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鋼中碳含量的7種測定方法

發(fā)布時間：2023-12-20

金屬及其復合材料的開發(fā)研制與應用，常常要求有效地控制及準確地測定其中的碳硫含量。金屬材料中碳主要以游離碳，固溶碳和化合碳等形式存在，還有氣態(tài)碳和表面保護的滲碳及涂敷的有機碳等。

目前分析金屬中碳含量的方法主要有燃燒法，發(fā)射光譜法，氣體容量法，非水溶液滴定法，紅外吸收法及色譜法等。由于每種測定方法有一定的適用范圍，而且測定結果受很多因素的影響，如碳的存在形式、氧化時碳能否釋放完全、空白值等，所以同一種方法在不同的場合準確度有一定差異。本文整理了目前金屬中碳的分析方法、樣品處理、所用的儀器及應用領域等內容。

基于紅外吸收法發(fā)展出的燃燒紅外吸收法是屬于碳(和硫)定量分析專用方法。

其原理是將試樣在氧氣流中燃燒，生成CO2，在一定壓力下，CO2吸收紅外線的能量與其濃度成正比，因此測出CO2氣體流經(jīng)紅外吸收器前后的能量變化，則可計算出含碳量。


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燃燒-紅外吸收法原理


近年來，紅外氣體分析技術發(fā)展很快，各種利用高頻感應加熱燃燒及紅外光譜吸收原理的分析儀器也迅速地出現(xiàn)。對于高頻燃燒紅外吸收法測定碳和硫，一般應考慮以下幾個因素：試樣的干燥性、電磁感性、幾何尺寸，試樣量，助熔劑的種類、配比、加入次序及加入量，空白值的設置等。

該法優(yōu)點是定量準確，干擾項較少。適合對碳含量準確度有較高要求，且生產(chǎn)中有足夠時間進行檢測的用戶。


元素在受到熱或電激發(fā)時，會由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，而激發(fā)態(tài)會自發(fā)地返回到基態(tài)。在由激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)的過程中，會釋放每種元素的特征譜線，根據(jù)特征譜線的強度可以測定出其含量。


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發(fā)射光譜儀原理


在冶金行業(yè)，由于生產(chǎn)的急迫性，需要在很短的時間內分析出爐水內所有主要元素的含量，而不僅僅是碳含量。火花直讀發(fā)射光譜儀由于能夠快速得到穩(wěn)定的結果，所以成為該行業(yè)的首選。但該法對于樣品制備有特定要求。

例如，火花光譜法分析鑄鐵試樣時，要求分析表面的碳都以碳化物的形式存在，不能有游離石墨，否則就會影響分析結果。有用戶利用薄片樣品急冷快，白口化好的特點，將樣品制成薄片后，用火花光譜分析法測定鑄鐵中碳的含量。

火花光譜法分析碳素鋼線狀樣品時，須嚴格加工處理好樣品并使用小樣品分析夾具將樣品“直立”或“平躺”放在火花臺上進行分析，以提高分析的精密度。

波長色散X-射線分析儀可以對多元素進行快速同時測定。


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波長色散X射線熒光光譜儀原理


在X射線激發(fā)下，被測元素原子的內層電子發(fā)生能級躍遷而發(fā)出次級X射線(即X熒光)。波長色散型X射線熒光光譜儀(WDXRF)是用晶體分光而后由探測器接收經(jīng)過衍射的特征X射線信號。如果分光晶體和控測器作同步運動，不斷地改變衍射角，便可獲得樣品內各種元素所產(chǎn)生的特征X射線的波長及各個波長X射線的強度，可以據(jù)此進行定性分析和定量分析。該種儀器產(chǎn)生于50年代，由于可以對復雜體系進行多組分同時測定而受到關注，特別在地質部門，先后配置了這種儀器，分析速度顯著提高，起到了重要作用。

但是，輕元素碳由于特征輻射的波長較長，熒光產(chǎn)額低，在鋼鐵等重基體材料中，基體對碳的特征輻射的吸收衰減又很大等原因，常給碳的XRF分析造成一定的困難。另外，在用X射線熒光儀測量鋼中的碳時，如果將磨過的樣面連續(xù)測10次，可發(fā)現(xiàn)碳含量值在不斷增加。故該方法的應用面不如前兩種廣泛。

非水溶液滴定法是在非水溶劑中進行滴定的方法。該法可使原本在水溶液中不能滴定的某些弱酸弱堿，經(jīng)選擇適當溶劑，增強其酸堿性后，便可以進行滴定。CO2在水中溶液生成的碳酸，酸性較弱，通過選擇不同的有機試劑可準確滴定。

以下為常用的一種非水滴定方法：

① 試樣經(jīng)碳硫分析儀配套的電弧燃燒爐高溫燃燒。

② 燃燒放出的二氧化碳氣體被乙醇-乙醇胺溶液吸收，二氧化碳與乙醇胺反應生成比較穩(wěn)定的2-羥基乙基胺羧酸。

③ 使用KOH進行非水溶液滴定。

本方法中使用的試劑有毒，長期接觸會影響人體健康，而且難于操作，尤其碳含量高時須預置溶液，稍不注意會跑碳造成結果偏低。非水溶液滴定法中使用的試劑多屬于易燃品，實驗中又涉及到高溫加熱操作，操作人員要有足夠的安全意識。

火焰原子化檢測器與氣相色譜聯(lián)用，將樣品在氫氣中加熱，然后使用火焰原子化檢測器-氣相色譜法檢測放出的氣體(如CH4和CO)。有用戶使用該法測試高純鐵中微量的碳，含量為4μg/g，分析時間為50min。

該法適用于碳含量極低，且對檢測結果要求很高的用戶。

有用戶介紹了利用電位分析法測定了合金中低碳含量：將鐵樣在感應爐中氧化后，用碳酸鉀固體電解質組成的電化學濃差電池分析測定氣態(tài)產(chǎn)物，從而測定碳的濃度，此法尤其適于非常低濃度碳的測定，可通過改變參比氣體組成和樣品的氧化速率控制分析的精密度和靈敏度。

該法實際應用較少，大多停留在實驗研究階段。

在精煉鋼時，常要實時控制真空爐內熔融鋼中的碳含量，有冶金行業(yè)的學者介紹過利用廢氣的信息估計碳濃度的實例：利用真空脫碳過程中真空容器中氧氣的消耗量、濃度和氧氣、氬氣的流速估計了熔融鋼中碳的含量。。

還有用戶研制出快速測定熔融鋼中痕量碳的方法和相關儀器裝置：把載氣鼓入熔融鋼中，從載氣中已被氧化的碳來估計熔融鋼中碳的含量。

類似的在線分析方法適用于煉鋼生產(chǎn)過程中的質量管理與性能控制。


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