碳硫分析_化学_自然科学_专业资料。红外吸收法测定碳量、 硫量 一、原理 碳 在氧气流中燃烧将碳转化成一氧化碳和/或二氧化碳。利用氧气 流中二氧化碳和一氧化碳的红外吸收光谱(特征吸收峰 4260 纳米 =42600 埃)进行测定。 硫

　　红外吸收法测定碳量、 硫量 一、原理 碳 在氧气流中燃烧将碳转化成一氧化碳和/或二氧化碳。利用氧气 流中二氧化碳和一氧化碳的红外吸收光谱(特征吸收峰 4260 纳米 =42600 埃)进行测定。 硫 在氧气流中燃烧将硫转化成二氧化硫。 利用氧气流中二氧化硫的 红外吸收光谱（特征吸收峰 7 纳米=70 埃）进行测定。 碳硫测定仪电子控制组成与气路系统原理 碳硫测定仪的电子控制部分由红外测量控制板、分析气流控制 板、 动力气流控制板、 功率控制板、 恒温箱加热控制板、 压力控制板、 催化稳定控制板及计算机和其他电子元件组成。 载气在分析气路中的流程： 氧气通过入口的稀土氧化铜去除载气 中的一氧化碳、甲烷等杂质，流经碱石棉和过氯酸镁去除二氧化碳和 水后，通过吹氧枪和载气入口进入炉头。试样在燃烧管内（材质石英 玻璃）后生成的气体随载气经过过氯酸镁去除其中的水汽后，进入硫 检测池，之后流经渡铂硅胶及赛璐璐，将载气中的二氧化硫转化为三 氧化硫并去除。 载气中的二氧化碳在仪器气路两端的高碳和低碳检测 池中测定。 （为何先进硫池检测硫含量？） LECO CS230（力可碳硫 230）工作原理 取一定质量的样品在通入氧气流的在炉子的高频磁场中， 试样和 助熔剂被感应加热，在氧气的氛围中燃烧，试样中的 C、S 元素和氧 反应生成 CO2 和 SO2 随载气进入气路系统，先到达 SO2 检测池进行 S 的检测， 随后通过热的氧化铜， 将一氧化碳转换成二氧化碳； 2 转 SO 化成 SO3 被赛路路（吸附性极强的塑料）吸收。然后，试样气体通过高和 低含量 CO2 红外检测池检测 C 含量。 二、试剂及材料 高氯酸镁（吸水剂，粒度 0.7-1.2mm）作为干燥剂 碱石棉（酸性气体吸收剂）作为 CO2 吸收剂 玻璃棉（过滤粉尘） 钨粉（助熔剂，碳量小于 0.002%，粒度 0.8-1.4mm） 锡粒（助熔剂，合金分析时降低熔点，但加入过多影响硫的释放） 氧气（载气，纯度达到 99.5%以上，出口压力 0.26MPa） 氩气、 氮气、 压缩空气 （动力气， 提供炉头的开关动力,压力 0.26MPa） 瓷质坩埚：在高于 1200℃的高温加热炉中灼烧 4 小时，目的是为灼 烧瓷质坩埚的杂质，空白值降到。 三、红外碳硫仪的基本结构 1.高频炉：使样品熔融燃烧 2.红外吸收系统：用于测量 CO2、SO2 3.净化系统：净化载气和反应气，除去其中灰尘、杂质及水分 4.恒温系统：使被测气体及检测池温度恒定 5.气路系统：提供反应气和动力气 6.稳流系统：使载气的流量稳定 7.数据处理和控制系统：控制仪器的运行及计算碳硫含量 四、操作规程 1、开机前操作流程: 打开 UPS 仪器，检查电源是否正常,然后将空气开关和稳压电源的开 关合上,并检查稳压电源的输出是否为 220V,如电源输出正常,可进入 开机程序. 2、开机流程: (1)先将载气 O2 和动力气 Ar 气源打开,并调整至相应的压力,具体为 载气 O2 为 0.26MPa，动力气为 Ar，压力 0.26MPa。 (2)将 CS230 主机打开 具体情况如下:先将仪器炉子部分的电源开关合上(开关位 于炉子前 下部,黑色开关),然后将仪器检测器部分电源开关合上,此时观察可以 看 到炉子部分内电子坩埚管被点亮,流量计内浮球应处于 3L/min 位 置. 