高頻紅外吸收法測(cè)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(duì)鋼的塑性和韌性以及強(qiáng)度具有重要影響[3-4],精確測(cè)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(cè)定鋼中碳含量對(duì)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(cè)鋼中碳含量的檢測(cè)值隨鋼樣和助溶劑用量的變化會(huì)發(fā)生很大的波動(dòng)[11-13],使鋼樣中碳含量檢測(cè)值偏差較大[14-15]。因此,為了提高鋼中碳含量的檢測(cè)精度,優(yōu)化紅外吸收法檢測(cè)鋼中碳含量檢測(cè)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(jì)分析的方法研究標(biāo)樣含量和助溶劑用量對(duì)鋼樣中碳含量檢測(cè)值穩(wěn)定性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法

以高純氧和空氣壓縮機(jī)提供動(dòng)力氣,高純氧為分析氣。在設(shè)備進(jìn)行工作前,調(diào)節(jié)分析氣和動(dòng)力氣的壓力在0.2～0.4 MPa(氣壓過大過小會(huì)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(huì)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(jìn)入氣路系統(tǒng),處理后進(jìn)入相應(yīng)的吸收池,對(duì)相應(yīng)的紅外輻射進(jìn)行吸收,由探測(cè)器轉(zhuǎn)發(fā)為信號(hào),經(jīng)計(jì)算機(jī)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(chǎng)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(tái)坩堝座上,按照說明書操作。每個(gè)樣共檢測(cè)5次,取平均值,并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣量對(duì)鋼樣中碳檢測(cè)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(gè)添加相同的助溶劑用量的標(biāo)樣,測(cè)量的5次碳含量數(shù)據(jù)的波動(dòng)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(shí),不同次數(shù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)的波動(dòng)性較小。在標(biāo)準(zhǔn)樣用量為0.150 0 g 時(shí),碳含量的標(biāo)準(zhǔn)差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差出現(xiàn)最大值。標(biāo)準(zhǔn)樣用量為0.200 0 g時(shí),標(biāo)準(zhǔn)樣的碳含量的標(biāo)準(zhǔn)差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差出現(xiàn)最小值。由此可知,根據(jù)碳含量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差和相對(duì)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(shí),高頻紅外碳硫分析儀檢測(cè)的碳含量最接近標(biāo)準(zhǔn)樣碳含量的真實(shí)值,標(biāo)準(zhǔn)樣用量為0.150 0 g時(shí),標(biāo)準(zhǔn)樣碳含量的檢測(cè)值與標(biāo)樣實(shí)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(shí),標(biāo)樣的檢測(cè)值最為精確。

2.2 試樣含量影響檢測(cè)精度的機(jī)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(shí),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(cè)的碳含量呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)。這是因?yàn)橹軇┯昧恳欢ǖ那闆r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(cè)到的碳含量呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)。因此當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)樣用量低于0.200 0 g時(shí),隨著標(biāo)準(zhǔn)樣用量增加,紅外碳硫分析儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣中碳含量的檢測(cè)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(shí)標(biāo)準(zhǔn)樣中的碳含量檢測(cè)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(cè)的碳含量的波動(dòng)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(cè)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(cè)鋼樣用量為0.200 0 g時(shí)碳含量的檢測(cè)值重現(xiàn)性最好。

2.3 助溶劑用量對(duì)檢測(cè)精度的影響

圖2是標(biāo)準(zhǔn)樣為0.200 0 g,助溶劑用量對(duì)標(biāo)樣中碳含量的影響。

圖2 助溶劑用量對(duì)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(shí),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(shí),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(shí),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(jìn)一步增加,且對(duì)同一配比樣品進(jìn)行5次重復(fù)性檢測(cè),不同次數(shù)的碳含量的偏差極小。當(dāng)助溶劑用量達(dá)到2.0 g和2.5 g時(shí),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(jìn)行多次檢測(cè)后,碳含量的偏差較大?；谝陨戏治隹芍?當(dāng)標(biāo)樣用量一定時(shí),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(shí),最佳的助溶劑用量,標(biāo)準(zhǔn)樣中檢測(cè)的碳含量的相對(duì)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(duì)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(shì)。助溶劑用量最少時(shí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)樣碳含量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差最大。當(dāng)助溶劑用量為1.5 g時(shí),標(biāo)準(zhǔn)樣碳含量的標(biāo)準(zhǔn)差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差最小。因此,基于對(duì)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(shí),采用紅外碳硫分析儀檢測(cè)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(cè)精度的機(jī)理

通過分析可知,標(biāo)準(zhǔn)樣用量為0.200 0 g時(shí),隨助溶劑用量增加,標(biāo)樣中碳含量的檢測(cè)值逐漸增加,這主要是由于助溶劑用量較低時(shí),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(cè)的碳含量逐漸增加。助溶劑用量增加至1.5 g時(shí),碳含量增加的數(shù)值逐漸減小,且相同配比標(biāo)樣檢測(cè)的碳含量的波動(dòng)性較小,助溶劑用量超出1.5 g時(shí),檢測(cè)的碳含量的波動(dòng)性變大,這是由于燃燒過程中助溶劑用量過多對(duì)CO2的擴(kuò)散產(chǎn)生影響,使同次數(shù)檢測(cè)出的碳含量波動(dòng)較大。因此,助溶劑用量為1.5 g時(shí),紅外碳硫分析儀對(duì)鋼樣中碳含量檢測(cè)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(cè)樣品的用量為0.200 0 g、助溶劑用量為1.5 g時(shí),標(biāo)準(zhǔn)樣中碳含量檢測(cè)值最接近標(biāo)樣的碳含量檢測(cè)值。因此確定以鋼廠現(xiàn)場(chǎng)取用的中碳鋼為檢測(cè)原料,并向坩堝中加入1.5 g助溶劑,進(jìn)行5次檢測(cè),結(jié)果見表1。

表1 實(shí)際鋼樣的檢測(cè)值Table 1 Test values of actual steel samples

由表1可知,對(duì)C2標(biāo)準(zhǔn)樣中碳含量的第1次檢測(cè)值為0.453%,第2次檢測(cè)值為0.457%,第3次檢測(cè)的碳含量為0.452%,檢測(cè)值均在0.453%～0.459%之間波動(dòng),波動(dòng)范圍為0.006%。將中碳鋼中碳含量的檢測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)樣進(jìn)行對(duì)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(duì)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(cè)的碳含量逐漸增加,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)樣含量為0.200 0 g時(shí),碳含量的檢測(cè)值波動(dòng)性較小。

(2)隨助溶劑用量增加,檢測(cè)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(shí),碳檢測(cè)值的波動(dòng)性逐漸增大。

(3)通過實(shí)際鋼樣與標(biāo)準(zhǔn)樣碳含量檢測(cè),確定了鋼樣用量為0.200 0 g,純鎢助溶劑用量為1.5 g時(shí),鋼中碳含量檢測(cè)值最穩(wěn)定,檢測(cè)結(jié)果的波動(dòng)性最小,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD,n=5)<1%。