特殊材料中碳、硫分析技術(shù)簡述
根據(jù)材料學(xué)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(yè)上常用的為煤、焦、礦石、工業(yè)爐料等。
碳、硫分析國內(nèi)外采用的均為“燃燒分析法”，各類碳硫分析儀（含本公司生產(chǎn)的“高頻紅外碳硫分析儀”）是基于這一原理設(shè)計制造的。
碳硫測定儀由兩部分組成：燃燒系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)。燃燒系統(tǒng)由燃燒爐構(gòu)成，檢測系統(tǒng)由紅外儀構(gòu)成。燃燒爐采用國內(nèi)外通用的“高頻感應(yīng)爐”（簡稱高頻爐），通過高頻感應(yīng)加熱的方式，將樣品熔化，然后在富氧環(huán)境中產(chǎn)生氧化反應(yīng)（俗稱燃燒）以鋼鐵為例，其反應(yīng)方程式如下：
3fe+2o2=fe3o4
c+o2=co2
s+o2=so2
通過上述氧化（燃燒）反應(yīng)，材料中的碳、硫轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的co2和so2，從而與基體（fe）相分離，然后以o2氣為載體，導(dǎo)入紅外儀進(jìn)行檢測。
高頻爐的加熱方式是感應(yīng)加熱，首要條件是樣品在高頻磁場中能被感應(yīng)，產(chǎn)生渦電流（渦流），從而產(chǎn)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(yīng)加熱，銅、鋁等有色金屬，屬于良導(dǎo)體，電阻率較低，感應(yīng)效果比較差，這就需要添加不同的助熔劑，增大感應(yīng)效果。
非金屬原材料除煤、焦外，多數(shù)為氧化物（例如磁鐵礦fe3o4），基本不具備鐵磁效應(yīng)，即不具備被感應(yīng)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(yīng)的基本要素有三：一是溫度、二是反應(yīng)物自身能夠氧化、三是有o2參與反應(yīng)，缺一不可。非金屬原材料多數(shù)為氧化物，已不具備氧化反應(yīng)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(jù)各自材料的特性，在稱樣量，助熔劑選擇、添加量，感應(yīng)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(yàn)加以確定，這是特種材料碳、硫分析技術(shù)的核心，只有選擇*的分析條件，才能得到*的測試結(jié)果。
影響碳硫儀測量結(jié)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(jié)果的準(zhǔn)確度有很大的影響。載氣不純必然影響分析結(jié)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(jìn)入爐膛前必須將載氣經(jīng)過凈化，并且要穩(wěn)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(zhǔn)確度是十分重要的。氧氣中通常含有水分和co2等雜質(zhì)，對樣品燃燒和cs的檢測都將產(chǎn)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(yán)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(jié)晶水，結(jié)晶水在樣品燃燒時釋放出來，肯定會影響測量結(jié)果，因此在燃燒后的氣體送入檢測器檢測前還需對氣體進(jìn)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(zhǔn)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?xì)鈮毫σ罂刂圃?.065mpa左右。對于載氣流量，一般說流量太高的情況較為少見，經(jīng)過長時間的工作后，出現(xiàn)流量降低的現(xiàn)象較為常見，流量降低后，結(jié)果往往偏高；使校正系數(shù)變化，氣路中出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，是造成流量降低的主要原因之一。經(jīng)常檢查堵塞部位有金屬過濾器、流量調(diào)節(jié)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(jié)果波動大，當(dāng)然如果氣路中有漏氣，也會造成流量下降，c、s結(jié)果不穩(wěn)。
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(jié)塊、堵塞氣路，造成燃燒供氧不足，造成c、s結(jié)果不穩(wěn)。氧氣中的co2將直接影響c的結(jié)果，水蒸汽會影響s的結(jié)果。只有定期更換干燥劑，才能確保cs結(jié)果的準(zhǔn)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(diǎn)，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(diǎn)如下：
（1）鎢是zui難熔化的金屬，它的熔點(diǎn)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?yàn)殒u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(fā)出大量的熱。
w+3/2o2=wo3,△h=-840.11kj/mol
此反應(yīng)在高溫狀態(tài)具有發(fā)熱值高、反應(yīng)速度快，生產(chǎn)疏松狀態(tài)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(diǎn)1473℃，且熔化熱低，沸點(diǎn)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(fā)。由于wo3的逸出，增加了碳硫的擴(kuò)散速度，使試樣中碳、硫充分氧化，揮發(fā)的wo3在700～800℃又轉(zhuǎn)化為固相，覆蓋在管道中尚存的fe2o3，阻止了so2催化轉(zhuǎn)為so3，防止了管道對硫的吸附。從而保證了碳、硫分析結(jié)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(yīng)用
工業(yè)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(yīng)用。
三氧化鉬對消除s的吸附比三氧化鎢有更好的效果，因?yàn)槿趸f極易升華，升華后在爐頭遇冷又會結(jié)晶，結(jié)晶時會包裹大量的風(fēng)塵，有效的降低了風(fēng)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(jié)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(chǎn)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(yùn)輸、存放等過程中，容易被污染、同時還會吸附空氣和環(huán)境中的co2、h2o以及一些含cs的雜質(zhì)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(wěn)定時，對于常量c、s的分析，可以不進(jìn)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(guān)鍵的，它將直接影響碳硫分析的準(zhǔn)確度。送到化驗(yàn)室的試樣不一定形狀合適，且有可能附帶污染物，金屬經(jīng)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(nèi)部所含的雜質(zhì)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(nèi)熔渣應(yīng)呈彎月面，分布均勻。樣品燃燒不*，渣面是凹凸不平，應(yīng)查找原因重新分析。
七、軟件設(shè)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(tǒng)自檢功能，遠(yuǎn)程控制功能等，對于不同的材料，軟件可以設(shè)置不同的通道，設(shè)置不同的參數(shù)，比如含量高的樣品清洗時間要設(shè)置得比較長，氣體流量較大；不易燃燒的樣品燃燒時間設(shè)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(xué)專業(yè)且具有三十年以上資歷的專業(yè)技術(shù)人才，在特種材料的分析應(yīng)用上，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，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(yù)，這也是本公司*的技術(shù)優(yōu)勢之一。
表一：hcs878a創(chuàng)造的國內(nèi)疑難樣品分析記錄
序號
客戶名稱
含量范圍
備注
1
蘭州碳素廠（碳纖維）
碳：96%
超高碳含量
高記錄
2
湖北省地質(zhì)礦產(chǎn)局（礦石）
硫：53%
超高硫含量
高記錄
3
湖南郴州出入境*（石墨）
硫：0.6%
難熔樣品
4
核工業(yè)部903所（鈾235）
碳：0.0003%
特殊材料
5
中國造幣總公司（純銀）
硫：0.0004%
超低硫含量
低含量
6
貴州宏碁（單晶硅）
硫：0.0004%
非金屬材料
四川旌科儀器制造有限公司技術(shù)部