鋼中氧氮含量檢測影響因素分析

摘" 要：該文對采用惰氣-熔融法測定鋼中氧氮含量的基本原理、檢測過程及樣品的制備過程和方法進行介紹。分析、探討樣品加工、檢測過程，找出各個環節對檢測結果穩定性造成影響的因素。通過對樣品制備工藝的改善、設備狀態等的優化，提高檢測結果的準確性。為公司的產品研發、工藝調整提供數據支撐，同時也為產品質量把好關。

關鍵詞：鋼；樣品加工；氧氮含量；惰氣-熔融法；檢測過程

中圖分類號：TG142.1+5" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）19-0063-04

Abstract： In this paper， the basic principle， detection process， sample preparation process and method for the determination of oxygen and nitrogen in steel by inert gas-melting method are introduced. Analyze and discuss the process of sample processing and testing， and find out the factors that affect the stability of the test results. Through the improvement of the sample preparation process and the optimization of the equipment status， the accuracy of the test results is improved. This provides data support for the company's product research and development， process adjustment， and product quality.

Keywords： steel; sample processing; oxygen and nitrogen content; inert gas-melting method; detection process

沙鋼集團有限公司理化檢測中心成立于1984年，2004年通過中國合格評定國家認可委員會（CNAS）認可，主要負責全公司所有入廠原輔料、出廠產品、自來水及循環水水質、飲料、車間設備用油和各類抽樣的檢測，為入廠原材料及出廠產品的判定、貿易結算提供依據，以及為車間工藝調試、質量改進及時提供數據支撐。公司將所有的線材、管線鋼、熱軋帶肋鋼筋等產品的氧（O）氮（N）含量，作為產品質量的判定依據之一。理化中心檢測鋼中O、N含量所采用的設備為LECO公司的TC500、TCH600及HORIBA公司的EMGA-930氧氮分析儀等。在測定鋼中氧氮含量時，設備的狀態是否穩定，分析樣品加工質量是否符合要求，檢測人員操作是否規范等，均影響著檢測結果的準確性。為了進一步提升檢測結果的準確性和可靠性，特對檢測樣品制備工藝、檢測設備狀態等進行了優化。

1" 儀器設備

1.1" 儀器工作原理

LECO公司與HORIBA公司的氧氮分析儀工作原理基本相同，均采用脈沖惰氣還原熔融法。將樣品放在脫完氣的高純坩堝中，在超純惰性氣體（氦氣）的氣氛中高溫熔融，樣品中的氧被釋放出來并與石墨坩堝中的碳反應生成一氧化碳（CO），經過凈化系統凈化后，一氧化碳（CO）再被催化劑（氧化銅）氧化成二氧化碳（CO2），隨載氣通過紅外吸收池進行檢測，計算得出氧含量。而樣品中的氮則是以氮氣分子（N2）的形式被釋放出來，隨載氣進入熱導池，利用與氦氣的熱導差所產生的電流強弱檢測氮含量。

1.2" 相關條件和設備

南京和澳銑樣機；南京和澳JQ-Ⅱ型氣體剪切機；內、外高純石墨坩堝；載氣為He2（純度99.999％），壓力20 Psi；動力氣為壓縮空氣壓力40 Psi；無水乙醇（分析純）；四氯化碳（分析純）；純錫助熔劑；濾紙；稱量瓶；LECO TC500氧氮分析儀；梅特勒萬分之一天平；GSB02-2463-2008軸承鋼中氧、氮氣體標準樣品。

2" 測定結果的影響因素

2.1" 空白值

空白值的存在雖然是不可避免的，但是卻可以通過提升檢測參與物的純度及設備的穩定性來減小空白值，或使得空白值相對穩定。而通常鋼中O、N含量的空白值，取決于石墨坩堝的純度、氦氣的純度、助溶劑的純度及儀器的穩定性。表1記錄了采用相同的儀器、石墨坩堝、氦氣和助溶劑的條件下，儀器工作參數穩定前與穩定后空白值測定結果的對比。

通過表1可以看出，儀器穩定前的空白值標準偏差比儀器穩定后要高得多，分析偏差大；實際空白值（實際空白為穩定后，應趨向零）比空白值（穩定前）小很多，儀器未穩定將導致樣品的檢測結果誤差增大；儀器穩定前相對標準偏差最高達到了27.778 3%，說明其再現性很差，儀器狀態不具備測試條件。在試驗時也發現，儀器穩定前的空白試驗積分圖很凌亂，常常會出現大負峰，或積分圖一直處于積分狀態，導致積分過程無法完成。主要原因是檢測池還未穩定。

所以，在開展試驗前需先打開設備并通氦氣1 h以上，然后檢測2次控樣，這樣可使儀器盡快進入穩定狀態。等檢測設備的各項參數均滿足分析要求后，連續進行5次空白試驗，并消除空白，再分析試樣，這樣可最大限度地避免空白值引起的誤差。

2.2" 樣品加工及分析前處理

樣品加工及分析前處理是檢測鋼中氧氮含量必不可少的環節，樣品的加工質量及前處理情況直接影響其檢測結果。所有導致檢測結果不穩定的因素中，最重要的一個因素是樣品的制備。樣品的制備及處理步驟分為：接收樣品→對樣品進行排序→銑樣機加工成5" mm圓柱→拋光→用剪切機剪切成1g左右的樣品 →浸泡于四氯化碳中去除污漬、油漬→干燥。該步驟通常由試樣機加工人員與試驗人員共同完成，試樣機加工人員需完成接收樣品→對樣品進行排序→銑樣機加工成5 mm圓柱→拋光，試驗人員需完成接收樣品→對樣品進行排序→用剪切機剪切成1 g左右的樣品→浸泡于四氯化碳或丙酮中去除污漬、油漬→干燥等步驟。本文對機加工質量及前處理方法分別開展了對比試驗，見表2—4。