将电脑主机和显示器电源打开,同时将打印机和天平电源打开,当 确认天平处于平衡位置时且前方显示为 0.0000 时,可通过双击桌面上 的 CS230 图标,进入 CS230 分析流程. (3)进入主程序 在电脑和 CS230 分析仪通信正常后,可先打开诊断菜单.漏气检查， 待漏气检查通过后进入环境 子菜单,可以看相应的监测参数和图形, 待恒温箱温度(48～50℃),催化炉温度 (350℃左右)具 C 和 S 检测池 均稳定后可进行下一步操作 如果仪器处于常开机状态,或者未清洗 过炉头、 试剂管的状态下,可直接烧空白. (4)空白校正 烧标样.标样校准等正常流程.如果仪器相对较长时间未打开,清洗过 炉头,更换过试剂,那么必须先执行漏气检查程序,确认仪器不漏气,可 进入正常操作流程_烧空白 C 烧 2～5 个,待空白值稳定后进行空白 校正,烧标样进行漂移校正,然后可直接分析试样(含量和试样接近的 标样)进行校准,校准完后, 确认仪器分析标样稳定,达到要求精度,可 进行试样分析. (5)关机操作. 正常关机为先将软件关掉,然后关掉炉子前开关和分析仪开关,将气源 关掉,后将电源关掉(稳压电源和空气开关均关掉) . 称样量 烧结矿、灰石、白云石、白灰：0.5g 纯铁+0.1g 试样+1.5g 钨粉（加速 剂） 瓦斯灰：0.5g 纯铁+0.05g 试样+1.5g 钨粉 合金：0.5g 纯铁+0.2g 锡粒+0.1g 试样+1.5g 钨粉 耐材：0.5g 纯铁+0.2g 锡粒+0.1g 试样+2.5g 钨粉 钢样：0.2-0.3g 样品+1.5g 钨粒 萤石：0.5g 纯铁+0.03g 试样+1.5g 钨粉 萤石中硫的测定需要连接卤素吸收器。具体步骤：首先关闭氧气（分 析界面—诊断—输氧管，取消前面的“√”）然后拆下仪器本身的进 。 气管（炉头下端的一个管） ，将除卤素装置一端的橡胶管接到炉头 上，另一端带铁头的管接到进气口处，拧紧，防止漏气。 五、影响分析结果稳定性因素 1.样品的称样量 2.助熔剂的加入量 3.样品、助熔剂的叠放次序（高纯铁粉打底：铁基样品直接在氧气下 经高频感应而燃烧，反应剧烈，熔融后飞溅严重，容易造成石英管的 污染甚至破损。钨粒打底，样品置于上层，石英管很快污染，陶瓷保 护套上粘上铁熔体，影响燃烧管的使用寿命，并阻碍氧气的供应，影 响分析结果。合适的叠放次序高纯铁粉、样品、钨粒。 4.坩埚 5.试剂 6.灰尘（石英管） 7.温度（恒温系统） 六、注意事项 1.标样的含量值必须大于并接近生产样的含量值 2.分析用坩锅应保持干燥，不要长时间露天放置 3.分析硅含量高的试样时，不易检测硫的含量，可以适当加入多一些 纯铁助熔剂，但纯铁助熔剂和试样重不要超过一克，加钨粉前要保证 试样和助熔剂摇匀。 4.称样量过大会引起试样在分析过程中喷溅，导致分析失败。 七、相关知识 碳是钢中不可缺少的元素，钢铁的性能起着重要的作用。随着碳含量 的增加，钢的硬度和强度得到提高，其韧性和塑性下降；反之，若含 碳量减少，则硬度和强度下降，而韧性和塑性增加。 碳元素在钢铁中的作用是，它是区分钢或铁的主要依据 碳含量高于 2.0%以上的叫铸铁，低于 2.0%的叫钢。 通常把 含碳量高于 0.60%的钢叫高碳钢， 含碳量在 0.25%-0.60%之间的钢叫中碳钢， 含碳量小于 0.25 的钢叫低碳钢， 含碳量小于 0.04%的叫工业纯铁 碳在钢铁中以化合态和游离态存在 化合碳：主要以铁碳化合物和合金元素碳化物的形态存在，如 Fe3C、 Mn3C、Cr3C2、WC、VC、Mo2C、TiC 等铁碳化合物如 Fe3C 能溶解 在含氧化剂的浓硫酸和浓硝酸中；而合金元素碳化物难溶于酸，为了 促溶增溶，往往要冒硝酸和高氯酸烟 游离碳：主要指铁碳固溶体中的碳、如石墨碳、退火碳、无定形碳、 结晶形碳等。