高頻燃燒紅外吸收光譜法測定高純鋁粉中碳含量

殷藝丹 李 暉 張健康 孫洪濤 陳 紅

(1.西北稀有金屬材料研究院 寧夏有限公司，寧夏 石嘴山 753000；2.稀有金屬特種材料國家重點實驗室，寧夏 石嘴山 753000)

前言

鋁合金種類繁多，因具備密度小、比強度高，耐腐蝕等優異性能，在建筑、交通運輸、機械制造、航空航天乃至民用方面應用普遍[1]。高純鋁粉作為鋁合金的重要制備原料，碳組分不僅影響鋁粉純度，還隨工藝過程進入合金，影響合金的韌性，脆性等。因此，高純鋁粉要求盡可能低的碳含量。關于高純鋁粉中碳的檢測方法，目前國內還未見報道，只有部分鋁合金中碳的高頻紅外測定方法可供參考。張庸等[2]報道了鎳鋁粉末中碳的測定方法，選用純化學物質繪制標準曲線，純鐵加鎢錫混合助熔劑方案，唐偉[3-4]分別報道了釩鋁合金及鋁鈦碳中間合金中碳的測定方法，均采用一定比例的純鐵、純鎢加純錫為助熔材料。

越活潑的金屬，氣體分析難度越大[5]。鋁粉化學性質活潑，具有易燃、易氧化，氧化過程中急劇放熱等性質。為保證測定結果的準確性，需進行必要的實驗條件研究。本文參照前人經驗，對高純鋁粉中碳測定的高頻燃燒紅外吸收光譜法進行了實驗探索，對該分析方法過程中樣品量、助熔劑選擇及配比、分析功率等，進行對比實驗和優化選取，通過實驗現象比對及數據分析，確定最佳分析條件，建立了高頻燃燒紅外吸收光譜法測定高純鋁粉中碳含量分析方法。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

CS600型高頻感應燃燒紅外吸收碳硫分析儀(美國力可公司)，BS124S型電子精密天平(賽多利斯科學儀器(北京)有限公司)。純鎢助熔劑(wC<0.000 8%)，純鐵助熔劑(wC<0.000 5%)，純錫助熔劑(編號501-076，美國LECO公司)，高純氧氣(純度不小于99.99%)，高純氬氣(純度不小于99.99%)，高純超低碳硫分析專用坩堝(湖南醴陵市金利坩堝瓷廠)于1 200 ℃灼燒4 h，冷卻至常溫后置于干燥器中儲存備用。

碳標準物質：

1)標樣1 碳含量標稱值為0.005 0%，編號：9T-10835-516E；2)標樣2 碳含量標稱值為0.015%，編號：9T-10835-212A；3)標樣3 碳含量標稱值為0.040 2%，編號：28H S51011。

1.2 儀器工作條件

CS600型高頻燃燒紅外碳硫分析儀的工作條件見表1。

表1 CS600型高頻紅外碳硫儀工作參數

1.3 實驗方法

1.3.1 儀器檢查

CS600型高頻紅外碳硫儀開啟前，應先進行必要的設備維護并確認其運行狀態。確認穩壓電源指示為220 V，動力氣(高純氬氣)及載氣(高純氧氣)壓力表總壓>5 MPa。更換燃燒管及爐頭金屬過濾器，保證爐頭清潔無污染。檢查氣路凈化試劑及催化試劑，如有結塊、失效現象需及時處理。

設備預熱時間≥1 h，氣路漏氣檢查無異常，并確認設備工作參數為表1。

1.3.2 儀器校正

1)空白校正：坩堝內加入 2.4 g鎢粒、0.2 g錫粒和0.2 g鐵粒助熔劑進行測定，重復測量 3～5 次，選擇有效測量值進行空白校正。

2)標樣校正：坩堝中依次加入0.100 0 g標準樣品、2.4 g鎢粒、0.2 g錫粒和0.2 g鐵粒助熔劑，重復測量 3～5 次，選擇有效測量值進行儀器校正，得到新的校正系數并引入后續測量。

1.3.3 樣品測定

在灼燒處理過的超低碳硫專用坩堝中稱取 0.10 g(精確至0.000 1 g)高純鋁粉，適當攪拌使樣品均勻平鋪于坩堝底部，依次稱取2.4 g鎢粒、0.2 g錫粒和0.2 g鐵粒覆蓋于高純鋁粉表面，于高頻紅外碳硫儀進樣測定，試樣中碳含量(質量分數)按校正系數由設備自帶軟件自動計算得出。

2 結果與討論

2.1 稱樣量選擇

稱樣量決定樣品測定值的準確性及助熔劑的用量，稱樣量過小可能導致較大的稱量誤差以及樣品測定值的不穩定性，稱樣量過大則會使樣品分解不充分，碳無法充分釋放，從而影響測定結果[6]。實驗在不同稱樣量(0.05～0.5 g)下連續測定7次，分別以碳的測定值與稱樣量的關系作圖，見圖1。

圖1 稱樣量對碳的測定結果影響

由圖1可知，在稱樣量為0.1 g時，高純鋁粉中碳元素測得結果的RSD相對較小，分析精密度較高，且燃燒過后坩堝內光滑平整，綜合考慮上述因素，實驗稱樣量選取0.10 g。

