高頻紅外碳硫分析儀測定滑板中碳化硅的方法

摘要：介紹了采用高頻紅外碳硫分析儀，測定滑板中碳化硅的一種快速簡便的分析方法。通過一系列的條件實驗，確定了最佳分析方法。經過精密度實驗，以及和化學法的對比實驗，取得比較滿意的效果。
關鍵詞：紅外線吸收  法滑板  碳化硅

       滑板是鋼鐵行業一種重要的耐火材料，其主要成份為三氧化二鋁，此外還含有少量的二氧化硅、碳化硅和游離碳等。以前碳化硅的測定，通常采用常規的化學分析方法，樣品處理時間冗長，且在樣品處理過程中易造成部分碳化硅的損失。為此，首鋼技術研究院理化檢測中心對滑板中碳化硅的分析方法進行了實驗和探討：首先采用紅外吸收法，通過實驗選擇適宜的灼燒溫度和灼燒時間，使試樣中的游離碳預先分解，實現游離碳和碳化硅分離的目的，然后利用紅外碳硫分析儀分別測定試樣灼燒前碳含量(總量)和灼燒后碳含量(碳化硅中的碳)，從而計算出碳化硅的含量。由于滑板沒有標樣，為得到與試樣組成相近的物質，采用高鋁礬土作基體，分別加入不同量的碳酸鈣基準物質(加入的基準物質中的碳含量，應與所測的碳含量結果相近)，對儀器提供的工作曲線進行校正，按校正后的工作曲線對測定結果進行校正。經過對測量精密度進行考察，并與化學法進行對比實驗。結果表明，該方法比較準確可靠，能滿足實際生產需要。

1 實驗條件及準備

1．1 儀器和主要試劑、材料
       實驗儀器主要包括：CS-400型高頻紅外碳硫分析儀(美國LECO公司)和坩堝(規格為25mm ×25 mm，預先于1 200 ℃高溫灼燒4 h)；試劑、材料主要包括：基體、基準碳酸鈣(碳酸鈣含量為99．90％ ～99．99％)、助熔劑、干燥劑、催化劑、載氣和動力氣�；�體：取10 g高鋁礬土(A1₂O₃含量約為90％)，在1 000 oC高溫灼燒1 h，而后恒重(在15 min內2次稱量之差小于3 mg)；
       助熔劑：純鐵(鐵含量為99．8％)；鎢粒(鎢含量為99．8％)；錫粒(錫含量為99．95％)；干燥劑：粒狀無水過氯酸鎂，粒狀燒堿石棉；催化劑：鍍鉑硅膠；載氣：氧氣(純度大于99．95％)；動力氣：氮氣(純度大于99．5％)。
1．2 儀器工作條件
       儀器工作條件主要包括：載氣流量：3．0 l／min；溫室恒溫度：48．7℃ ；碳檢測池溫度：52．9℃ ；碳檢測池紅外光源電源電壓：5．5 V；碳紅外檢測器輸出訊號電壓：8．613 V；最短分析時間：40 s；預吹氧時間：5 s；碳比較水平：3。
1．3 工作曲線的校正
       紅外碳硫分析儀有固定的工作曲線。根據碳、硫含量的高低和品種的不同，選用不同的標準樣品校正工作曲線。對沒有標樣的試樣，若選擇其他品種的標樣，由于受基體效應的影響，會造成測量結果不準確。根據滑板的主要組分，選用成分相近的礬土灼燒后作為基體，分別加入不同量的碳酸鈣基準物質，加入量視樣品中碳含量而定，選擇加入基準物質(其碳含量與測定的碳含量結果相近)對儀器提供的工作曲線進行校正，可以消除基體的影響。
1．4 樣品測定方法和步驟
       樣品測定的方法和步驟如下：
       (1)稱取0．100 0 g試樣于預先灼燒過的坩堝中，置于馬弗爐內高溫灼燒；
       (2)取出坩堝、冷卻，冷卻后在坩堝內加入助熔劑；
       (3)用紅外碳硫儀進行分析。測得樣品中的碳含量；
       (4)計算碳化硅含量。計算公式為：SiC％ =C％ ×3．340

2 實驗過程與結果

2．1 碳化硅耐高溫實驗
       滑板中含有碳化硅和游離碳，如何把二者分開是本實驗方法的關鍵。游離碳在相對低的溫度下可以分解，碳化硅具有耐高溫特性，但超過一定的溫度也會分解，其反應如下：SiC+2O₂=SiO₂+CO₂為此，選取不同含量碳化硅的滑板作溫度實驗：稱取1．0000 g樣品于已恒重的鉑金坩堝中，在不同的溫度下連續灼燒1 h后稱量，測其燒失量變化。結果表明：當灼燒溫度為600～700℃之間，隨著溫度升高，燒失量在不斷增加，表明碳在不斷灼燒；當灼燒溫度為700-800℃之間，隨著溫度升高燒失量逐步增加后而穩定，表明碳已灼燒完全；當灼燒溫度大于800℃時，燒失量開始減少，甚至出現負值，表明碳化硅部分分解。因此，灼燒游離碳應控制在700℃ ～800℃ 。實驗選用了750℃ 。
2．2 灼燒時間的選擇
       用紅外碳硫分析儀分析滑板中的碳化硅，實質是高溫碳化硅與氧反應轉變成二氧化碳氣體進行分析。因此，滑板中的游離碳必須充分反應，否則將使碳化硅的分析結果偏高。為此，在750℃ 作灼燒時間實驗：稱取1．000 0 g樣品于已恒重的鉑金坩堝中，在750℃ 灼燒不同的時間，冷卻后稱量。結果表明，在750℃ 灼燒45 rain之后即可把游離碳除盡。實驗選擇了750℃ 灼燒1 h。
2．3 基準物質的選擇
       基準物質的選擇應基于碳的轉化率以及操作的方便性。由于碳酸鈣分解溫度低、轉化率高，且摩爾質量大，可減少稱量誤差，因此，選用碳酸鈣為基準物質。
2．4 試樣量的選擇
       滑板中含有一定量的碳化硅和游離碳�？偺己�量較高，要使儀器在測量區域內工作，必須控制試樣量。若試樣量過多，樣品燃燒不充分，易造成吸收拖尾，儀器不能自動結束分析，且產生的粉塵較多，易堵塞過濾網；若試樣量過少，相應的基準碳酸鈣也少，易造成較大的稱量誤差。經實驗表明，0．1000 g試樣量為宜。
2．5 助熔劑的選擇
       滑板為鋁質耐火材料，較難熔。助熔劑的種類、用量及加入的順序直接影響分析結果。如果助熔劑只加純鐵和鎢粒，試樣熔融不充分，則分析結果不穩定。加入一定量的錫粒后，發現熔樣平滑，到達峰值較快。分析結果也較穩定。但加入錫粒后，因錫粒燃燒后產生的粉塵較多，易飛濺，故應先將錫粒放在坩堝底部。經實驗，選定助熔劑的加入量及順序如下：0．1 g錫粒、0．5g純鐵和1．5 g鎢粒。
2．6 精密度和準確度實驗
       選取3個樣品，按樣品測定方法對樣品進行10次分析，測定碳化硅含量，進行精密度實驗。SiC精密度實驗結果見表1。

       以SiC精密度實驗平均值為測定值，與化學值對比，考察方法的準確度。SiC測定值和化學值的對比結果見表2。