游离碳一般不溶于酸，借此性质，可分离游离碳。在一 定条件下，化合碳可转化成游离碳，如渗碳体转化为铁素体 （Fe3C1153℃3Fe+C 石墨） 。 化合碳和游离碳之和称为总碳量 硫存在于钢铁内，恶化钢铁质量，降低钢的力学性能及耐蚀性、可焊 性。特别是钢中的硫，若以硫化铁状态存在时，它的熔点低（1000℃ 左右） ，将会引起钢的“热脆”现象，即热变形，高温时工件产生裂 纹，影响产品的质量和使用寿命。但是硫在易切削钢中，是作为一种 合金元素来改善钢的切削性能。 硫在钢铁中主要以 MnS 和 FeS 的形态存在， 仅含少量的其他硫化物。 如 Cr2S3、VS、TiS、NbS、ZnS 等，而游离态的硫甚少。钢铁中的硫， 一般易溶于酸中，在氧化性酸中生成硫酸盐，在非氧化性酸中，生成 硫化氢。 所以，钢中的硫含量越低越好，一般来说， 普通钢中的含硫量不大于 0.050%，工具钢中硫量不大于 0.045%，优 质钢硫量不大于 0.020%。 目前常用测定碳、硫的方法：光谱法、燃烧法。 高频感应加热的原理利用导体在高频磁场作用下产生的感应电流 （涡 流损耗以及磁滞损耗）引起导体自身发热而进行加热的。 八、有关分析方面的几个问题： 1. 仪器的检测能力 当燃烧反应进行后， 准确测定产生的 CO2 和 SO2 能衡量一台仪器的检 测能力， 这是我们应主要考虑的。这种能力通常可以通过气标的方法测定，用 已知浓度的 CO2 和 SO2 或两者的混合气体直接引入仪器。 气标可以帮助评价一台仪器的检测能力， 而不受诸如坩埚、 气体、 助熔剂、感应参数、样品均匀性等影响。 由此而获得的数据显示仪器性能，作为考核仪器的保证。 另外，气标还可用于常规的诊断。 2. 坩锅质量及预处理 如果陶瓷坩埚处理得不好，也将使分析结果产生波动。平均重约 18 克，样品分析时通常称 1 克，有时更轻。这意味着如果坩埚中含碳或 硫 1ppm，将会使分析结果增加 0.018mg。实际上，这种沾污并不稳 定，有些坩埚基本不含碳和硫，而有些可能超过 0.025mg。如果直接 用手拿坩埚，沾污更严重，测定结果波动更大。基于这一考虑，坩埚 需要预烧或焙烧：通常要求将坩埚置于马弗炉或管式炉中，在至少 1000℃处理 8 小时，或 1250℃处理 4 小时乘热取出，冷却后置于干 燥器中；使用时用干净的夹钳一个一个从干燥器中取出使用，处理过 的坩埚不能暴露在空气中太长的时间， 因为空气中粉尘将再次沾污坩 埚。 3. 氧气的影响 氧气是熔样过程中起提供燃烧和携带气体的， 它在分析过程中起 重要作用，却常常被忽略。一般级别的氧气中所含有的杂质能够影响 碳的准确测定，有时包括硫。氧气中杂质如 CO2 可以通过碱石灰(氧 化铜)（NaOH 与粘土的混合物）除去，而杂质中的主要成分甲烷却 无法被除去。在燃烧反应进行时，甲烷将氧化生成 CO2 和 H2O，而氧 化的程度取决于坩埚和样品的温度以及分析时间， 这对于准确测定低 碳和低硫产生严重的影响。 4. 助熔剂的种类及选择 助熔剂的使用能加速无机材料的燃烧反应，它主要起点火、助燃的作 用，同时能熔解样品表面的氧化物，并使熔体具有良好的流动性，有 助于在短时间内氧化样品中的碳、硫。常用的助熔剂有金属钨粒、铁 屑、锡粒、铜屑等这些材料中碳、硫含量应很低，并且均匀。金属钨 粒主要起点火、助燃的作用；铁屑主要增加分析时的感应量；锡粒在 燃烧时能产生大量热， 同时降低熔体的温度； 铜屑的作用与锡粒相似。 每一种助熔剂各有优势，在多数情况下，将它们混合使用能获得 的效果。 5. 样品的种类及制 有机溶剂清洗法： 对于屑状、块状样品，使用丙酮、、环己烷、四氯化碳或其它合 适的溶剂清洗，并于 70℃～100℃干燥。