特殊材料中碳、硫分析技術簡述

    根據材料學的分類，材料分為金屬材料及非金屬材料兩大類，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）。非金屬材料俗稱原材料，品種繁多，工業上常用的為煤、焦、礦石、工業爐料等。

   碳、硫分析國內外采用的均為“燃燒分析法”，各類碳硫分析儀（含本公司生產的“高頻紅外碳硫分析儀”）是基于這一原理設計制造的。

   碳硫測定儀由兩部分組成：燃燒系統和檢測系統。燃燒系統由燃燒爐構成，檢測系統由紅外儀構成。燃燒爐采用國內外通用的“高頻感應爐”（簡稱高頻爐），通過高頻感應加熱的方式，將樣品熔化，然后在富氧環境中產生氧化反應（俗稱燃燒）以鋼鐵為例，其反應方程式如下：

                        3Fe+2O2=Fe3O4

                         C+O2=CO2

                         S+O2=SO2

   通過上述氧化（燃燒）反應，材料中的碳、硫轉化為氣態的CO2和SO2，從而與基體（Fe）相分離，然后以O2氣為載體，導入紅外儀進行檢測。

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

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

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

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

   碳硫測定儀對于不同材料的分析，需要根據各自材料的特性，在稱樣量，助熔劑選擇、添加量，感應加熱時間，分析時間及檢測池的選配等多項測試條件上，通過條件試驗加以確定，這是特種材料碳、硫分析技術的核心，只有選擇*的分析條件，才能得到*的測試結果。

影響碳硫儀測量結果的因素很多，具體列舉如下：

一、載氣（氧氣）： 

載氣的純度及其流量的大小對測量結果的準確度有很大的影響。載氣不純必然影響分析結果。

紅外儀是以氧氣為載氣，樣品燃燒時，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器。在進入爐膛前必須將載氣經過凈化，并且要穩定控制它的壓力和流量。這對提高紅外C-S分析儀測定CS的準確度是十分重要的。氧氣中通常含有水分和CO2等雜質，對樣品燃燒和CS的檢測都將產生影響，需要加以清除。特別是對于紅外檢測來說，水份對S的檢測影響更大，除了通常吸附的影響外，還由于水蒸氣對紅外線的吸收峰與SO2的吸收峰十分靠近，而嚴重干擾S的測定所以氧氣的干燥對紅外檢測比其它檢測方法有更高的要求，部分礦石中含有大量的結晶水，結晶水在樣品燃燒時釋放出來，肯定會影響測量結果，因此在燃燒后的氣體送入檢測器檢測前還需對氣體進行干燥。

二、 碳硫測定儀的控制

    為了保持紅外C-S儀測定CS的準確度，對載氣的流量要求必須恒定，通常使用恒流器來控制氧氣的流量。氣缸升降壓力要求控制在0.5Mpa左右,燃氣壓力要求控制在0.065Mpa左右。對于載氣流量，一般說流量太高的情況較為少見，經過長時間的工作后，出現流量降低的現象較為常見，流量降低后，結果往往偏高；使校正系數變化，氣路中出現堵塞現象，是造成流量降低的主要原因之一。經常檢查堵塞部位有金屬過濾器、流量調節器、凈化管等。要定期清洗金屬過濾器，堵塞的明顯特征是，供氧不足，面板上的流量計看不出變化，但試樣燃燒不好，對C、S測定有影響，結果波動大，當然如果氣路中有漏氣，也會造成流量下降，C、S結果不穩。

三、凈化劑

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

四、對助熔劑的選擇

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，使樣品易于燃燒；另一方面助熔劑在燃燒過程中，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，鎢粒添加劑的特點如下：

（1）鎢是zui難熔化的金屬，它的熔點為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，是因為鎢容易氧化。

（2）鎢的氧化，鎢粒在溫度高于650℃時通氧就開始氧化并發出大量的熱。

W+3/2 O2=WO3,△H=-840.11   Kj/mol

此反應在高溫狀態具有發熱值高、反應速度快，生產疏松狀態的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1473℃，且熔化熱低，沸點大于1750℃。WO3有一個重要特性，是溫度在900℃以上有顯著的升華，有部分WO3揮發。由于WO3的逸出，增加了碳硫的擴散速度，使試樣中碳、硫充分氧化，揮發的WO3在700～800℃又轉化為固相，覆蓋在管道中尚存的Fe2O3，阻止了SO2催化轉為SO3，防止了管道對硫的吸附。從而保證了碳、硫分析結果的可靠性，另外鎢空白值低，可用于低碳、低硫的測定。因此，鎢粒添加劑在高頻爐燃燒中得到廣泛應用

    工業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用。

三氧化鉬對消除S的吸附比三氧化鎢有更好的效果，因為三氧化鉬極易升華，升華后在爐頭遇冷又會結晶，結晶時會包裹大量的風塵，有效的降低了風塵對硫的吸附。對于高鉻鋼，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分析結果。

錫粒也可用于高頻爐中，但加入量不宜過多，需與MoO3同時加入，如果加入量過多，產生的粉塵也多，對SO2的吸附會增大，這對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、運輸、存放等過程中，容易被污染、同時還會吸附空氣和環境中的CO2、H2O以及一些含CS的雜質等，這些問題將必然會影響CS的分析，這都要求我們在使用CS坩堝前必須在電阻爐中于1200℃灼燒2-3小時，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空白較低且較穩定時，對于常量C、S的分析，可以不進行灼燒處理，但必須在烘箱中于120℃烘2-3小時以除去水份，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鍵的，它將直接影響碳硫分析的準確度。送到化驗室的試樣不一定形狀合適，且有可能附帶污染物，金屬經高溫熔煉，組成較均勻，但對廢鋼、生鐵、鐵水來說，由于形狀各異，表面和內部所含的雜質也有所不同，使組成不很均勻，為了克服不均勻性，在鉆取試樣時，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*，坩堝內熔渣應呈彎月面，分布均勻。樣品燃燒不*，渣面是凹凸不平，應查找原因重新分析。

七、軟件設置 

我公司的碳硫分析軟件是全國*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，系統自檢功能，遠程控制功能等，對于不同的材料，軟件可以設置不同的通道，設置不同的參數，比如含量高的樣品清洗時間要設置得比較長，氣體流量較大；不易燃燒的樣品燃燒時間設置比較長，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專業且具有三十年以上資歷的專業技術人才，在特種材料的分析應用上，積累了豐富的經驗，曾先后解決了國外儀器不能檢測的多種材料的分析（詳見下表），獲得客戶的贊譽，這也是本公司*的技術優勢之一。

表一：HCS878A創造的國內疑難樣品分析記錄

                           四川旌科儀器制造有限公司技術部