高频红外吸收法测定普碳钢中碳含量

郑浩,罗琼辉,赵朝辉

(中国地质科学院矿产综合利用研究所,四川 成都 610041)

钢是指碳含量在0.02%～2.11%之间的铁碳合金[1-2],钢中碳含量对钢的塑性和韧性以及强度具有重要影响[3-4],精确测量钢中的碳是获得优质钢铁产品的前提[5-7]。因此,如何精确测定钢中碳含量对于企业生产合格的钢铁产品具有重要意义[8-10]。但由于采用高频红外吸收法检测钢中碳含量的检测值随钢样和助溶剂用量的变化会发生很大的波动[11-13],使钢样中碳含量检测值偏差较大[14-15]。因此,为了提高钢中碳含量的检测精度,优化红外吸收法检测钢中碳含量检测值的稳定性。本文采用GBW 01205 (碳标准值0.455%)和纯钨作为助溶剂,采用统计分析的方法研究标样含量和助溶剂用量对钢样中碳含量检测值稳定性的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

高纯氧气(>99.5%);20～40目钨粒(>99.99%)、无水高氯酸镁、二氧化碳吸收剂均为分析纯。

CS-3600GG红外碳硫分析仪;XS104电子天平;硫碳专用陶瓷坩埚(Φ25 mm×25 mm),使用前在马弗炉中灼烧1 h(温度1 000 ℃),取出冷却放入干燥器内备用。

1.2 实验方法

以高纯氧和空气压缩机提供动力气,高纯氧为分析气。在设备进行工作前,调节分析气和动力气的压力在0.2～0.4 MPa(气压过大过小会导致高频炉的燃烧管受到压力影响,更严重的情况下会导致燃烧管爆裂)。红外碳硫仪根据通过气体净化硫经过富氧条件下的高温加热,在氧气氛围内燃烧,将样品中的碳氧化为CO2气体,经过载气进入气路系统,处理后进入相应的吸收池,对相应的红外辐射进行吸收,由探测器转发为信号,经计算机处理得出最终结果。

用天平称取国家标准物质GBW 01205(碳标准值0.455%)和纯金属钨助溶剂以及钢厂现场取的钢样。助溶剂用量为1.5 g,坩埚内称取0.200 0 g标准样,用镊子夹持坩埚,将坩埚至于炉台坩埚座上,按照说明书操作。每个样共检测5次,取平均值,并计算标准差和相对标准差。

2 结果与讨论

2.1 试样量对钢样中碳检测精度的影响

图1是采用国家标准物质GBW 01205(碳标准值0.455%)和纯钨助溶剂的分析结果。

由图1可知,每个添加相同的助溶剂用量的标样,测量的5次碳含量数据的波动性较大,仅当助溶剂用量1.0 g,标准样为0.200 0 g时,不同次数检测的数据的波动性较小。在标准样用量为0.150 0 g 时,碳含量的标准差和相对标准差出现最大值。标准样用量为0.200 0 g时,标准样的碳含量的标准差和相对标准差出现最小值。由此可知,根据碳含量的相对标准差和相对标准差的数字,可以确定当标准样为0.200 0 g时,高频红外碳硫分析仪检测的碳含量最接近标准样碳含量的真实值,标准样用量为0.150 0 g时,标准样碳含量的检测值与标样实际的碳含量偏差最大。这说明当标准样用量为0.200 0 g时,标样的检测值最为精确。

2.2 试样含量影响检测精度的机理

基于以上分析可知,当标准样在0.050 0～0.250 0 g之间时,随着标准样质量增加,采用高频红外碳硫分析仪检测的碳含量呈现逐渐增加趋势。这是因为助溶剂用量一定的情况下,随着标准样用量的增加,标准样与助溶剂的接触面积增大,使标准样能够充分燃烧,从而使红外碳硫分析仪检测到的碳含量呈现逐渐增加趋势。因此当标准样用量低于0.200 0 g时,随着标准样用量增加,红外碳硫分析仪对标准样中碳含量的检测值逐渐增加,且向标准差最小的值接近。当碳用量高于0.200 0 g时标准样中的碳含量检测值有逐渐偏离碳含量标准差最小的值,且同一配比的样品不同次数检测的碳含量的波动性开始变大。这主要是由于标准样增加是由于体系中碳含量增加使体系检测到的碳含量逐渐增多。因此,基于标准样含量不同的碳含量分析结果可以明确检测钢样用量为0.200 0 g时碳含量的检测值重现性最好。

