趙鳳俊(烏海市包鋼萬(wàn)騰鋼鐵有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016099)

0 引言

高頻紅外碳硫分析儀是一款靈敏度與自動(dòng)化程度較高的快速碳硫分析儀，代替了過(guò)去原始的人工操作管式爐(升溫較慢、必須保持管內(nèi)的高溫，即使此時(shí)不分析樣品也消耗大量電能，造成成本浪費(fèi))，是較為先進(jìn)的快速分析碳、硫元素的儀器，在科研、化工領(lǐng)域、冶金、機(jī)械等不同行業(yè)廣泛應(yīng)用。目前主流碳硫儀品牌有：日本堀場(chǎng)、美國(guó)力可等，國(guó)產(chǎn)品牌上海德凱也較受歡迎。(如堀場(chǎng)碳硫儀的部分型號(hào)有EMIA220V-220V2-320V2-820V2-920V2)。其中，220V2自使用以來(lái)穩(wěn)定性較好、故障率較低、分析與應(yīng)用的范圍較寬廣、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，適合日常生產(chǎn)的需求[1]。

1 碳硫儀的工作原理

樣品中各種不同狀態(tài)的碳、硫化合物在高頻感應(yīng)電流的作用下產(chǎn)生渦流效應(yīng)形成高溫燃燒，高溫1 650 ℃下，碳與載氣所發(fā)生化學(xué)反應(yīng)只有微量的生成一氧化碳,絕大部分生成二氧化碳，與此同時(shí)樣品里的硫與載氣生成二氧化硫。在經(jīng)過(guò)試劑管中的石英棉與干燥劑無(wú)水高氯酸鎂吸附粉塵及水分后，這兩種氣體能吸收紅外光譜窄帶紅外能，根據(jù)不同氣體的紅外吸收特性，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的紅外光強(qiáng)度與各氣體的量成正比，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理計(jì)算后得到樣品中的碳與硫含量[2]。

2 硬件組成

高頻燃燒爐：將分析檢測(cè)樣品中的硫和碳元素通過(guò)燃燒吸氧生成CO2和SO2。氣路裝置：氣路裝置主要包括兩個(gè)部分：動(dòng)力氣、載氣。動(dòng)力氣用來(lái)控制爐門(mén)氣缸的上升和下降；載氣也就是分析氣體，首先是純氧，在樣品燃燒后生成二氧化碳、二氧化硫和氧氣的混合氣，混合氣在通過(guò)探測(cè)器后直接排入大氣中，每次分析生成的SO2含量微乎其微，因此不用考慮環(huán)境污染事項(xiàng)。測(cè)量裝置：該部分包括硫池、碳池、光源、窄帶濾光片、紅外輻射源和信號(hào)放大六個(gè)部分。主要功能是將CO2、CO以及SO2濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)?？刂婆_(tái)：該部分負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)爐門(mén)開(kāi)關(guān)的升降、載氣的輸入與斷開(kāi)、高壓的關(guān)閉與打開(kāi)、系統(tǒng)溫度的調(diào)節(jié)和壓力的控制、浮子流量計(jì)穩(wěn)定性的控制、采集由紅外探測(cè)系統(tǒng)輸出的電壓信號(hào)等，結(jié)構(gòu)錯(cuò)落有致。外接設(shè)備天平：能夠準(zhǔn)確稱量樣品的重量，并將重量通過(guò)數(shù)字信號(hào)傳輸給分析軟件作為儀器設(shè)備分析參數(shù)來(lái)使用。載氣：提供燃燒樣品所使用的氧氣，通常使用壓縮氧氣 。動(dòng)力氣：提供爐門(mén)及坩堝托升降需要的動(dòng)力氣，通常用氮?dú)庾鳛閯?dòng)力氣，也可以用氧氣、氬氣或者壓縮空氣。處理器單元：連接控制系統(tǒng)，根據(jù)分析樣品檢測(cè)到的電壓信號(hào)和樣品重量分析該樣品中碳元素和硫元素的含量。并對(duì)分析檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行管控，檢驗(yàn)處理系統(tǒng)是否運(yùn)行正常等。

3 影響碳硫分析結(jié)果的因素

3.1 坩堝對(duì)結(jié)果的影響

坩堝的空白一直以來(lái)是碳硫檢測(cè)人員關(guān)注的問(wèn)題之一。沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的坩堝，空白值從幾到幾十(0.000 1%)不等，如果前期處理符合要求，坩堝空白可降至0.0001%以下。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試實(shí)踐證明，溫度與處理時(shí)間對(duì)取得坩堝穩(wěn)定的低空白尤為突顯。例，在800±10 ℃的馬弗爐內(nèi)長(zhǎng)達(dá)4～5 h烘燒后的坩堝，用于分析鋼類樣，測(cè)得結(jié)果波動(dòng)較大。紅外探測(cè)是根據(jù)不同物質(zhì)對(duì)紅外線吸收波長(zhǎng)來(lái)檢測(cè)濃度含量的，對(duì)于CO2、SO2來(lái)說(shuō)，它們分別吸收波長(zhǎng)為4.26 nm 和7.35 nm的紅外能，水與二氧化硫生成亞硫酸，會(huì)改變二氧化硫的吸收波長(zhǎng)，硫的信號(hào)值檢測(cè)不到。因此水對(duì)于硫的影響非常大，特別是一些粉末狀樣品、煤焦、鐵礦石等在使用紅外測(cè)硫時(shí)需特別注意樣品及坩堝的烘干。

