紅外吸收法測定煉鋼碳化硅類脫氧劑中的碳化硅

徐本平

（1國家釩鈦制品質量監督檢驗中心，2攀鋼集團研究院有限公司；3釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室，四川 攀枝花617000）

1 前言

隨著煉鋼工藝的不斷改進，對脫氧、保溫提出了更高的要求。碳化硅作為一種煉鋼脫氧劑正被廣泛推廣使用。碳化硅類脫氧劑主要由焦碳、石墨、碳化硅、氧化鎂、鋁等組成，其游離碳的含量為40%左右，總碳量為60%左右。碳化硅類脫氧劑由于其熔點（2700℃）、含碳量和雜質都很高，所以其有效成份（SiC）的測定是分析中的一個難點。國家標準［1］采用HNO3－H2SO4－HF酸液體系加熱處理，揮發游離硅和二氧化硅，鹽酸分離雜質鐵，灼燒稱重求出碳化硅的量，但該法對含有鋁雜質的樣品，因分離不徹底會使結果偏高。目前，也有采用的國家標準［2］方法，通過堿吸收重量法來測定總碳，扣除游離碳，通過計算碳含量從而換算出碳化硅的量。但該法在測定游離碳時采用較低的溫度（750℃）通氧燃燒，不能有效地將樣品中的焦碳、石墨碳完全燒掉，使游離碳結果偏低，從而最終使碳化硅的計算結果偏高。有資料［3－5］雖然也利用紅外吸收法測定SiC，但由于分析條件的不同，均不能適應含有石墨類的SiC脫氧劑的樣品，使測定結果不準確。為此，我們借鑒了標準［6－7］，擬定了用馬弗爐在950 ℃ 高溫下，先燒掉焦碳及石墨碳，然后再用CS－344紅外吸收儀測定殘碳，計算出碳化硅的含量，取得了滿意的效果。

碳化硅類脫氧劑的分析難點在于：1）馬弗爐要通氧充分，使焦碳及石墨碳燃燒完全；2）高熔點碳化硅必需采用有效的熔樣方法；3）對于高達10%以上含量碳的測定必需在良好的線性范圍內。針對以上問題進行了一系列的實驗研究，最終建立起該物料的分析方法。

2 實驗部分

2.1 儀器及試劑

SX－4－10型馬弗爐（上海實驗電爐廠）；CS－344紅外吸收儀（美國LECO公司）；助熔劑鎢粒（湖南醴陵茶山坩堝瓷廠）；助熔劑鐵屑（太鋼鋼研所）；純SiC粉（西德進口分裝ωSiC／%＝99.4%，ωC／%＝29.82%）；

2.2 實驗方法

稱取0.1000g樣品于碳硫紅外吸收測定儀的特制坩堝中，放入950℃的馬弗爐中開啟爐門通氧燃燒完全后，殘渣加入鎢粒加鐵屑助熔劑，以下按紅外碳硫儀的操作程序進行分析，測定出殘碳的百分含量。

工作曲線校正：采用純SiC粉按樣品分析過程進行分析，對儀器進行碳的自動校正。

3 實驗結果及討論

3.1 馬弗爐燃燒焦碳及石墨碳實驗

根據國家標準［5－6］的規定，確定燃燒焦碳及石墨碳的方式為馬弗爐并開啟爐門通氧，控制溫度為950℃，使焦碳和石墨碳完全充分燃燒。為了確定在以上條件下燃燒游離碳的時間，實驗結果見表1。

由表1可見，控制燃燒時間45～60min為佳，其中的碳及石墨碳充分燃燒100%地揮發，同時可完整保留碳化硅。

3.2 助熔劑的選擇實驗

為了熔化高熔點的碳化硅樣品，我們結合實際情況及儀器的狀況進行了錫、鉬、鐵、鎢助熔劑的選擇最后確定鎢粒加鐵助熔劑的熔樣效果最好，成本低。通過條件實驗確定了助熔劑的用量，其實驗結果如表2。