2.3 助溶剂用量对检测精度的影响

图2是标准样为0.200 0 g,助溶剂用量对标样中碳含量的影响。

图2 助溶剂用量对碳含量的影响Fig.2 Influence of cosolvent dosage on carbon content

由图2可知,助溶剂用量为0.5 g时,标样中碳含量较低,与碳标准值0.455%的偏差最大。助溶剂用量为1.0 g时,标样中碳含量迅速增大,且数值接近碳标准值0.455%。助溶剂用量为1.5 g时,标样中碳含量数值略有增加,与碳标准值0.455%接近程度进一步增加,且对同一配比样品进行5次重复性检测,不同次数的碳含量的偏差极小。当助溶剂用量达到2.0 g和2.5 g时,虽然标样中碳含量增加的幅度较小,但统一配比样品进行多次检测后,碳含量的偏差较大。基于以上分析可知,当标样用量一定时,随助溶剂用量的增加,标样中碳含量呈现先迅速增大,后增大的数值趋于平缓。此外,为了分析当红外碳硫分析仪标准样用量为0.200 0 g时,最佳的助溶剂用量,标准样中检测的碳含量的相对标准差随助溶剂用量的变化规律。标准样的相对标准差与助溶剂用量呈现先降低后增大再减小的趋势。助溶剂用量最少时对应的标样碳含量的相对标准差最大。当助溶剂用量为1.5 g时,标准样碳含量的标准差和相对标准差最小。因此,基于对不同助溶剂用量的误差分析随助溶剂用量变化的规律,确定助溶剂用量为1.5 g时,采用红外碳硫分析仪检测标样的碳含量最接近碳标准值0.455%。

2.4 助溶剂用量影响检测精度的机理

通过分析可知,标准样用量为0.200 0 g时,随助溶剂用量增加,标样中碳含量的检测值逐渐增加,这主要是由于助溶剂用量较低时,标准样燃烧不充分,待分析结束后,标准样中还残留有未燃烧完全的样品,因此随着助溶剂增加,标准样的燃烧率增加,则使检测的碳含量逐渐增加。助溶剂用量增加至1.5 g时,碳含量增加的数值逐渐减小,且相同配比标样检测的碳含量的波动性较小,助溶剂用量超出1.5 g时,检测的碳含量的波动性变大,这是由于燃烧过程中助溶剂用量过多对CO2的扩散产生影响,使同次数检测出的碳含量波动较大。因此,助溶剂用量为1.5 g时,红外碳硫分析仪对钢样中碳含量检测值的稳定性最好。

2.5 钢样中碳含量重现性分析

基于以上分析可知,当检测样品的用量为0.200 0 g、助溶剂用量为1.5 g时,标准样中碳含量检测值最接近标样的碳含量检测值。因此确定以钢厂现场取用的中碳钢为检测原料,并向坩埚中加入1.5 g助溶剂,进行5次检测,结果见表1。

表1 实际钢样的检测值Table 1 Test values of actual steel samples

由表1可知,对C2标准样中碳含量的第1次检测值为0.453%,第2次检测值为0.457%,第3次检测的碳含量为0.452%,检测值均在0.453%～0.459%之间波动,波动范围为0.006%。将中碳钢中碳含量的检测值与标准样进行对比可知,中碳钢的碳均值为0.457%,标准样碳含量平均值为0.456%,且C1中碳钢与C2标准样中碳含量的标准差和相对标准差的值相等。

3 结论

(1)随标准样含量增加,检测的碳含量逐渐增加,当标准样含量为0.200 0 g时,碳含量的检测值波动性较小。

(2)随助溶剂用量增加,检测的碳含量先逐渐增加后趋于稳定,但当助溶剂用量>1.5 g时,碳检测值的波动性逐渐增大。

(3)通过实际钢样与标准样碳含量检测,确定了钢样用量为0.200 0 g,纯钨助溶剂用量为1.5 g时,钢中碳含量检测值最稳定,检测结果的波动性最小,相对标准偏差(RSD,n=5)<1%。