通過表2可以看出，樣品粗糙度對氧含量的檢測結果影響較大，粗糙度大不僅會使其再現性變差，還會導致其檢測結果偏高，而粗糙度小的穩定性較好。同時發現樣品的粗糙度對其氮含量的檢測影響較小，基本可以忽略不計。分析粗糙度影響氧含量的原因有2個：一是由于樣品加工過程中會發熱，表面越粗糙越容易造成表面氧化，導致氧含量偏高；二是表面粗糙度越大的樣品，其污漬、油漬清洗難度就越大，污漬、油漬清洗不干凈將直接影響檢測結果的準確性。

眾所周知，四氯化碳的去污能力比無水乙醇要強。但通過表3、表4可以看出，采用無水乙醇和四氯化碳作為清洗液對樣品進行清洗，當清洗時間為5 min、干燥時間也為5 min時，2種清潔方式檢測結果差異并不大，其穩定性均較好。說明采用無水乙醇作為清洗劑時，只要其清洗方式得當，清洗時間足夠，清洗后充分干燥，其清洗效果是可以滿足檢測需求的。但由于四氯化碳對人體的傷害比無水乙醇要大，故推薦選用無水乙醇進行清洗。需要說明的是，沙鋼集團有限公司理化檢測中心加工的樣品均較為清潔，清潔難度不大，若因樣品加工工藝的差異，使得樣品污染較為嚴重，則在清洗樣品時，應視其樣品的污染程度，適當增加清洗時間或輔以超聲波清洗機進行清洗。

2.3" 儀器分析過程的控制

2.3.1" 氣體凈化系統

為確保檢測結果的準確有效，氧氮分析儀中配備了載氣，分析氣體的凈化、過濾裝置，會用到純銅絲（粒）、氧化銅、無水高氯酸鎂和堿石棉，分別起到凈化載氣（除載氣中的氧）、氧化一氧化碳、吸收水分和吸收二氧化碳的作用。同時圓盤過濾器、微粒過濾器對分析氣體中的粉塵進行過濾，防止粉塵進入檢測池，影響檢測精度。當這些試劑失效或過濾器效果不佳時，將直接導致檢測結果失準。故需每天檢查試劑及過濾器的有效性，當純銅絲（粒）變黑、氧化銅變紅、高氯酸鎂結塊、堿石棉變白和過濾器變黑時，需及時更換。

2.3.2" 分析方法的設置

正確設置設備分析方法，是獲得準確穩定數據的必備條件。以TC500氧氮分析儀為例，在設置分析方法時影響檢測結果的參數有：脫氣功率、脫氣時間、分析功率、分析延遲時間和最小分析時間等。只有將各參數設置在合理區間，才能獲得準確有效的結果。例如，分析功率在設置時應考慮樣品的熔點，通常鋼樣的分析功率設置為5 000 kW，其脫氣功率及脫氣時間的設置則應考慮坩堝中雜質氣體完全脫離或在樣品分析時不被釋放出來，故設置脫氣功率時應比分析功率高出500 kW，脫氣分2次完成，每次脫氣時間為10 s。分析延遲時間可理解為設備建立基線所需時間，時間太短會導致基線不準檢測結果偏離，時間過長則增加分析時間，影響分析效率，通常設置為25～30 s為佳。最小分析時間是氧含量或氮含量完成積分最少用時，積分時間太長會增加分析時間，積分時間不夠則導致部分測量數據被獲得。通過實驗，通常將鋼樣氧含量的最小分析時間設置為25～30 s，氮含量的最小分析時間設置為45～50 s。

3" 檢測結果

表5為設備完全穩定以后，檢測的空白值基本趨向0時，將樣品粗糙度Ra等于1.0的樣品經無水乙醇清洗5 min后干燥，儀器分析方法合理設置后，對標準物質和隨機抽取的樣品所測定的結果。

通過以上檢測數據可判斷，標準物質檢測結果滿足其允許誤差要求，說明設備的狀態比較穩定，分析曲線線性較好。而隨機樣品的檢測數據重現性也很好，偏差均在正常范圍之內，說明采用該方法較適宜。

4" 結論

影響鋼中氧氮含量檢測結果準確性的因素有：樣品的加工質量、樣品的清洗方式、設備的穩定性、試劑的有效性及分析方法的設置等。通過對設備狀態的控制，以及對樣品制備質量及前處理方法的改善，檢測結果的穩定性得到了保證，能夠滿足實際工作需要，為公司生產工藝的調整、產品判定提供準確可靠的依據。

參考文獻：

[1] 韓麗輝.影響鋼中氧氮含量測定結果的因素分析[J].實驗技術與管理，2016（7）：33-39.

[2] 李云龍.鋼中氧氮含量測定結果不穩定原因分析及解決方法[J].天津冶金，2012（6）：48-50.

[3] 蔣毅，趙立華，高麗鳳，等.鋼中氧氮含量測定若干問題的探討[J].河北冶金，2006（1）：20-23.

[4] 韓麗輝，于春梅，馮根生.取樣和制樣對鋼中氧氮含量分析結果的影響[J].實驗室研究與探索，2016（5）：49-55.

作者簡介：郭勇剛（1985-），男，工程師。研究方向為應用化學。