高頻燃燒紅外吸收法測定高碳鉻鐵合金中碳硫含量

馬曉云,鄭 莉,吳作立,李 鍵,張煥煥

(新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部)

前言

在金屬材料中,碳元素對金屬材料的力學性能、工藝性能及抗 疲勞性能、耐腐蝕性能和工程應用有著重要影響; 硫通常以硫化物的形態存在于金屬中,破壞金屬組織結構的連續性,降低金屬材料的物理性能等。因此,在鋼鐵生產過程中對碳元素和硫元素的控制非常重要,檢測人員根據現場檢測條件,探索快速、準確檢測出碳、硫含量的方法。

高碳鉻鐵合金是煉鋼的重要合金添加劑,用于生產高強度、抗腐蝕、耐磨、耐高溫、耐氧化的特種鋼,高碳碳鉻鐵中碳含量為5%～9%,硫含量為0.01%～0.05%。目前普遍采用高頻燃燒紅外吸收法測定高碳鉻鐵合金中C、S含量。

文章介紹利用HCS-808型高頻紅外碳硫分析儀,分別對試樣加入量、助熔劑的選擇及其配比、助熔劑的加入方式的影響進行的試驗研究,通過對標準試樣分析,確定了最佳分析條件,最終確定了高頻紅外吸收法測定高碳鉻鐵合金中碳、硫含量的最佳分析條件,分析數據準確可靠,取得了滿意的效果。

1 實驗部分

1.1 儀器

HCS-808型高頻紅外碳硫儀(四川賽恩思儀器有限公司)陶瓷坩堝:在馬弗爐中于 1200℃灼燒4小時,自然冷卻后取出置干燥器中保存。

1.2 試劑

純鎢粒助熔劑:C≤0.000 5%,S≤0.000 5%

高純鐵助熔劑:純度>99.8% ,C≤0.000 5%,S≤0.000 5%

燒堿石棉(SES3B3015A);高效變色干燥劑(SES-3);鹵素吸收劑(SES-2);

O2純度>99.5%

1.3 儀器的工作條件

電源負荷功率>7.5kVA;專用地線接地電阻≤4Ω;儀載氧氣,壓力為0.5 MPa;

高低檢測池進行高低含量分析自動切換。

1.4 分析時間的選擇

根據高碳鉻鐵生產試樣中碳、硫元素最高含量分析曲線,確保檢測到的所有信號,并且盡量縮短分析時間,選擇沖洗時間25s;加熱時間25 s;分析時間40s。

1.5 實驗步驟

(1)在“新建分析方法欄”輸入方法名稱“高碳鉻鐵”、“標準樣品管理”欄輸入“標樣代號YSBC28623-2010、碳的標準值7.78%、硫的標準值0.033%”。

(2)校準方法選擇“單標樣校正”。

(3)校正的檢測池:高碳池、低硫池。

1.6 分析步驟

在灼燒過的陶瓷坩堝中稱取Xg 純鐵助熔劑,然后將盛有純鐵助熔劑的坩堝放入聯機電子天平后去皮,稱取一定量試樣加入,電子天平重量讀數自動傳入計算機分析系統中,再覆蓋上Yg鎢錫混合助熔劑,在高頻紅外碳硫儀上選擇分析方法,放到坩堝托上,選擇“分析樣品”鍵進入分析狀態,整個分析過程自動進行,直到分析結束,分析結果在電腦上自動顯示。

2 結果與討論

2.1 空白值的影響

由于整個分析試樣和標樣校準過程中加入熔劑的量、配比、方式均一致,所以標樣校準過程中,分析系統自動扣除空白。

2.2 助熔劑的選擇及加入方式

在分析試樣時, 加入助熔劑發熱, 增加樣品流動性及覆蓋樣品防止飛濺的作用,助熔劑選擇合適,用量適當,會加速樣品氧化熔融提高碳硫的釋放率和測定的準確度。常見的助熔劑有鎢粒、純鐵、錫粒及鎢錫混合助熔劑等。 純鐵能增加樣品的導磁性,并提高樣品的升溫速度,從而可降低樣品燃燒的熔化溫度,使樣品完全燃燒。 鎢的熔點非常高, 但它在400 ℃時可以和氧反應放出大量的熱,錫的熔點是232 ℃, 加入錫可有效降低樣品的熔化溫度, 增加樣品的流動性。

