高頻紅外碳硫分析儀測定基夫賽特爐進出口物料的碳含量

劉 娜，李 云

（江西銅業鉛鋅金屬有限公司，江西 九江 332500）

關鍵字：高頻紅外碳硫分析儀；基夫賽特爐；進出口物料；碳

目前，鉛的生產主要采用火法冶煉。火法煉鉛可分為傳統煉鉛法和直接煉鉛法。傳統煉鉛法主要為“燒結-鼓風爐熔煉”。由于工藝簡單﹑運行穩定等優點被廣泛采用。目前，“燒結-鼓風爐熔煉”工藝生產的粗鉛占世界鉛產量的70%～80%，是世界上最主要的鉛冶煉方法，我國的粗鉛生產也大多沿用此法[1]。

隨著國家對環保﹑綠色冶煉﹑能源消耗要求的提高，“燒結—鼓風爐熔煉”法的能耗高﹑產出煙氣中SO2濃度低﹑勞動條件差等缺點日益凸顯。自20世紀70年代以來，雖進行了一系列的改造，但未能從根本上解決能耗高﹑污染大﹑作業環境差等問題。目前，新建的鉛冶煉廠大都采用直接煉鉛法來生產，直接煉鉛法主要包含閃速熔煉和熔池熔煉。閃速熔煉包括基夫賽特法和奧托昆普法，熔池熔煉包括富氧底吹﹑富氧頂吹﹑富氧側吹熔煉法。直接煉鉛法取消了鉛精礦的燒結過程，采用鉛精礦直接入爐熔煉。與傳統的“燒結-鼓風爐熔煉”法相比，直接煉鉛法具有流程短﹑煙氣SO2濃度高﹑自動化水平高﹑能耗低﹑環保和職業衛生水平高等優點。江西銅業鉛鋅金屬有限公司為中國首次引進基夫賽特煉鉛工藝的冶煉廠，基夫賽特煉鉛法是將閃速氧化熔煉與電熱還原熔煉結合為一體的現代煉鉛技術。

基夫賽特法的優點有：原料適應性強，除了能處理不同鉛含量的的硫化礦或氧化礦，還能處理含鉛煙塵及鋅濕法冶煉渣料；主要金屬回收率高，能夠直接生產品位高98%～99%的粗鉛，綜合回收效果較好；爐子生產率高。精礦的直接熔煉取代了傳統的氧化燒結焙燒與鼓風爐還原熔煉兩大過程，生成工序減少，流程縮短，實現自動化操作和控制，勞動生產率高；爐體壽命長，大約為3～4年，后續維修成本低；能耗低，煙塵率約為5%～7%，煙塵可直接返回爐內冶煉，每噸粗鉛綜合能耗約為0.35t標煤[2]。基夫賽特法的缺點是對進口物料的水分含量要求較高，需干燥至含水l%以下，同時為了提高反應的效率和物料傳輸效率，粒度須球磨至200目以下。

碳（Carbon）是一種非金屬元素，化學符號為C，在常溫下具有穩定性，不易反應﹑

位于元素周期表的第二周期IVA族。碳既能以游離態存在，如金剛石﹑石墨，也能以化合物形式存在，如碳酸鈣﹑碳酸鎂等及碳酸氫鈣﹑碳酸氫鎂等，同時自然界存在大量的有機物，均含有碳元素。空氣中微量但紀委重要的二氧化碳氣體，參與生態圈的碳循環，也是碳元素存在的形式之一。工業上，焦炭﹑炭黑和活性炭這三種形式的碳被大規模運用于冶金﹑橡膠﹑污水處理等領域[3]。

目前，針對不同含量段﹑不同物料中碳元素測定，常用方法有非水溶液滴定法﹑重

量法﹑火花源光譜法﹑氣體容量法及紅外吸收法等[4]。影響測定準確度的因素主要是氧化和釋放過程的程度﹑空白值﹑碳的存在形式﹑吸收載體等[4]。紅外氣體分析技術因準確度高﹑穩定性好﹑檢出限低﹑具有優良的選擇性等優點，發展速度快，應用廣泛，特別在超低碳含量的測定方面有明顯的優勢。