2.2 助熔劑的選擇

助熔劑起助熔、發熱、攪拌作用，其種類選擇是影響分析結果好壞的關鍵因素[7]。實驗分別以純鎢、鎢錫、鎢錫-純鐵、純鎢-純鐵、純鎢-純錫、純鎢-純錫-純鐵等搭配方案進行助熔劑的選擇實驗，結果見表2。

由表2可知，用純鎢、鎢錫時，樣品均未充分燃燒，說明樣品的導磁性較差，需要添加鐵來增強導磁性。鐵的高導磁性，可促進樣品燃燒完全，使燃燒平穩，抑制鋁粉局部劇烈燃燒[8]；但僅添加鐵，測定結果仍不理想，是由于試樣鋁及助熔劑鎢均為高熔點金屬，需添加錫來降低熔點，提高熔渣的流動性，使其快速反應。采用純鎢-純錫-純鐵助熔劑時可見：坩堝底部光滑平整，熔融效果較好，碳釋放曲線峰形良好且測定值穩定性高。因此實驗選擇純鎢-純錫-純鐵三元助熔劑。

表2 不同助熔劑對鋁粉中碳測定影響

2.3 助溶劑的用量

助熔劑的用量對于分析是重要的影響因素，由于每次添加助熔劑的重量不一致，熔樣效果不統一，容易造成累積誤差[9]。參照文獻[10]對錫粒、純鐵和鎢粒3種助熔劑的量進行正交實驗。正交實驗表中錫粒量的3水平分別為0.1、0.2、0.3 g；純鐵量的3水平分別為0.1、0.2、0.3 g；鎢粒量的三水平分別為2.0、2.2、2.4 g。選取L9(34)正交實驗表進行實驗，結果見表3。以R值從大到小(表3)可知：三種助熔劑對實驗結果的影響從大到小依次為錫量、鎢量、鐵量。

由表3可知，以K值最大的原則，錫粒量在0.3 g、純鐵量在0.2 g、鎢粒量在2.2 g的條件下，高純鋁粉中碳的測定結果最佳。同時，由表3中數據可知，鎢粒量在2.2～2.4 g、錫粒量在0.2～0.3 g、純鐵量在0.2～0.3 g的條件下計算出的K值比較接近，且根據實驗過程中，坩堝熔池情況發現，實驗5坩堝燃燒后表面光滑、無氣泡，碳的積峰曲線平滑完整，所以綜合選定錫粒量0.2 g、純鐵量0.2 g、鎢粒量2.4 g為高純鋁粉中碳的測定最佳助熔劑選擇。

表3 正交實驗結果

2.4 高頻分析功率選擇

高頻感應爐通過電子管振蕩電路，產生高頻電磁場，感應樣品，與試樣產生渦流熱效應，使其在富氧的環境下燃燒。高頻爐功率的高低影響試樣的燃燒狀態，進而影響碳的釋放效果[11]。實驗在1 320 W(60%)～2 200 W(100%)不同高頻功率下對鋁粉試樣進行平行測定3次，以碳測定均值及燃燒效果考察分析效果，結果見表4。

表4 不同分析功率對鋁粉中碳測定影響

表4可見，高頻功率為1 980 W時，試樣燃燒效果最為理想，隨著分析功率降低，試樣燃燒不完全，測定值也呈降低趨勢。故最終選擇儀器高頻功率為1 980 W(90%功率)。

2.5 線性方程及方法檢出限

采用3個標準樣品建立校準工作曲線，每個標準樣品至少測定3次，以已認證的碳質量為橫坐標(X)，吸收峰面積為縱坐標(Y)建立標準工作曲線，實驗數據見表4。實驗的線性方程為Y=1.049 45X+0.000 66，相關系數為0.999 8。按照實驗方法稱取 11份2.4 g鎢助溶劑+0.2 g錫助溶劑+0.2 g鐵助溶劑，分析空白碳含量得到空白平均值ωC=0.000 7%，標準偏差(SD)= 0.000 1%，以空白值數據的3倍標準偏差計算得出方法檢出限為0.000 3%，以空白值數據10倍標準偏差計算得出方法測定下限為0.003 0%，結果見表5。

表5 線性方程測定結果

2.6 精密度實驗

按照實驗所選定的方法和條件，連續11次測定高純鋁粉樣品中的碳含量，如表6所示，樣品的平均值為0.023%，相對標準偏差RSD為3.7%。

表6 精密度測定結果

2.7 加標回收實驗

按照實驗方法，對同種鋁粉中的碳含量進行測定，并在0.1 g鋁粉樣品中分別加入0.050、0.100、0.150 g的9T-10835-212A鋼標準樣品(ωC=0.015%)進行加標回收實驗，結果見表7。

表7 加標回收實驗結果

3 結語

采用高頻感應燃燒紅外吸收法測定高純鋁粉中的碳含量，方法具有高的準確度、精密度，以及低的檢出限和測量下限，且操作便捷，分析快速，是高純鋁粉中碳含量檢測的理想方法。