溪洛渡等大型水電葉片和百萬核電轉子中氫、氧含量的測定

李立東 丁淑杰 張雅麗

（哈電集團哈爾濱電機廠計量測試中心，黑龍江 哈爾濱150040）

1 研究意義。氫、氧是金屬材料中的有害元素。鋼中溶氫會引起鋼的氫脆、白點等缺陷，這種現象在合金鋼中尤為嚴重。鍛件中有了白點，使用時會發生突然斷裂，造成不測事故，這對高速運轉的動力機械是十分危險的。鋼中的氧對鋼的機械性能有不利影響，它使鋼的強度、塑性均降低。準確測定鋼鐵等金屬材料中氫、氧含量有助于提高我公司產品質量。

2 實驗部分

2.1 實驗儀器和試劑耗材等

ROH600氧氫分析儀（美國LECO公司）KQ-700VDE型超聲波清洗器（昆山）德國賽多利斯CP124S電子天平（靈敏度0.1mg）

萊博泰科H150-1500型冷卻水循環器，石墨套坩堝（常州、北京納克公司和LECO公司）。

LECO無水高氯酸鎂（24至48目）；LECO堿石棉（20至30目）；LECO氧化銅（20至30目）；鎳籃（7mm*12mm）研制單位：北京納克公司、沈陽金屬所、北京有色金屬研究總院和LECO公司）;美國ALPHA錫片（9T-7516）。普通氮氣（99.99%）；高純氬氣（≥99.999%）。

2.2 分析原理：

該儀器使用惰性氣體高純氬氣作載氣，脈沖電極爐將石墨坩堝電極加熱，通過改變電流和功率來控制加熱溫度，其爐子最高功率可達7000W約3500℃.當試樣投入到已加熱的坩堝中后，試樣在惰性氣氛（氬）中被熔融，試樣中的氫以H2形式析出，氧和坩堝中的碳形成CO和少量的CO2，從爐中釋放出的混合氣體被載氣（氬氣）攜帶，通過加熱的稀土氧化銅，使CO氧化成CO2，H2被氧化為H2O，由H2O紅外檢測池檢測氫含量，1個CO紅外池和2個CO2紅外檢測池共同檢測氧含量，隨后再經堿石棉吸收CO2和無水高氯酸鎂吸收H2O。紅外吸收池所得電信號經微機的數學運算直接輸出氧、氫的含量（以質量分數表示。

3 結果與討論

3.1 試樣的制備和實驗環境

3.1.1 試驗環境。氧、氫的測定極易受到環境的污染，如試樣加工過程中易遭到機油等的玷污，試驗結果表明：加工樣品所用設備的清潔程度和燃燒爐膛內上、下電機表面的清潔程度都對氧、氫含量的結果有較大影響，因此為獲得較好的分析結果必須保證整個樣品在制備過程、分析過程中相應的設備、環境的清潔。

3.1.2 樣品制備對分析結果的影響。鋼鐵、鎳合金和銅合金等材料車成直徑5mm、長4～6mm、0.5～1.0g左右的圓柱狀樣品，車削過程中要防止試樣表面氧化和玷污，加工好的試樣在分析前依次用四氯化碳、乙醚、丙酮清洗（包括標樣），如試樣表面很干凈，只需用丙酮清洗即可。制備好的試樣當天用不完，須儲于干燥器內，并存于陰涼避光處。用作分析的鋼樣應無氣孔、裂紋等缺陷。

測定下列金屬材料中氧含量時，試樣的表面處理方法：

純鐵：草酸（50g/L-1）加純鐵，滴加過氧化氫（W=30%），待試樣表面光亮后，用流水沖洗，無水酒精洗滌，吹干，置于干燥器中。

銅：濃磷酸5ml,濃硝酸2.2ml,冰醋酸2.8ml,樣品置于混合酸中1～2分鐘，用流水沖洗干凈，無水酒精洗滌，于60℃吹干，置于干燥器中。鎳：濃硝酸2.5ml,冰醋酸7.5ml,濃鹽酸0.15ml,樣品置于混合酸中30～60秒，用流水沖洗干凈，無水酒精洗滌，于60℃吹干，置于干燥器中。

鈦是化學性質最活波元素之一，有時人們把它當作"吸氣劑"來使用，因此要準確地測定鈦和鈦合金中的氣體雜質存在一定的困難和需要一定的技巧。鈦板、鈦棒及鈦合金等樣品，或截成4*4*2毫米的小塊，或車成Ф3*4～5毫米的小圓柱體，而后用丙酮（有文獻用四氯化碳）去脂。純鈦樣品可放在濃度為4%的氫氟酸溶液重進行浸蝕10～15分鐘，以除去表面氧化物，而后用無水酒精處理，干燥、稱重、留待分析。以鋼中氫氧為例說明樣品表面處理對氣體分析結果的影響上面所用試樣含量范圍 H≤1.5μg/g,O≤35μg/g.試驗表明試樣清洗前分析結果高偏差大證明表面有油污，清洗后樣品不僅在合格范圍內而且結果平行偏差小。

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3.2 氧氫分析儀的分析界面。分析界面上面顯示分析數據，下面顯示與分析數據對應的分析曲線，通過分析曲線可以看出氧氫釋放是否正常。

圖1：儀器軟件分析界面

3.3 環境圖表。通過環境圖表監控儀器是否在正常狀態下工作，正常狀態下：

載氣1480～1500psi(磅每平方英寸）之間。

圖2：儀器軟件的環境圖表

3.4 分析功率的選擇

3.4.1 分析功率對氧氫的釋放有影響，過高反應劇烈會造成試樣的迸濺，對儀器及測定可能造成不良影響，過低氧氫釋放不出來，而且氧氫是聯測，經過試驗鋼中氧氫、鈦合金中氧氫分析功率在4500W時氫氧都能達到較完全釋放，銅中氧分析功率在2800W時氧會達到較完全釋放。

3.4.2 分別在分析功率4000W、4500W和5000W條件下對Leco標準樣品(502-416)進行了試驗，結果見下表

結果表明：功率在4000W和4500W時隨著功率的逐漸增加，氫、氧的數值也逐漸增大接近標準值，功率在5000W時數值變化不大，，說明試樣中氫，氧在4500W時已達到較完全的釋放。過高的分析功率將產生更多石墨粉塵，同時反應劇烈會造成試樣的迸濺，對儀器及測定可能造成不良影響，因此選擇分析功率為4500W。

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4 結論

4.1 使用OH900儀器時，由于老儀器已用九年多，脫氣過程不完全分析曲線下移，每分析一個試樣，要進行一次空燒。浪費分析時間、儀器試劑、自來水和氣源等。ROH600可以連續分析試樣，不存在脫氣不完全現象。

4.2 由于OH900儀器采用紅外吸收法測定氧，熱導法測定氫，同一金屬材料樣品氧氫不能聯測，氫和氧要分別在不同分析條件下測定。ROH600可實現一次投樣，氧氫同時分析出準確數據。

[1]胡少成等.《固態金屬及合金材料中氧、氮、氫聯測技術進展》.冶金分析（MetallurgicalAnalysis）,2009,29(11):34-40.

[2]魏強，《金屬材料中氣體分析應用研究》【C】.2006年中國金屬學會第十三屆分析測試學術報告會論文集.北京：中國金屬學會分析測試分會，2006.