高頻紅外吸收法測定普碳鋼中碳含量

鄭浩,羅瓊輝,趙朝輝

(中國地質科學院礦產綜合利用研究所,四川 成都 610041)

鋼是指碳含量在0.02%～2.11%之間的鐵碳合金[1-2],鋼中碳含量對鋼的塑性和韌性以及強度具有重要影響[3-4],精確測量鋼中的碳是獲得優質鋼鐵產品的前提[5-7]。因此,如何精確測定鋼中碳含量對于企業生產合格的鋼鐵產品具有重要意義[8-10]。但由于采用高頻紅外吸收法檢測鋼中碳含量的檢測值隨鋼樣和助溶劑用量的變化會發生很大的波動[11-13],使鋼樣中碳含量檢測值偏差較大[14-15]。因此,為了提高鋼中碳含量的檢測精度,優化紅外吸收法檢測鋼中碳含量檢測值的穩定性。本文采用GBW 01205 (碳標準值0.455%)和純鎢作為助溶劑,采用統計分析的方法研究標樣含量和助溶劑用量對鋼樣中碳含量檢測值穩定性的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

高純氧氣(>99.5%);20～40目鎢粒(>99.99%)、無水高氯酸鎂、二氧化碳吸收劑均為分析純。

CS-3600GG紅外碳硫分析儀;XS104電子天平;硫碳專用陶瓷坩堝(Φ25 mm×25 mm),使用前在馬弗爐中灼燒1 h(溫度1 000 ℃),取出冷卻放入干燥器內備用。

1.2 實驗方法

以高純氧和空氣壓縮機提供動力氣,高純氧為分析氣。在設備進行工作前,調節分析氣和動力氣的壓力在0.2～0.4 MPa(氣壓過大過小會導致高頻爐的燃燒管受到壓力影響,更嚴重的情況下會導致燃燒管爆裂)。紅外碳硫儀根據通過氣體凈化硫經過富氧條件下的高溫加熱,在氧氣氛圍內燃燒,將樣品中的碳氧化為CO2氣體,經過載氣進入氣路系統,處理后進入相應的吸收池,對相應的紅外輻射進行吸收,由探測器轉發為信號,經計算機處理得出最終結果。

用天平稱取國家標準物質GBW 01205(碳標準值0.455%)和純金屬鎢助溶劑以及鋼廠現場取的鋼樣。助溶劑用量為1.5 g,坩堝內稱取0.200 0 g標準樣,用鑷子夾持坩堝,將坩堝至于爐臺坩堝座上,按照說明書操作。每個樣共檢測5次,取平均值,并計算標準差和相對標準差。

2 結果與討論

2.1 試樣量對鋼樣中碳檢測精度的影響

圖1是采用國家標準物質GBW 01205(碳標準值0.455%)和純鎢助溶劑的分析結果。

由圖1可知,每個添加相同的助溶劑用量的標樣,測量的5次碳含量數據的波動性較大,僅當助溶劑用量1.0 g,標準樣為0.200 0 g時,不同次數檢測的數據的波動性較小。在標準樣用量為0.150 0 g 時,碳含量的標準差和相對標準差出現最大值。標準樣用量為0.200 0 g時,標準樣的碳含量的標準差和相對標準差出現最小值。由此可知,根據碳含量的相對標準差和相對標準差的數字,可以確定當標準樣為0.200 0 g時,高頻紅外碳硫分析儀檢測的碳含量最接近標準樣碳含量的真實值,標準樣用量為0.150 0 g時,標準樣碳含量的檢測值與標樣實際的碳含量偏差最大。這說明當標準樣用量為0.200 0 g時,標樣的檢測值最為精確。

2.2 試樣含量影響檢測精度的機理

基于以上分析可知,當標準樣在0.050 0～0.250 0 g之間時,隨著標準樣質量增加,采用高頻紅外碳硫分析儀檢測的碳含量呈現逐漸增加趨勢。這是因為助溶劑用量一定的情況下,隨著標準樣用量的增加,標準樣與助溶劑的接觸面積增大,使標準樣能夠充分燃燒,從而使紅外碳硫分析儀檢測到的碳含量呈現逐漸增加趨勢。因此當標準樣用量低于0.200 0 g時,隨著標準樣用量增加,紅外碳硫分析儀對標準樣中碳含量的檢測值逐漸增加,且向標準差最小的值接近。當碳用量高于0.200 0 g時標準樣中的碳含量檢測值有逐漸偏離碳含量標準差最小的值,且同一配比的樣品不同次數檢測的碳含量的波動性開始變大。這主要是由于標準樣增加是由于體系中碳含量增加使體系檢測到的碳含量逐漸增多。因此,基于標準樣含量不同的碳含量分析結果可以明確檢測鋼樣用量為0.200 0 g時碳含量的檢測值重現性最好。