無錫創想分析儀器有限公司制造HW2000型高頻紅外碳硫分析儀，是集光﹑機﹑電﹑計算機﹑分析技術等于一體的高新技術產品，總體結構包含紅外檢測系統﹑高頻感應燃燒爐﹑計算機﹑打印機﹑電子天平五個部分，能夠準確﹑快速測定礦石﹑合金﹑有色金屬及其它材料中碳﹑硫元素。儀器的智能化﹑屏幕顯示的圖文及數據的采集處理等都達到了目前國內外先進水平，是諸多行業測定碳﹑硫元素的理想分析設備。儀器通過將裝有試樣的瓷坩堝進入高頻感應加熱爐內，封閉氣路后，儀器自動進行“分析”，燃燒試樣之前通過吹氧，使整個管路充滿純氧（純氧不吸收任何波長的紅外光），使得燃燒過程更加徹底，碳硫的釋放更充分。當吹氧過程結束后，即打開高頻感應燃燒爐，在富氧條件下，試樣達到充分燃燒，釋放出二氧化碳和二氧化硫混合氣體。通過載氣的作用，混合氣體通過氣路系統到達硫吸收池和碳吸收池，此時相應探測器上測得的信號分別為被測氣體吸收后的電信號值，這些電信號值被放大，經前處理后輸入對應的A/D芯片，它轉換以每秒13次的測量速度，將所測的全部數據輸入計算機，通過公式換算出被測氣體的瞬時濃度，測量結束后將整個燃燒過程的濃度累計，經計算機處理后得到樣品中碳﹑硫的含量，測定速度快，結果準確。

2 實驗部分

2.1 儀器、試劑、材料

2.1.1 高頻紅外碳硫分析儀：型號HW2000，無錫創想分析儀器有限公司制造。

2.1.2 電 子 天 平：型 號XS204，量 程 ：0g～220g，METTLER TOLEDO公司制造。

2.1.3 鎢粒：ω≥99.8%，無錫創想分析儀器有限公司生產，測定碳含量的助熔劑，使用前需加熱至200℃烘2小時后，置于燥器中冷卻備用。

2.1.4 瓷坩堝：規格25×25mm，碳硫分析專用坩堝，無錫創想分析儀器有限公司生產生產，使用前需在馬弗爐中加熱溫度升到1000℃～1200℃，恒溫2小時后，自然冷卻至一定溫度時，取出放干燥器中冷至室溫備用。

2.1.5 鐵礦石校準樣品：50g，國家標準樣品編號GSB 03-2853-2012，鋼研納克檢測技術有限公司生產。

2.1.6 鑄鐵校準樣品：250g，樣品編號PART NO.501-024，美國力可公司生產。

2.1.7 氧氣：φ（v/v）≥99.5%，九江市鑫和源氣體有限公司生產。

2.2 儀器工作參數

表1 高頻紅外碳硫分析儀器參數

2.3 實驗方法

2.3.1 稱取0.0500g～0.1000g校準樣品﹑試樣（精確到0.0001g）于預先灼燒處理后的瓷坩堝內，隨同試樣帶空白。

2.3.2 使用定量勺依次向瓷坩堝中加入助熔劑鎢粒0.5g，使用坩堝夾將試樣和鎢粒充分混勻后，置于高頻感應加熱爐的坩堝托上，啟動“升爐”開關。

2.3.3 按照測試軟件預設的程序，選擇碳含量相近的測試通道，依次測定廢樣﹑空白樣品﹑校準樣品，校準樣品的測定值與標準值的差值在證書給定的不確定度范圍之內，將待測試樣送入高頻紅外碳硫分析儀中測定。

3 結果與討論

3.1 最短分析時間與截止值的選定

最短分析時間和截止值是儀器判斷分析結束的依據。最終分析結果與釋放曲線的面積積分值成正比，截止值和最短分析時間直接關系釋放曲線的面積積分。分析時間過長，對于低含量試樣分析，增加了無用的檢測，由漂移引起的誤差機會增加。分析時間過短，對于高含量試樣分析，有用的檢測輸出將會被排除在外[5]，造成檢測結果偏低。

