特殊材料中碳、硫分析技術(shù)簡(jiǎn)述

    根據(jù)材料學(xué)的分類(lèi)，材料分為金屬材料及非金屬材料兩大類(lèi)，金屬材料分為黑色金屬（鋼鐵及其合金）和有色金屬（銅、鋁等及其合金）。非金屬材料俗稱(chēng)原材料，品種繁多，工業(yè)上常用的為煤、焦、礦石、工業(yè)爐料等。

   碳、硫分析國(guó)內(nèi)外采用的均為“燃燒分析法”，各類(lèi)碳硫分析儀（含本公司生產(chǎn)的“高頻紅外碳硫分析儀”）是基于這一原理設(shè)計(jì)制造的。

   碳硫測(cè)定儀由兩部分組成：燃燒系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)。燃燒系統(tǒng)由燃燒爐構(gòu)成，檢測(cè)系統(tǒng)由紅外儀構(gòu)成。燃燒爐采用國(guó)內(nèi)外通用的“高頻感應(yīng)爐”（簡(jiǎn)稱(chēng)高頻爐），通過(guò)高頻感應(yīng)加熱的方式，將樣品熔化，然后在富氧環(huán)境中產(chǎn)生氧化反應(yīng)（俗稱(chēng)燃燒）以鋼鐵為例，其反應(yīng)方程式如下：

                        3Fe+2O2=Fe3O4

                         C+O2=CO2

                         S+O2=SO2

   通過(guò)上述氧化（燃燒）反應(yīng)，材料中的碳、硫轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的CO2和SO2，從而與基體（Fe）相分離，然后以O(shè)2氣為載體，導(dǎo)入紅外儀進(jìn)行檢測(cè)。

高頻爐的加熱方式是感應(yīng)加熱，首要條件是樣品在高頻磁場(chǎng)中能被感應(yīng)，產(chǎn)生渦電流（渦流），從而產(chǎn)生焦耳熱（Q=0.24I2Rt）,使樣品升溫熔化。

鋼鐵及其合金具有較高的電阻率，很容易被感應(yīng)加熱，銅、鋁等有色金屬，屬于良導(dǎo)體，電阻率較低，感應(yīng)效果比較差，這就需要添加不同的助熔劑，增大感應(yīng)效果。

 非金屬原材料除煤、焦外，多數(shù)為氧化物（例如磁鐵礦Fe3O4），基本不具備鐵磁效應(yīng)，即不具備被感應(yīng)加熱的條件，這就要需要依靠添加一定量的助熔劑。

氧化（燃燒）反應(yīng)的基本要素有三：一是溫度、二是反應(yīng)物自身能夠氧化、三是有O2參與反應(yīng)，缺一不可。非金屬原材料多數(shù)為氧化物，已不具備氧化反應(yīng)的基本條件，所以需要通過(guò)助熔劑來(lái)“幫助”燃燒。

   碳硫測(cè)定儀對(duì)于不同材料的分析，需要根據(jù)各自材料的特性，在稱(chēng)樣量，助熔劑選擇、添加量，感應(yīng)加熱時(shí)間，分析時(shí)間及檢測(cè)池的選配等多項(xiàng)測(cè)試條件上，通過(guò)條件試驗(yàn)加以確定，這是特種材料碳、硫分析技術(shù)的核心，只有選擇*的分析條件，才能得到*的測(cè)試結(jié)果。

影響碳硫儀測(cè)量結(jié)果的因素很多，具體列舉如下：

一、載氣（氧氣）： 

載氣的純度及其流量的大小對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度有很大的影響。載氣不純必然影響分析結(jié)果。

紅外儀是以氧氣為載氣，樣品燃燒時(shí)，樣品中的碳硫生成CO2、SO2以氧氣作為載體，將CO2、SO2氣體輸送到紅外檢測(cè)器。在進(jìn)入爐膛前必須將載氣經(jīng)過(guò)凈化，并且要穩(wěn)定控制它的壓力和流量。這對(duì)提高紅外C-S分析儀測(cè)定CS的準(zhǔn)確度是十分重要的。氧氣中通常含有水分和CO2等雜質(zhì)，對(duì)樣品燃燒和CS的檢測(cè)都將產(chǎn)生影響，需要加以清除。特別是對(duì)于紅外檢測(cè)來(lái)說(shuō)，水份對(duì)S的檢測(cè)影響更大，除了通常吸附的影響外，還由于水蒸氣對(duì)紅外線(xiàn)的吸收峰與SO2的吸收峰十分靠近，而嚴(yán)重干擾S的測(cè)定所以氧氣的干燥對(duì)紅外檢測(cè)比其它檢測(cè)方法有更高的要求，部分礦石中含有大量的結(jié)晶水，結(jié)晶水在樣品燃燒時(shí)釋放出來(lái)，肯定會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，因此在燃燒后的氣體送入檢測(cè)器檢測(cè)前還需對(duì)氣體進(jìn)行干燥。

