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(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)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(yōu)質(zhì)鋼鐵產(chǎn)品的前提[5-7]。因此,如何精確測定鋼中碳含量對于企業(yè)生產(chǎn)合格的鋼鐵產(chǎn)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(fā)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(yōu)化紅外吸收法檢測鋼中碳含量檢測值的穩(wěn)定性。本文采用GBW 01205 (碳標(biāo)準(zhǔn)值0.455%)和純鎢作為助溶劑,采用統(tǒng)計分析的方法研究標(biāo)樣含量和助溶劑用量對鋼樣中碳含量檢測值穩(wěn)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(nèi)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(shè)備進行工作前,調(diào)節(jié)分析氣和動力氣的壓力在0.2～0.4 MPa(氣壓過大過小會導(dǎo)致高頻爐的燃燒管受到壓力影響,更嚴(yán)重的情況下會導(dǎo)致燃燒管爆裂)。紅外碳硫儀根據(jù)通過氣體凈化硫經(jīng)過富氧條件下的高溫加熱,在氧氣氛圍內(nèi)燃燒,將樣品中的碳氧化為CO2氣體,經(jīng)過載氣進入氣路系統(tǒng),處理后進入相應(yīng)的吸收池,對相應(yīng)的紅外輻射進行吸收,由探測器轉(zhuǎn)發(fā)為信號,經(jīng)計算機處理得出最終結(jié)果。

用天平稱取國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 01205(碳標(biāo)準(zhǔn)值0.455%)和純金屬鎢助溶劑以及鋼廠現(xiàn)場取的鋼樣。助溶劑用量為1.5 g,坩堝內(nèi)稱取0.200 0 g標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)差和相對標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)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(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 01205(碳標(biāo)準(zhǔn)值0.455%)和純鎢助溶劑的分析結(jié)果。

由圖1可知,每個添加相同的助溶劑用量的標(biāo)樣,測量的5次碳含量數(shù)據(jù)的波動性較大,僅當(dāng)助溶劑用量1.0 g,標(biāo)準(zhǔn)樣為0.200 0 g時,不同次數(shù)檢測的數(shù)據(jù)的波動性較小。在標(biāo)準(zhǔn)樣用量為0.150 0 g 時,碳含量的標(biāo)準(zhǔn)差和相對標(biāo)準(zhǔn)差出現(xiàn)最大值。標(biāo)準(zhǔn)樣用量為0.200 0 g時,標(biāo)準(zhǔn)樣的碳含量的標(biāo)準(zhǔn)差和相對標(biāo)準(zhǔn)差出現(xiàn)最小值。由此可知,根據(jù)碳含量的相對標(biāo)準(zhǔn)差和相對標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)字,可以確定當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)樣碳含量的真實值,標(biāo)準(zhǔn)樣用量為0.150 0 g時,標(biāo)準(zhǔn)樣碳含量的檢測值與標(biāo)樣實際的碳含量偏差最大。這說明當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)樣用量為0.200 0 g時,標(biāo)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(dāng)標(biāo)準(zhǔn)樣在0.050 0～0.250 0 g之間時,隨著標(biāo)準(zhǔn)樣質(zhì)量增加,采用高頻紅外碳硫分析儀檢測的碳含量呈現(xiàn)逐漸增加趨勢。這是因為助溶劑用量一定的情況下,隨著標(biāo)準(zhǔn)樣用量的增加,標(biāo)準(zhǔn)樣與助溶劑的接觸面積增大,使標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)逐漸增加趨勢。因此當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)樣用量低于0.200 0 g時,隨著標(biāo)準(zhǔn)樣用量增加,紅外碳硫分析儀對標(biāo)準(zhǔn)樣中碳含量的檢測值逐漸增加,且向標(biāo)準(zhǔn)差最小的值接近。當(dāng)碳用量高于0.200 0 g時標(biāo)準(zhǔn)樣中的碳含量檢測值有逐漸偏離碳含量標(biāo)準(zhǔn)差最小的值,且同一配比的樣品不同次數(shù)檢測的碳含量的波動性開始變大。這主要是由于標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)樣含量不同的碳含量分析結(jié)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(xiàn)性最好。

2.3 助溶劑用量對檢測精度的影響

圖2是標(biāo)準(zhǔn)樣為0.200 0 g,助溶劑用量對標(biāo)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(biāo)樣中碳含量較低,與碳標(biāo)準(zhǔn)值0.455%的偏差最大。助溶劑用量為1.0 g時,標(biāo)樣中碳含量迅速增大,且數(shù)值接近碳標(biāo)準(zhǔn)值0.455%。助溶劑用量為1.5 g時,標(biāo)樣中碳含量數(shù)值略有增加,與碳標(biāo)準(zhǔn)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(fù)性檢測,不同次數(shù)的碳含量的偏差極小。當(dāng)助溶劑用量達到2.0 g和2.5 g時,雖然標(biāo)樣中碳含量增加的幅度較小,但統(tǒng)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(dāng)標(biāo)樣用量一定時,隨助溶劑用量的增加,標(biāo)樣中碳含量呈現(xiàn)先迅速增大,后增大的數(shù)值趨于平緩。此外,為了分析當(dāng)紅外碳硫分析儀標(biāo)準(zhǔn)樣用量為0.200 0 g時,最佳的助溶劑用量,標(biāo)準(zhǔn)樣中檢測的碳含量的相對標(biāo)準(zhǔn)差隨助溶劑用量的變化規(guī)律。標(biāo)準(zhǔn)樣的相對標(biāo)準(zhǔn)差與助溶劑用量呈現(xiàn)先降低后增大再減小的趨勢。助溶劑用量最少時對應(yīng)的標(biāo)樣碳含量的相對標(biāo)準(zhǔn)差最大。當(dāng)助溶劑用量為1.5 g時,標(biāo)準(zhǔn)樣碳含量的標(biāo)準(zhǔn)差和相對標(biāo)準(zhǔn)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(guī)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(biāo)樣的碳含量最接近碳標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)樣用量為0.200 0 g時,隨助溶劑用量增加,標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)樣燃燒不充分,待分析結(jié)束后,標(biāo)準(zhǔn)樣中還殘留有未燃燒完全的樣品,因此隨著助溶劑增加,標(biāo)準(zhǔn)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(shù)值逐漸減小,且相同配比標(biāo)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(chǎn)生影響,使同次數(shù)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(wěn)定性最好。

2.5 鋼樣中碳含量重現(xiàn)性分析

基于以上分析可知,當(dāng)檢測樣品的用量為0.200 0 g、助溶劑用量為1.5 g時,標(biāo)準(zhǔn)樣中碳含量檢測值最接近標(biāo)樣的碳含量檢測值。因此確定以鋼廠現(xiàn)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(jié)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)樣進行對比可知,中碳鋼的碳均值為0.457%,標(biāo)準(zhǔn)樣碳含量平均值為0.456%,且C1中碳鋼與C2標(biāo)準(zhǔn)樣中碳含量的標(biāo)準(zhǔn)差和相對標(biāo)準(zhǔn)差的值相等。

3 結(jié)論

(1)隨標(biāo)準(zhǔn)樣含量增加,檢測的碳含量逐漸增加,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)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(wěn)定,但當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(wěn)定,檢測結(jié)果的波動性最小,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD,n=5)<1%。