2.3 助溶劑用量對檢測精度的影響

圖2是標準樣為0.200 0 g,助溶劑用量對標樣中碳含量的影響。

圖2 助溶劑用量對碳含量的影響Fig.2 Influence of cosolvent dosage on carbon content

由圖2可知,助溶劑用量為0.5 g時,標樣中碳含量較低,與碳標準值0.455%的偏差最大。助溶劑用量為1.0 g時,標樣中碳含量迅速增大,且數值接近碳標準值0.455%。助溶劑用量為1.5 g時,標樣中碳含量數值略有增加,與碳標準值0.455%接近程度進一步增加,且對同一配比樣品進行5次重復性檢測,不同次數的碳含量的偏差極小。當助溶劑用量達到2.0 g和2.5 g時,雖然標樣中碳含量增加的幅度較小,但統一配比樣品進行多次檢測后,碳含量的偏差較大。基于以上分析可知,當標樣用量一定時,隨助溶劑用量的增加,標樣中碳含量呈現先迅速增大,后增大的數值趨于平緩。此外,為了分析當紅外碳硫分析儀標準樣用量為0.200 0 g時,最佳的助溶劑用量,標準樣中檢測的碳含量的相對標準差隨助溶劑用量的變化規律。標準樣的相對標準差與助溶劑用量呈現先降低后增大再減小的趨勢。助溶劑用量最少時對應的標樣碳含量的相對標準差最大。當助溶劑用量為1.5 g時,標準樣碳含量的標準差和相對標準差最小。因此,基于對不同助溶劑用量的誤差分析隨助溶劑用量變化的規律,確定助溶劑用量為1.5 g時,采用紅外碳硫分析儀檢測標樣的碳含量最接近碳標準值0.455%。

2.4 助溶劑用量影響檢測精度的機理

通過分析可知,標準樣用量為0.200 0 g時,隨助溶劑用量增加,標樣中碳含量的檢測值逐漸增加,這主要是由于助溶劑用量較低時,標準樣燃燒不充分,待分析結束后,標準樣中還殘留有未燃燒完全的樣品,因此隨著助溶劑增加,標準樣的燃燒率增加,則使檢測的碳含量逐漸增加。助溶劑用量增加至1.5 g時,碳含量增加的數值逐漸減小,且相同配比標樣檢測的碳含量的波動性較小,助溶劑用量超出1.5 g時,檢測的碳含量的波動性變大,這是由于燃燒過程中助溶劑用量過多對CO2的擴散產生影響,使同次數檢測出的碳含量波動較大。因此,助溶劑用量為1.5 g時,紅外碳硫分析儀對鋼樣中碳含量檢測值的穩定性最好。

2.5 鋼樣中碳含量重現性分析

基于以上分析可知,當檢測樣品的用量為0.200 0 g、助溶劑用量為1.5 g時,標準樣中碳含量檢測值最接近標樣的碳含量檢測值。因此確定以鋼廠現場取用的中碳鋼為檢測原料,并向坩堝中加入1.5 g助溶劑,進行5次檢測,結果見表1。

表1 實際鋼樣的檢測值Table 1 Test values of actual steel samples

由表1可知,對C2標準樣中碳含量的第1次檢測值為0.453%,第2次檢測值為0.457%,第3次檢測的碳含量為0.452%,檢測值均在0.453%～0.459%之間波動,波動范圍為0.006%。將中碳鋼中碳含量的檢測值與標準樣進行對比可知,中碳鋼的碳均值為0.457%,標準樣碳含量平均值為0.456%,且C1中碳鋼與C2標準樣中碳含量的標準差和相對標準差的值相等。

3 結論

(1)隨標準樣含量增加,檢測的碳含量逐漸增加,當標準樣含量為0.200 0 g時,碳含量的檢測值波動性較小。

(2)隨助溶劑用量增加,檢測的碳含量先逐漸增加后趨于穩定,但當助溶劑用量>1.5 g時,碳檢測值的波動性逐漸增大。

(3)通過實際鋼樣與標準樣碳含量檢測,確定了鋼樣用量為0.200 0 g,純鎢助溶劑用量為1.5 g時,鋼中碳含量檢測值最穩定,檢測結果的波動性最小,相對標準偏差(RSD,n=5)<1%。