二、 碳硫測(cè)定儀的控制

    為了保持紅外C-S儀測(cè)定CS的準(zhǔn)確度，對(duì)載氣的流量要求必須恒定，通常使用恒流器來(lái)控制氧氣的流量。氣缸升降壓力要求控制在0.5Mpa左右,燃?xì)鈮毫σ罂刂圃?.065Mpa左右。對(duì)于載氣流量，一般說(shuō)流量太高的情況較為少見(jiàn)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的工作后，出現(xiàn)流量降低的現(xiàn)象較為常見(jiàn)，流量降低后，結(jié)果往往偏高；使校正系數(shù)變化，氣路中出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，是造成流量降低的主要原因之一。經(jīng)常檢查堵塞部位有金屬過(guò)濾器、流量調(diào)節(jié)器、凈化管等。要定期清洗金屬過(guò)濾器，堵塞的明顯特征是，供氧不足，面板上的流量計(jì)看不出變化，但試樣燃燒不好，對(duì)C、S測(cè)定有影響，結(jié)果波動(dòng)大，當(dāng)然如果氣路中有漏氣，也會(huì)造成流量下降，C、S結(jié)果不穩(wěn)。

三、凈化劑

氧氣中水分的清除，我們可采用變色干燥劑和無(wú)水高氯酸鎂吸收，采用堿石棉吸收CO2，對(duì)于超低CS的分析，可采用超純氧氣凈化裝置。變色干燥劑、無(wú)水高氯酸鎂、堿石棉使用一定時(shí)間后，它的凈化效果會(huì)降低，H2O和CO2將無(wú)法除盡，另外干燥劑和堿石棉吸水后會(huì)結(jié)塊、堵塞氣路，造成燃燒供氧不足，造成C、S結(jié)果不穩(wěn)。氧氣中的CO2將直接影響C的結(jié)果，水蒸汽會(huì)影響S的結(jié)果。只有定期更換干燥劑，才能確保CS結(jié)果的準(zhǔn)確性。

四、對(duì)助熔劑的選擇

在CS分析中助熔劑是*的，加入一定量的助熔劑，一方面可降低樣品的熔點(diǎn)，使樣品易于燃燒；另一方面助熔劑在燃燒過(guò)程中，有氧化放熱作用，有助于樣品燃燒溫度的提高。高頻爐加熱樣品時(shí)加入助熔劑可提高高頻爐的輸出功率，提高樣品的燃燒溫度。

鎢粒是高頻爐常用的助熔劑，鎢粒添加劑的特點(diǎn)如下：

（1）鎢是zui難熔化的金屬，它的熔點(diǎn)為3380℃，電弧溫度才能將鎢熔化。由此，電燈泡中常用鎢絲。它能用作添加劑，是因?yàn)殒u容易氧化。

（2）鎢的氧化，鎢粒在溫度高于650℃時(shí)通氧就開(kāi)始氧化并發(fā)出大量的熱。

W+3/2 O2=WO3,△H=-840.11   Kj/mol

此反應(yīng)在高溫狀態(tài)具有發(fā)熱值高、反應(yīng)速度快，生產(chǎn)疏松狀態(tài)的WQ3。

（3）三氧化鎢，屬酸性氧化物。它的生成有利于CO2和SO2的釋放，其熔點(diǎn)1473℃，且熔化熱低，沸點(diǎn)大于1750℃。WO3有一個(gè)重要特性，是溫度在900℃以上有顯著的升華，有部分WO3揮發(fā)。由于WO3的逸出，增加了碳硫的擴(kuò)散速度，使試樣中碳、硫充分氧化，揮發(fā)的WO3在700～800℃又轉(zhuǎn)化為固相，覆蓋在管道中尚存的Fe2O3，阻止了SO2催化轉(zhuǎn)為SO3，防止了管道對(duì)硫的吸附。從而保證了碳、硫分析結(jié)果的可靠性，另外鎢空白值低，可用于低碳、低硫的測(cè)定。因此，鎢粒添加劑在高頻爐燃燒中得到廣泛應(yīng)用

