合助熔剂,在高频红外碳硫仪上选择分析方法,放到坩埚托上,选择“分析样品”键进入分析状态,整个分析过程自动进行,直到分析结束,分析结果在电脑上自动显示。

2 结果与讨论

2.1 空白值的影响

由于整个分析试样和标样校准过程中加入熔剂的量、配比、方式均一致,所以标样校准过程中,分析系统自动扣除空白。

2.2 助熔剂的选择及加入方式

在分析试样时, 加入助熔剂发热, 增加样品流动性及覆盖样品防止飞溅的作用,助熔剂选择合适,用量适当,会加速样品氧化熔融提高碳硫的释放率和测定的准确度。常见的助熔剂有钨粒、纯铁、锡粒及钨锡混合助熔剂等。 纯铁能增加样品的导磁性,并提高样品的升温速度,从而可降低样品燃烧的熔化温度,使样品完全燃烧。 钨的熔点非常高, 但它在400 ℃时可以和氧反应放出大量的热,锡的熔点是232 ℃, 加入锡可有效降低样品的熔化温度, 增加样品的流动性。

高碳铬铁属于合金,熔点较高。在实际分析中,探索过单独加纯铁、纯铁+钨粒、钨粒+锡粒三种助熔剂的方法,由于试样燃烧不完全,分析时间长,分析结果偏低。多次探索按比例同时加入纯铁、钨粒、锡粒三种助熔剂进行分析,发现可以使高碳铬铁样品燃烧完全,缩短分析时间,提高分析结果的准确性。钨-锡(7∶1)混合助熔剂既可以降低样品的熔点,同时增加样品的流动性,而且还有调节介质酸碱性、搅拌、催化、稳燃、抗干扰等作用。

纯铁和钨-锡(7∶1)混合助熔剂两者不同的配比的分析结果见表1。

表1 助熔剂配比对分析结果的影响

由表1可以看出,当W+Sn(7∶1)加入量约为1.4 g、纯Fe 加入量约为0.4 g时,C和S的吸收曲线均为光滑的单峰曲线,C和S的分析结果接近标准值;当W+Sn(7∶1)加入量大于或小于1.4 g时,纯Fe加入量大于或小于0.4g时,使c和s的分析曲线不光滑,分析结果偏低,分析结果不稳定。

2.3 试样量的影响

纯铁助熔剂加入量为0.4g,钨锡混合助熔剂加入量为1.4g,在相同的分析条件下,改变试样量测量标样YSBC28623-2010,其标准值:C=7.78%,S=0.033%。测量结果见表2。

表2 试样量对分析结果的影响

由表2可以看出,试样量在0.08～0.12g时,分析结果与标准值偏差相对较小;当试样量<0.08g时,由于空白值的影响,测定结果偏高;当试样量>0.16g时,分析结果偏低,同时观察到s吸收曲线变得不平滑出现拖尾,说明试样燃烧未完全,应适当增加助熔剂的量。试样量在0.1g时,C和S的分析曲线均为平滑的单峰曲线见图1,且测量值和标准值偏差相对较小,由此确定最佳试样量为O.10g±0.0002。

图1 碳元素的吸收曲线(红色)、硫元素的吸收曲线(绿色)

2.4 高碳铬铁中碳、硫的分析条件

通过对标准试样分析,确定了分析高碳铬铁中碳、硫的条件,见表3。

表3 高碳铬铁中碳、硫的分析条件

3 试验方法精密度

按表3的分析条件,取同一样品在HCS-808型高频红外碳硫仪在上测定11次,其重复性结果表明,C元素的标准偏差为1.37%,S元素标准偏差为2.33%,见表4。

表4 精密度实验结果 %

C元素和S元素的相对标准偏差≤3%,表明该方法具有较好的精密度。

4 结论

对标准试样进行分析,通过对试样加入量、助熔剂的选择及其配比、助熔剂的加入方式及试样加入量的试验,最终确定检测高碳铬铁合金中碳、硫含量的最佳试样量为0.10±0.0002g;助熔剂选择纯铁、钨粒、锡粒的混合熔剂;助熔剂加入量及顺序0.4g纯铁+1.4g钨锡混合熔剂(7:1)。在最佳分析条件下,对于提高高碳铬铁合金中碳、硫含量分析结果准确度非常重要。采用HCS-808型高频红外碳硫仪分析高碳铬铁合金中碳、硫含量的测定方法,可以快速准确地分析高碳铬铁合金中的碳硫含量,具有较高的精密度和准确度。