高碳鉻鐵屬于合金,熔點較高。在實際分析中,探索過單獨加純鐵、純鐵+鎢粒、鎢粒+錫粒三種助熔劑的方法,由于試樣燃燒不完全,分析時間長,分析結果偏低。多次探索按比例同時加入純鐵、鎢粒、錫粒三種助熔劑進行分析,發現可以使高碳鉻鐵樣品燃燒完全,縮短分析時間,提高分析結果的準確性。鎢-錫(7∶1)混合助熔劑既可以降低樣品的熔點,同時增加樣品的流動性,而且還有調節介質酸堿性、攪拌、催化、穩燃、抗干擾等作用。

純鐵和鎢-錫(7∶1)混合助熔劑兩者不同的配比的分析結果見表1。

表1 助熔劑配比對分析結果的影響

由表1可以看出,當W+Sn(7∶1)加入量約為1.4 g、純Fe 加入量約為0.4 g時,C和S的吸收曲線均為光滑的單峰曲線,C和S的分析結果接近標準值;當W+Sn(7∶1)加入量大于或小于1.4 g時,純Fe加入量大于或小于0.4g時,使c和s的分析曲線不光滑,分析結果偏低,分析結果不穩定。

2.3 試樣量的影響

純鐵助熔劑加入量為0.4g,鎢錫混合助熔劑加入量為1.4g,在相同的分析條件下,改變試樣量測量標樣YSBC28623-2010,其標準值:C=7.78%,S=0.033%。測量結果見表2。

表2 試樣量對分析結果的影響

由表2可以看出,試樣量在0.08～0.12g時,分析結果與標準值偏差相對較小;當試樣量<0.08g時,由于空白值的影響,測定結果偏高;當試樣量>0.16g時,分析結果偏低,同時觀察到s吸收曲線變得不平滑出現拖尾,說明試樣燃燒未完全,應適當增加助熔劑的量。試樣量在0.1g時,C和S的分析曲線均為平滑的單峰曲線見圖1,且測量值和標準值偏差相對較小,由此確定最佳試樣量為O.10g±0.0002。

圖1 碳元素的吸收曲線(紅色)、硫元素的吸收曲線(綠色)

2.4 高碳鉻鐵中碳、硫的分析條件

通過對標準試樣分析,確定了分析高碳鉻鐵中碳、硫的條件,見表3。

表3 高碳鉻鐵中碳、硫的分析條件

3 試驗方法精密度

按表3的分析條件,取同一樣品在HCS-808型高頻紅外碳硫儀在上測定11次,其重復性結果表明,C元素的標準偏差為1.37%,S元素標準偏差為2.33%,見表4。

表4 精密度實驗結果 %

C元素和S元素的相對標準偏差≤3%,表明該方法具有較好的精密度。

4 結論

對標準試樣進行分析,通過對試樣加入量、助熔劑的選擇及其配比、助熔劑的加入方式及試樣加入量的試驗,最終確定檢測高碳鉻鐵合金中碳、硫含量的最佳試樣量為0.10±0.0002g;助熔劑選擇純鐵、鎢粒、錫粒的混合熔劑;助熔劑加入量及順序0.4g純鐵+1.4g鎢錫混合熔劑(7:1)。在最佳分析條件下,對于提高高碳鉻鐵合金中碳、硫含量分析結果準確度非常重要。采用HCS-808型高頻紅外碳硫儀分析高碳鉻鐵合金中碳、硫含量的測定方法,可以快速準確地分析高碳鉻鐵合金中的碳硫含量,具有較高的精密度和準確度。