低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐）充裝液氬在直讀光譜儀上的應用

蘇文星， 鄭貴增， 艾 鵬， 降建平

（連云港興鑫鋼鐵有限公司技術檢測中心， 江蘇 連云港 222500）

直讀光譜儀因其具有快速、準確、操作簡單、多元素測定等特點被廣泛應用于冶金檢測領域。在冶金工業中，對鋼鐵材料和合金的光譜分析使用氬氣氣體控制，當樣品在氬氣中激發時，由于取代了空氣中的氧和氮，防止了樣品在激發過程中的選擇氧化，使放電狀態穩定，有利于提高光譜分析的精密度，同時減少了CN、CO、NO 等分子的帶狀光譜，增強了譜線強度。另外氧對140.0～195.0 nm 波長的光譜會有強烈的吸收效果，在氬氣氣氛中排除氧的存在，使得這一波段的C、S、P、B、As、Se、Sn、N 等靈敏線可被利用，擴大了光譜分析領域。

此外，氬氣對鎢電極有保護作用，光譜激發時瞬間電壓、電流大，激發溫度高，氬氣純度不夠會對鎢電極造成損害，并且會使一些高熔點的樣品激發不充分，在激發表面留下很多白點，造成檢測數據不準。高純氬作為火花室保護氣的主體，其純度高才會形成需要的“聚能放電”，樣品的組織結構越復雜，對氬氣的純度要求就越嚴格。通常引起分析數據不穩定的主要原因就是氬氣的純度，一般情況下，鑄鐵、鑄鋁及高純金屬等材質時需使用純度為99.999%的氬氣。

1 液氬替代高壓氣瓶氬氣的設計背景

連云港興鑫鋼鐵有限公司（全文簡稱我公司）檢測中心鋼鐵化驗室共配置3 臺德國OBLF-GS1000型火花直讀光譜儀，主要用于煉鋼生產樣的分析及煉鋼生鐵及成品的檢測分析工作，為更好地服務煉鋼，鋼鐵實驗室選擇靠近煉鋼車間的位置，位于三樓煉鋼平臺右側，儀器所用氬氣是采用外購南京特氣生產的40 L 瓶裝高純氬氣，在一樓設氣瓶室，將幾組氣瓶通過匯流排連接，通過管道輸送至儀器。因煉鋼生產節奏快，樣品檢測量大，每瓶高純氬氣使用期限僅為3 d，經統計，鋼鐵實驗室每月總用氣量達到28～30 瓶。按照要求每更換一瓶氬氣需對光譜儀進行完全標準化工作，且經常遇有氬氣不純情況，所以給快節奏的檢測工作帶來諸多不便。

鋼鐵企業作為國民經濟中最大的用氧部門，其生產過程所需大量氧氣，我公司制氧廠在制取氧氣的同時也生產出氮氣和氬氣等工業氣體，副產品氬氣被深冷儲存于液氬罐中，該液氬純度達99.999%，完全可以作為光譜儀用氣使用。為解決這一問題，聯合公司制氧廠相關技術人員共同進行研究討論，最終安全、科學地設計了充氬管路，規范了充氬流程，實現了自產自用液氬替代高壓氣瓶氬氣的目的。采用特殊管路將液氬充至低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐），運送至氣瓶存放處，連接管道，開啟氣化閥門，調整好壓力，將液氬緩緩氣化，并由管道送至光譜儀。

2 杜瓦罐充裝液氬在直讀光譜儀上的應用探討

公司采用山東奧揚科技股份有限公司生產的B4（1）（2）級低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐）公稱容積為175 L，工作壓力為2.3 MPa，最大充裝量為225 kg，該氣瓶作為一種低溫絕熱壓力容器，雙層真空結構設計。內膽用來儲存低溫液體，在外壁附有多層絕熱材料，具有超強隔熱性能，外殼和支撐系統的設計能夠承受運輸車輛在行駛中所產生的相關外力。

2.1 具體操作

低溫瓶的充裝通過1 根獨立的軟管完成。充液時，首先將充裝軟管與瓶的充裝接頭連接，打開氣相閥，然后開啟液相閥，低溫液體將通過連接軟管進入瓶內膽。當液位計顯示滿時，停止充裝。

熱瓶充裝：通常將首次充裝低溫液體前和停止工作兩周以上的瓶稱為“熱瓶”。首先向瓶內充入大約20 L 的低溫液體，靜置，在瓶內液體氣化升壓的過程中，瓶內膽也得到冷卻，當瓶內壓力達到正常工作壓力后，進行系統檢漏，通過放空降低壓力，即可按常規充裝程序進行操作。此外，放空充裝程序也適用于已知的“熱瓶”。