表1 馬弗爐燃燒石墨碳及焦碳實驗結果表Table 1 Experiment results of combustion of graphitic carbon and coke in a Muffle furnace

表2 助熔劑用量實驗結果Table 2 Experimental results for testing usage of the flux

從表2可以看出，采用2g W＋2g Fe作為助熔劑熔樣效果良好。

3.3 儀器線性化考證

一般CS－344所分析的碳量正常情況下分析不超過7%；但儀器能否分析10%以上的碳關鍵在于儀器在此分析范圍內線性是否良好，設計了以0.1000g樣品（ωC／%＝13.30%）打底，加入10，20，30，40，60mg的純碳化硅試劑，分別以加入碳化硅量和碳測量讀數為變量，求出線性方程和回歸系數，實驗結果如表3所示。

表3 線性方程和回歸系數實驗結果Table 3 The linear equation and its regression coefficient

從表3可以看出，回歸系數為0.9983，證明碳的測定范圍在13%～20%內呈良好的線性關系，通過標準物質對曲線的校正完全可以準確測定碳的含量。

3.4 準確度實驗

3.4.1 回收率實驗

稱取0.1000g樣品打底，加入不同量的純SiC，然后進行實驗，其結果如表4。

表4 回收率實驗結果Table 4 Recovery test results

從表4可以看出，回收率為98%～104%，符合一般分析的要求。

3.4.2 碳化硅測定結果對照實驗

稱取0.1000g樣品于坩堝，放入馬弗爐內，開啟爐門通氧，在950℃下燒1h后，分別以紅外吸收法和吸收重量法測殘碳，然后再計算出SiC的含量，其結果對照如表5所示。

表5 碳化硅測定結果對照Table 5 Determination results of the silicon carbide ／%

從表5分析結果可以得知，兩種方法的結果相吻合，不超出國標的允許誤差。

3.5 精密度實驗

對實際樣品中的碳化硅進行8次測定，其結果如表6。

表6 樣品中精密度測定結果Table 6 Results of the precision tests／%

從表6可以看出，紅外吸收法所測定脫氧劑中的碳化硅量其RSD為0.5%～0.7%；精密度良好，符合分析的要求。

4 結語

在實驗的基礎上，綜合了國家標準方法，建立了用紅外吸收法測定碳化硅類煉鋼脫氧劑中殘碳量然后換算成SiC的分析方法，不僅避免了鐵、鋁等雜質的干擾，同時又消除了高碳及石墨雜質的影響，使測定結果更加準確可靠。另其回收率為98%以上，相對標準偏差為0.5%～0.7%，能夠滿足生產分析的要求，實際應用效果良好，分析速度快、簡便、實用性強，在碳化硅類樣品中的測定具有很高的推廣使用價值。

［1］中國國家標準化管理委員會.GB／T 3045—2003普通磨料碳化硅化學分析方法［S］.北京：中國標準出版社，2003.

［2］中國國家標準化管理委員會.GB／T 16555—2008含碳、碳化硅、氮化物耐火材料化學分析方法［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［3］鄭迅燕，常相征，張亞麗.高頻紅外碳硫儀測定碳化硅中的SiC［S］.化學工程師，2006，128（5）：36－37.

［4］程堅平，徐汾蘭.管式爐加熱紅外吸收法測定脫氧劑中碳化硅及游離碳［S］.冶金分析，2007，27（8）：39－42.

［5］楊春晟，楊崢，劉爽，等.鋁基復合材料中不同形態碳分析方法的研究［J］.中國無機分析化學，2011，1（1）：73－77.

［6］中國國家標準化管理委員會.GB／T3521—2008石墨化學分析方法 ［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［7］中國國家標準化管理委員會.GB／T 2001—1991焦炭工業分析測定方法 ［S］.北京：中國標準出版社，1991.