最短分析時間和截止值是指通常情況下，打開高頻爐，儀器自動計時，當計時超過設定最短分析時間后，儀器對每次測量結果自動進行判別，判別的依據為截止值和本次測量峰值，當瞬時濃度與峰值濃度之比達到設定的截止值所對應的X值時，儀器自動控制結束測試，截止值與X值的對應關系見表2。

表2 截止值與X值的對應關系

通過實驗，確定截止值設定為3左右，最短分析時間為30秒，即可獲得穩定可靠的分析數據。

3.2 空白值的影響

在分析過程中，除試樣外，參與分析的還有瓷坩堝﹑助熔劑﹑助燃氣等，盡管對參與分析的各種材料進行過預處理，但仍然可能含有微量的碳元素，同時系統中吸附微量的二氧化碳氣體在分析過程會被釋放，以上為系統空白值[6]。分析低含量試樣時，由于測量值很小，系統空白值的存在可能會影響測量結果的準確性，需要扣除空白值方可測量[7]。因此在分析低含量樣品前，必須進行空白校正。實驗發現，系統中存在的二氧化碳基本穩定，引起系統空白值波動的因素主要是參與分析過程的材料，批次不同，空白值也不相同。經過實驗，選定的空白測定方案：在分析校正樣品之前，選用同一瓶氧氣，固定量的助熔劑及同一批處理好的坩堝，空白值基本一致，測試空白值輸入儀器的質量與測試試樣的質量基本一致。

3.3 樣品精密度

準確稱取0.1000g基夫賽特出口物料﹑0.0500g基夫賽特進口物料于預先灼燒處理后的瓷坩堝內，精確到0.0001g，按照2.3.1-2.3.3實驗步驟進行測定，實驗數據見表3。

表3 基夫賽特進出口物料碳含量測定精密度實驗數據

由表3的數據可知，以鎢粒為助熔劑，在純氧條件下，高頻紅外碳硫分析儀測定低含量碳試樣的相對標準偏差（RSD）介于4.08%～9.59%之間，測定高含量碳試樣的相對標準偏差（RSD）介于0.90%～1.17%之間，精密度良好，能夠滿足檢測需求。

3.4 樣品準確度

3.4.1 加標回收實驗

準確稱取適量基夫賽特進口物料于預先灼燒處理后的瓷坩堝內，精確到0.0001g，按照表4要求加入校準樣品（2.1.6），按照2.3.1-2.3.3實驗步驟進行測定，實驗數據見表4。

表4 基夫賽特進口物料碳含量測定的加標回收實驗數據

由表4數據可知，高頻紅外碳硫分析儀測定基夫賽特進口物料中碳含量，回收率介于98.91%～103.78%之間，加標回收率良好，方法可靠，能夠滿足檢測要求。

3.4.2 有證標準物質驗證

準確稱取0.0500g校準樣品（2.1.5）（2.1.6）于預先灼燒處理后的瓷坩堝內，精確到0.0001g，按照2.3.1-2.3.3實驗步驟進行測定，實驗數據見表5。

表5 有證標準物質碳含量的實驗數據

由表5數據可知，通過對兩個有證標準物質中碳含量的測定，分析結果均在證書給定的不確定度范圍內，相對誤差（RE）不大于0.88%，證明高頻紅外碳硫儀測定碳含量方法可靠。

4 結論

本文通過實驗，確定了最短分析時間和截止值，消除空白值影響，通過平行測定6次評估方法的精密度，結合加標回收實驗和測定有證標準物質評估方法的準確度。實驗表明，在最短分析時間30秒和截止值為3，消除空白值影響的狀態下，以0.5g鎢粒為助熔劑，純氧條件下充分燃燒，高頻紅外碳硫儀測定基夫賽特爐進出口物料的碳含量，準確度高，精密度好，能夠有效指導工藝生產，可推廣至其它冶煉物料中碳含量的測定。