高頻感應爐燃燒紅外吸收法測定優質碳素結構鋼碳含量的不確定度評定

胡宇鵬， 周思琪， 劉 凱

（中機生產力促進中心 北京100044）

0 引言

紅外吸收法是測量鋼鐵材料中碳元素的主要方法之一，碳是鋼鐵材料中的重要組成元素，影響鋼的強度和硬度。 準確測量碳元素的含量，并給出一個高包含概率，低分散性的參數，才滿足越來越嚴格的質量要求。本篇參考JJF 1059-2012 測量不確定度評定及表示，根據分析實際確定幾個主要不確定度分量， 對相關試驗分析有一定的參考意義。

1 試驗方法和數學模型

將稱量好的屑狀樣品置于石墨坩堝中， 送入高溫爐中，在氧氣流中將碳轉化成一氧化碳和二氧化碳，利用氧氣流中一氧化碳和二氧化碳的紅外吸收譜進行測量。

氣體分析碳元素的數學模型通式（分析結果計算式）可表示為：

式中：A、m—樣品的吸光度或峰高或峰面積 （儀器以測量值表示，下同）和稱樣量；CB、mB、AB—標準物質的碳含量、稱樣量和吸光度。

2 試驗儀器的參數

試驗儀器為鋼研納克CS3000 型紅外碳硫分析儀（UC=0.012%），氮氣壓力為3MPa，氧氣壓力為2MPa，分析流量保持在3L/min，分析過程中，采樣時間取30s，沖洗時間取12s， 加熱時間取20s。 稱量樣品使用賽多利斯BS124S 型分析天平，檢定允許差±0.1mg。

3 試驗方法

用高頻燃燒紅外吸收法[2]測定45#鋼中碳含量，以機字79-09B 45#鋼標準物質校準紅外碳硫分析儀 （校準測量進行一次）， 樣品測量結果分別為0.468%、0.459%、0.461%、0.457%、0.466%，標準物質和樣品稱量0.3g。

4 不確定度來源的識別

紅外吸收氣體分析測量不確定度主要來源于以下分量：①測量結果的重復性；②天平稱量的不確定度；③標準物質標準值的不確定度；④儀器分辨力的不確定度分量；⑤標準物質校準儀器的變動性。

5 不確定度分量的評定

5.1 測量重復性不確定度分量的評定（A 類評定）[3]

表1 樣品重復測量結果

5.2 天平稱量的不確定度

5.3 標準物質標準值的不確定度

5.4 儀器顯示分辨力的不確定度

測量時儀器顯示最小單位為0.0001 （分辨力δx）[1]，其標準不確定度u（x）=0.0001×0.29=0.000029，儀器讀書的相對標準不確定度urel（δx）=0.000029/0.4622=0.00006274。

5.5 標準物質校準儀器的變動性

碳素結構鋼C 工作曲線測量數據如表2 所示。

表2 碳素結構鋼C 工作曲線測量數據

根據測量數據，C 元素的工作曲線的回歸方程式擬合為y=23.101c+0.3028，a=0.3028，b=23.101， 曲線相關系數為R2=0.9995，見圖1。 圖中：Y—儀器的測量信號（峰面積）；a—工作曲線截距；b—工作曲線斜率；c—測量樣品中氣體元素的含量。

圖1 C 工作曲線

則由工作曲線變動性引起樣品氣體元素的含量的標準不確定度分量u（c）為：

由以上數據計算得sR=0.038757257，u（c）=0.000919383，urel=（c）0.0019891456

6 合成相對標準不確定度

6.1 各不確定度分量不相關[5]

6.2 合成標準不確定度的評定

7 擴展不確定度評定及測量結果表示

取95%置信水平，包含因子k=2，計算擴展不確定度U=2×uc（ωc）=0.00635%，取一位有效數字，U=0.006%。則樣品碳含量的完整結果可表示為ωc=（0.462±0.006）%，k=2。

8 結束語

本篇從五個主要方面評定優質碳素結構鋼中碳含量的不確定度， 發現最大影響分量是標準物質標準值的不確定度。標準物質定值的不確定度通過測量傳遞給樣品測量結果。 根據評定結果，樣品的不確定度和標準物質定值的不確定度在同一水平，因此可以說明滿足日常檢測分析的需求。各個分量影響的大小可以指導我們提高分析結果準確性。 通過多次測量減小A 類評定不確定度，選擇含量組成與樣品大致相同的標樣校準儀器穩定性， 用于繪制工作曲線的標樣分析結果要盡量平行， 且必須符合標準要求的允許差，才能得到線性化良好的工作曲線。