2.2 氣態供給

當瓶的壓力較高時，打開氣相閥，瓶內的壓力將把氣相從瓶內的頂部壓出，進入汽化器。在汽化器內被汽化、加溫后供給實驗室。這種方式對降低瓶內的壓力具有顯著、重要的作用。若需穩定、長時間保持該狀態，需開啟增壓截止閥，并將調壓閥調至所需壓力，氣化后的氬氣經匯流排管道輸送至3 臺光譜儀。需注意的是，在出氣口位置需配置一套雙表氬氣減壓閥，用以將罐體氣化出的氬氣減壓至儀器所需壓力。一般光譜儀使用氬氣壓力在0.4～0.6 MPa,可在氬氣凈化機入口處加精調減壓閥，以精確控制儀器使用氬氣的流量。低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐）的閥門示意圖如圖1 所示。

圖1 低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐）的閥門示意圖

2.3 液體保留

為方便下次充裝，瓶內的液體應遺留2～3 L 為宜，不可用盡，并使瓶處于冷態，不可轉變為“熱瓶”。

2.4 低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐）優點

采用真空絕熱不銹鋼容器，同壓縮氣體鋼瓶相比更為安全；氬氣由液態變為氣態，體積增加約780倍，液態氬的密度是1.40 kg/L，氣態氬氣在常溫下的密度為1.78 kg/m3,175 L 的液壓杜瓦罐按照氣體膨脹系數折算約為23 瓶40 L 的高壓氣瓶；儲存容量大，可減少場地存放，減少換瓶操作，提高工作效率；在相對低的壓力下能容納大量的氣體，可滿足氣液雙相使用；其優勢還有儲存壓力低，配有多級安全保護裝置，操作簡單、安全性好；氣體利用率高，鋼瓶每次都需留有余氣，以液態供氣可以避免浪費，降低成本；自增壓裝置，壓力及液位顯示一目了然；瓶體清潔，使用的液氬純度更高，避免氣體運輸中的二次污染。值得注意的是，對于長期不用氬氣或使用頻率不高的設備，液氬需定期卸壓，否則液氬會泄露直至耗盡。

2.5 注意事項

初次使用杜瓦罐一定要仔細閱讀說明書，按照規定嚴格操作使用。氬氣室需配備氧氣濃度報警裝置；氣瓶應存放在通風良好的地方，不得在烈日下長時間暴曬；嚴禁采用橫臥滾動方式來搬動氣瓶；若閥門凍住，應使用清潔無油的溫水或熱氮氣解凍，之后方可操作；不得用錘或其他物件敲擊閥門。

杜瓦罐主要有四個閥門供使用，即液體使用閥、氣體使用閥、放空閥、增壓閥。此外還有氣相壓力表和液位計。杜瓦罐儲存未使用時切記不能打開增壓閥，一定要檢查增壓閥是否關死，否則會造成罐內氣體泄露。

3 試驗比對數據

使用低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐）充裝液氬在直讀光譜儀上分析中低合金鋼標準樣品，對重復性試驗結果進行分析。

YSBS281007—2007 中低合金鋼標樣樣品的重復性試驗結果如表1 所示。

表1 YSB樣S2品81的0重07復—性20試07驗 中結低果合 金鋼標樣%

使用YSBS 281007—2007 中低合金鋼標樣樣品做精確度試驗，試驗結果如表2 所示。

表2 YSBS 2樣8品10精07確—度20試07驗 中結低果合 金鋼標樣%

采用鑄鐵光譜標準樣品YSBS 4510182—15 做精確度試驗，比對結果如表3 所示。

表3 鑄鐵光譜標準樣試品驗Y結SB果S 4510182—15 精確度%

4 結論與效果評價

經分析可知，將低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐）充裝液氬應用在直讀光譜儀上進行分析試驗的精密度高，符合標準GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法（常規法）》及GB/T 24234—2009《鑄鐵 多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法（常規法）》的要求。因此使用低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐）替代高壓氣瓶完全可行，此舉不僅解決了長期以來運輸、更換氣體鋼瓶的麻煩，更是實現了不間斷供氣要求；降低了員工的勞動強度，從一定程度上避免了因運送氬氣鋼瓶造成的安全事故；使用自產液氬替代外購南京特氣的高純氬，降低了檢測分析成本，減少了資源浪費，僅此一項為公司一年節約外購氬氣費用約10 余萬元。采用低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐） 充裝液氬也可使用在ICP-OES 和ICP-MS 及色譜儀等對氬氣使用量大的檢測設備上。

值得注意的是，對于長期不用氬氣或對氬氣使用頻率不高的設備，需人工對液氬進行定期卸壓，否則液氬會泄露直至完全耗盡。所以使用低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐）替代高壓氣瓶的方法適用于鋼鐵企業爐前快速檢驗、不間斷檢測實驗室的檢測設備，且用氬氣量較大的用戶及實驗室，在這些場景中該法值得廣泛推廣應用。