3.2 溫度對(duì)探測(cè)器的影響

探測(cè)性能隨溫度、大氣壓力的變化而變化，這是由它的物理特性所決定的，直接影響分析數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。燃燒不充分會(huì)直接造成分析元素含量降低，而前期通氧適量加大、后期相對(duì)控制氧氣的燃燒方式，最大限度地提高了轉(zhuǎn)換率，會(huì)相對(duì)提高結(jié)果穩(wěn)定性。

3.3 稱樣量結(jié)果的影響

樣品稱重不同，所含硫、碳的含量存在差異，導(dǎo)致分析結(jié)果顯現(xiàn)在儀器校正曲線上不同的區(qū)域(分通道、分段校正)，分析結(jié)果會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，尤其在儀器此通道線性的最高、最低及零界點(diǎn)時(shí)這種影響表現(xiàn)更為明顯。

紅外分析法的理論基礎(chǔ)是朗博-比爾定律，樣品中碳、硫的含量根據(jù)紅外吸收的程度的大小來(lái)測(cè)定。樣品稱重量的不同直接影響高頻燃燒的情況。感應(yīng)區(qū)內(nèi)物質(zhì)量的多少、高頻爐本身的功率直接影響碳硫儀的燃燒溫度、狀態(tài)。高頻燃燒的溫度并不是持續(xù)不變，隨著樣品的熔化燃燒，感應(yīng)量相應(yīng)逐漸減少。例如，分析某些難熔物質(zhì)時(shí)(硅碳合金)，所加入的鎢粒、錫粒助熔劑重量是恒量，產(chǎn)生的熱量不變，而在樣品重量過(guò)多的情況下樣品燃燒不完全，使得樣品中的碳、硫釋放不完全，導(dǎo)致結(jié)果偏差較大。

3.4 灰塵雜質(zhì)對(duì)結(jié)果的影響

灰塵雜質(zhì)的累積所造成的吸附也是影響分析結(jié)果穩(wěn)定性的重要因素，在低含量樣品檢測(cè)分析時(shí)體現(xiàn)的特別明顯。如，分析熔劑類時(shí)，稱0.15 g錫粒+0.3 g純鐵+0.10 g樣品+1.5 g鎢粒。錫粒的加入，使燃燒時(shí)產(chǎn)生的灰塵較大。通過(guò)20次樣品分析后，硫的分析結(jié)果相對(duì)第一次分析結(jié)果偏低0.000 2%以上，隨著分析頻次的增加，偏差也越來(lái)越大。待徹底清理掉爐頭及石英燃燒管、過(guò)濾器中的灰塵后，結(jié)果與第一次分析結(jié)果一致。在樣品檢測(cè)分析過(guò)程中，爐頭、過(guò)濾器中的灰塵微雜應(yīng)及時(shí)清理確保結(jié)果的精確性，在日常規(guī)定中手動(dòng)爐頭清理在樣品分析15～25次之間需進(jìn)行清灰處理)。

3.5 水對(duì)于硫的影響

放入瓷坩堝的樣品進(jìn)入感應(yīng)爐膛內(nèi)通電時(shí)形成渦流感應(yīng)，樣品潮濕未烘或未按規(guī)定的烘樣條件及時(shí)間執(zhí)行導(dǎo)致樣品含有水分的情況下，干燥管(通過(guò)石英棉吸附粉塵和高氯酸鎂吸附樣品中部分水份)裝有無(wú)水高氯酸鎂和一個(gè)小的過(guò)濾器，吸收樣品中的水份后干燥劑易結(jié)晶，導(dǎo)致分析檢測(cè)結(jié)果含量偏高。

3.6 助熔劑、樣品加入順序?qū)Y(jié)果的影響

各熔劑不僅可以增加樣品中的流動(dòng)性、提高燃燒溫度，還能增加樣品導(dǎo)磁性，起到稀釋樣品的作用。分析過(guò)程中，各助熔劑、分析樣品的先后稱重加入次序直接影響燃燒結(jié)果和分析穩(wěn)定性與重現(xiàn)性。例如礦石類樣品在不加助溶劑的情況下直接在氧氣下經(jīng)高頻感應(yīng)而燃燒，飛濺程度嚴(yán)重、反應(yīng)特別劇烈，容易迸濺致使石英管破裂和保護(hù)裝置污染。鎢粒進(jìn)行打底，樣品置于上層，此時(shí)燃燒室中的石英管也瞬間被污染。保護(hù)圈上覆蓋一層鐵屑，清理起來(lái)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不僅嚴(yán)重影響了石英燃燒管的使用壽命，還阻礙了氧氣供應(yīng)的流暢性，從而使結(jié)果的波動(dòng)較大，影響分析結(jié)果的穩(wěn)定性。應(yīng)將樣品平鋪于坩堝底層，鎢粒置于次層，錫粒位于上層，分析結(jié)束后燃燒室內(nèi)石英管非常干凈，保護(hù)圈上無(wú)金屬飛濺現(xiàn)象，曲線弧度釋放完整，分析結(jié)果穩(wěn)定。