清洗的次数一般为 2-3 次。 使用的清洗溶剂蒸干后的残渣质量分数应小于 0.0005%。注意有机溶 剂挥发性强、 易燃， 一般具有一定毒性， 在清洗时应在通风橱内进行。 低温灼烧法： 将 装 有 试 料 的 瓷 坩 埚 置 于 马 弗 炉 或 电 阻 炉 中 加 热 至 420 ℃ 保 持 5min-10min 。 这 个 方 法 适 合 于 非 合 金 钢 中 碳 质 量 分 数 为 0.0003%-0.010%的样品处理。 6. 空白值的测定 对每一仪器范围称取选定质量的助熔剂(至 5mg)，置于坩埚中， 加入称取的钢铁有证参考物质以测量碳、硫的空白值。将钢铁有证参 考物质的质量输入仪器质量补偿器，开始分析。重复测定三次以上， 取平均值。再减去钢铁有证参考物质的碳、硫含量，即是空白值。如 果空白值大于 0.002%，标准偏差大于 0.0005%，应找出其原因并作 相应处置，然后重新测定。根据仪器说明书输入平均空白值。如果仪 器不能自动校准空白值，在计算前，应从总结果中减去空白值。 要点： ①为真实反映空白值的水平， 在测定前应将原有的空白值置零； ②用于空白值测定的钢铁有证参考物质（CRM）中碳、硫含量应很 低。 7. 影响回收率的因素 助熔剂比例（铁粉、钨粉、锡粒） 燃烧温度 8. 碳硫分析仪实验室的基本要求 温度恒定 25℃，要求配置空调 湿度小于 70%，湿度过大配机 电源电压要稳定，电压变化大于 5%要求配置稳压器 独立地线，对地线. 正确选择和使用标准物质需掌握以下规则 材质相同、与可测定值相近，分析条件一致 10.在碳硫的燃烧法测定中选择助熔剂的原则 在固体无机材料碳、硫分析时起到氧化燃烧温度，增强液体流动性作 用的专用试剂称为助熔剂， 要求该种试剂熔点低、 易氧化、 放热量大、 氧化物不吸收被测气体，含碳量、硫量极低的金属。一般为细粒状， 粒度为 0.4-0.8mm。如：铜、钨、钨锡用于测定碳，钨用于测定硫 LECO S144DR（力可 144 定硫仪）工作原理 称取一定质量的样品在通入氧气流的高温炉内燃烧， 硫转化为二氧化 硫，随氧气流经红外吸收池，有红外检测器测定其对特定波长红外线 的吸收（二氧化硫的特定波长 7nm） ，其吸收值与二氧化硫含量成 正比，由此测得硫的百分含量。 二、试剂及材料 高氯酸镁（吸水剂，粒度 0.7-1.2mm）作为干燥剂 玻璃棉（过滤粉尘） 氧气（载气，纯度达到 99.5%以上，出口压力 0.26MPa） 磁舟 三、红外碳硫仪的基本结构 1.管式炉：使样品熔融燃烧 2.红外吸收系统：用于测量 SO2 3.净化系统：净化载气和反应气，除去其中灰尘、杂质及水分 4.恒温系统：使被测气体及检测池温度恒定 5.气路系统：提供反应气 6.稳流系统：使载气的流量稳定 7.数据处理和控制系统：控制仪器的运行及计算硫含量 四、分析步骤 开启仪器，进入控制软件 待半小时后，检查仪器参数是否正常稳定状态 通氧气：压力达到 40Psi（英制单位）约 0.276MPa 选择与被测样品含硫量接近的煤、焦炭分析方法曲线g，平摊在磁舟中 进行样品分析，根据控制分析软件提示，用长剑将磁舟推至炉底，关 上炉门，仪器开始分析，屏幕显示结果，分析结束后，将磁舟拉出。 CS230 与 S144DR 根本区别 CS230 为高频加热炉，高频炉利用金属试样在高频磁场中产生涡 流，从样品内部加热，是样品熔化，在氧气中生产 CO2 和 SO2， S144DR 为管式加热炉属于外加热， 及样品是在加热到高温状态下 的管式炉中燃烧
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