    工業(yè)純鐵也是很好的助熔劑，它在生鐵、礦石等分析中有廣泛的應(yīng)用。

三氧化鉬對(duì)消除S的吸附比三氧化鎢有更好的效果，因?yàn)?/span>三氧化鉬極易升華，升華后在爐頭遇冷又會(huì)結(jié)晶，結(jié)晶時(shí)會(huì)包裹大量的風(fēng)塵，有效的降低了風(fēng)塵對(duì)硫的吸附。對(duì)于高鉻鋼，高錳鋼的分析，加入適量的三氧化鉬（0.05-0.1g）,能獲得理想的S分析結(jié)果。

錫粒也可用于高頻爐中，但加入量不宜過(guò)多，需與MoO3同時(shí)加入，如果加入量過(guò)多，產(chǎn)生的粉塵也多，對(duì)SO2的吸附會(huì)增大，這對(duì)S的分析是不利的。

五、CS坩堝的影響

坩堝為陶瓷材料，容易吸水，本身具有CS空白，在加工制造、運(yùn)輸、存放等過(guò)程中，容易被污染、同時(shí)還會(huì)吸附空氣和環(huán)境中的CO2、H2O以及一些含CS的雜質(zhì)等，這些問(wèn)題將必然會(huì)影響CS的分析，這都要求我們?cè)谑褂肅S坩堝前必須在電阻爐中于1200℃灼燒2-3小時(shí)，爐中自然冷卻至100℃左右后取出存放干燥器中待用，以除去水份和坩堝中C、S空白。

如果坩堝C、S空白較低且較穩(wěn)定時(shí)，對(duì)于常量C、S的分析，可以不進(jìn)行灼燒處理，但必須在烘箱中于120℃烘2-3小時(shí)以除去水份，取出存放干燥器中冷卻后待用。

六、試樣的處理

試樣的熔解和處理都是很關(guān)鍵的，它將直接影響碳硫分析的準(zhǔn)確度。送到化驗(yàn)室的試樣不一定形狀合適，且有可能附帶污染物，金屬經(jīng)高溫熔煉，組成較均勻，但對(duì)廢鋼、生鐵、鐵水來(lái)說(shuō)，由于形狀各異，表面和內(nèi)部所含的雜質(zhì)也有所不同，使組成不很均勻，為了克服不均勻性，在鉆取試樣時(shí)，先用砂輪將表面磨去，然后采用多鉆到一定的深度的方法，將所取鉆屑放于沖擊缽中搗碎均勻 作為分析試樣。如樣品燃燒*，坩堝內(nèi)熔渣應(yīng)呈彎月面，分布均勻。樣品燃燒不*，渣面是凹凸不平，應(yīng)查找原因重新分析。

七、軟件設(shè)置 

我公司的碳硫分析軟件是全國(guó)*家基于Windows下的中文軟件，其功能齊全，操作方便，具有很多*的功能，比如示波器功能，系統(tǒng)自檢功能，遠(yuǎn)程控制功能等，對(duì)于不同的材料，軟件可以設(shè)置不同的通道，設(shè)置不同的參數(shù)，比如含量高的樣品清洗時(shí)間要設(shè)置得比較長(zhǎng)，氣體流量較大；不易燃燒的樣品燃燒時(shí)間設(shè)置比較長(zhǎng)，粉塵大大的樣品清掃頻率則要較高，反之亦然。

本公司具有多名分析化學(xué)專(zhuān)業(yè)且具有三十年以上資歷的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才，在特種材料的分析應(yīng)用上，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，曾先后解決了國(guó)外儀器不能檢測(cè)的多種材料的分析（詳見(jiàn)下表），獲得客戶(hù)的贊譽(yù)，這也是本公司*的技術(shù)優(yōu)勢(shì)之一。

表一：HCS878A創(chuàng)造的國(guó)內(nèi)疑難樣品分析記錄

                           四川旌科儀器制造有限公司技術(shù)部