4 日常維護(hù)注意事項(xiàng)

維護(hù)或維修前一定要先斷電源，嚴(yán)格按儀器設(shè)備安全操作規(guī)程進(jìn)行。(1)紅外碳硫儀分析使用前一定先提前預(yù)熱1.5～2 h，使儀器達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)。(2)在分析樣品前首先做空白，空白含量需在規(guī)定的允許范圍之內(nèi)(如空白偏高進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整)，使儀器各參數(shù)條件達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后，再帶相應(yīng)不同梯度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)開(kāi)始分析樣檢測(cè)品。(3)載氣、動(dòng)力氣壓力不能太高,若壓力太高碳硫儀氣路容易爆裂。一般載氣壓力在0.30～0.32 MPa、動(dòng)力氣壓力在0.32～0.35 MPa，更換氣體后要注意二次壓力的變化并做相應(yīng)的調(diào)整。(4)分析樣品時(shí)應(yīng)首先分析幾個(gè)梯度不同的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，如在硬件設(shè)施沒(méi)問(wèn)題的情況下(如干燥劑更換、漏氣檢查等)只是標(biāo)樣含量有偏差，需以高低標(biāo)樣至少分析5次以上并在結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定、波動(dòng)較小的情況下進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)之后再帶相應(yīng)的標(biāo)試樣，這樣分析的結(jié)果更穩(wěn)定。(5)試劑管中干燥劑變色、結(jié)晶及時(shí)更換、否則儀器內(nèi)水分多會(huì)影響分析結(jié)果(結(jié)果偏高)。(6)分析檢測(cè)樣品的前提條件是確保天平的穩(wěn)定性及靈敏度，應(yīng)及時(shí)調(diào)整(稱重克數(shù)的準(zhǔn)確與否直接影響樣品含量的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性)。

5 漏氣檢查

(1)在更換石英燃燒管、試劑管或各試劑后，進(jìn)行機(jī)械檢查與氣路檢查看大氣壓力及水平狀態(tài)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，無(wú)漏氣則顯示“There is no fault”，如有漏氣會(huì)在維護(hù)界面顯示出檢漏的區(qū)域及報(bào)警項(xiàng)目，便于操作人員及時(shí)反饋至儀器設(shè)備維修人員，及時(shí)查找原因并予以解決。(2)動(dòng)作檢查：維護(hù)界面顯示各電磁閥，驅(qū)動(dòng)氣缸裝置、硫開(kāi)關(guān)動(dòng)作，也可以分段檢查便于排除故障。(3)信號(hào)檢查：顯示裝置內(nèi)的各個(gè)傳感器的狀態(tài)。顯示大氣壓力參數(shù)及流量校正的參數(shù)便于故障的排查。(4)壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)定：壓力調(diào)節(jié)器是分析氣路中調(diào)節(jié)載氣(氧氣)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。樣品在分析過(guò)程中吸收大量的氧氣，吸收氧氣量的大小是隨樣品氧化燃燒程度、氣流、氣壓的波動(dòng)變化而變化，直接影響樣品的分析結(jié)果。壓力調(diào)節(jié)器在樣品加測(cè)過(guò)程中起到自動(dòng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定電壓作用。(5)設(shè)有大氣壓力的自動(dòng)校正、流量校正等功能，實(shí)現(xiàn)了極高的穩(wěn)定性。(6)在檢測(cè)分析樣品時(shí)，如出現(xiàn)任何異常立即停止分析，經(jīng)仔細(xì)排查并解決異常故障后方可進(jìn)行繼續(xù)分析檢測(cè)，并隨之帶相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(確保儀器的穩(wěn)定性和分析檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性)。(7)如遇到突發(fā)斷電的情況下，首先按此順序立即關(guān)掉穩(wěn)壓器，再關(guān)高頻爐、主機(jī)等。來(lái)電穩(wěn)定半小時(shí)后方可按操作規(guī)程先后順序正常啟動(dòng)設(shè)備。(8)坩堝處理：坩堝置于1 050 ℃的馬沸爐中烘2～4 h，斷電后室溫自然冷卻，取出于干燥器中保存。

6 結(jié)語(yǔ)

高頻紅外碳硫儀EMIA-220V2具有高精度、穩(wěn)定性、及時(shí)準(zhǔn)確地分析樣品的功能，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，適合企業(yè)的生產(chǎn)需要。