一种快速测定铝钛碳中间合金中碳的最新方法

     作者：张毅                                                                                           

    碳含量的高低对铝钛碳中间合金的性能至关重要，因此建立一种快速、准确、灵敏度高的测定铝钛碳中间合金中碳含量的方法具有十分重要的意义。

    目前，测定无机材料中碳的方法有气体容量法、非水滴定法、重量法和红外吸收法，其中红外吸收法具有操作简便、分析效率高的优点，不仅在钢铁样品中广泛应用，在一些非钢铁材料上也有广泛的应用，如碳化硼、铝土赤泥、渣剂类、工业硅、纯银样品中碳和硫的测量。仓向辉等以钨和铁二元助熔剂进行助熔，采用红外碳硫分析仪测定了铝钛碳中间合金中的碳含量。本文在此基础上，进一步改进了助熔剂，采用纯铁、钨粒、锡粒3种助熔剂组合的方式对样品进行熔融，采用高频燃烧红外吸收法测定了铝钛碳中间合金样品中质量分数范围为0. 10%～0.30%的碳。

    1  实验部分

    1.1  主要仪器与试剂

    CS-8800型红外碳硫分析仪（无锡天牧仪器科技有限公司）；WF-188型高频感应燃烧炉（无锡天牧仪器科技有限公司）；BS124S型电子天平(赛多利斯科学仪器有限公司，d=0.1  mg)。

    氧气：纯度为99. 999%;钨粒：w(C)<0.000 8%，w(S)<0.000  8%,w(W》99.95%,20目(0. 84

mm)～40目(0. 42 mm)；锡粒：w(C) <0. 000 8%，w(S)<O. 000 2%,w(Sn》99. 95%,20～40目；纯铁w(C)<O. 000 5%，叫(S)<0.000 7%，w(Fe)>99.8%，粒度小于1.25 mm;陶瓷坩埚：素质陶瓷坩埚；20MnSi钢标准样品（山东省分析测试中心）：编号为GBW(E)010029，w(C) =0. 204%；65Mn标准样品（钢铁研究总院）：编号为YSBC-11129-99，w(C)-O. 68%;45#钢（济南泉东标物所）：编号为GBW( E) 010043(97-06),w(C)=0.458%;20#钢（济南泉东标物所）：编号为GBW( E) 010030 (96-10)，w(C)一0.204%。

    1.2实验方法

    1. 2.1  分析前准备

    按照仪器操作规程，打开仪器，预热1 h以上，室温控制在20～30℃；开启氧气、高频燃烧炉。

    1.2.2  坩埚预处理

    坩埚置于马弗炉中，于1 200℃灼烧4h，随炉冷却后置于干燥箱中备用。

    1.2.3  标样校准

    选择与铝钛碳中间合金中碳含量范围及释放特性相近的20MnSi钢标样进行单点校正，输入校正样品中碳含量的认定值，确定仪器测定碳的校正系数为0. 997 9。用45#钢标样和65Mn钢标样对仪器的校准曲线进行验证分析，仪器线性较好，结果见表1。

    1.2.4  样品的测定

    称取0.2 g纯铁助熔剂于处理好的坩埚中，天平清零后，称取0.2 g样品，样品质量输入程序中，称取1.3 g钨粒覆盖在样品的表面上，再称取0.2 g锡粒覆盖最上面，送人仪器中进行分析测定。

    2  结果与讨论

    2.1称样量

    选择碳质量分数参考值为0. 224%（其为标准方法CSM07030601- 2003管式炉燃烧一碱石棉吸收重量法的测定值）的1#铝钛碳中间合金样品，分别称取0. 05～0.6 g进行试验，结果见表2。

    表2表明：称样量为o．05、o．1 g时，测定值均高于参考值且测定结果的相对标准偏差(RSD)较大；称样量为0.3、0.4，0.6 g时，坩埚底部明显不平整，样品熔融不完全，并有大量粉尘飞溅，坩埚污染严重，测定值低于参考值，且测得结果的RSD较大；称样量为0. 15～0.25时，坩埚内光滑平整，测定值与参考值相符，且测得结果的RSD相对较小。综合考虑上述因素，实验称样量取0.2 g。

    2.2助熔剂的选择及用量

    选取和2.1节相同的碳质量分数参考值为0. 224%的1#铝钛碳中间合金样品，分别以钨、钨一锡、纯铁一钨和钨一锡一纯铁进行助熔剂的选择试验，结果见表3。由表3可以看出：采用钨或钨一锡助熔剂时，坩埚底部都不平滑，且粉尘较多，燃烧不完全，测定值均小于参考值，且用钨粒时，燃烧产物是黄色，分析其原因可能是由样品的导磁性差所造成；采用纯铁一钨粒助熔剂时，飞溅较多，碳释放曲线峰形差，样品燃烧不完全，测定值也较参考值低；采用纯铁一钨粒一锡粒为助熔剂，熔融效果较好，测定值与参考值相符。分析铁、钨、锡助熔的机理如下：铁通过高频感应产生较大的涡电流和焦耳热，提高炉温，促进样品燃烧完全；高熔点的钨燃烧时放出热量，使样品燃烧平稳，抑制了铝局部的剧烈燃烧；锡能提高熔渣的流动性，降低熔渣凝固点，使燃烧后的坩埚平滑，在促进燃烧完全的同时，飞灰和飞溅的情况也得到明显的改善。

    选取和上述相同的1#铝钛碳合金样品，按照实验方法，分别在1．O～2．o g范围内改变钨粒量，在0. 1～0.5 g范围内改变锡粒量进行试验。结果表明：选用1.3 g钨粒-0.2 g锡粒-0.2 g纯铁的助熔剂组合时，测定值与参考值相符，且6次平行测得结果的RSD为o．48%，其值最小。实验选用1.3 g钨粒-0.2 g锡料-0.2 g纯铁为助熔剂。

    2.3样品和助熔剂的加入顺序

    样品和助熔剂的加入顺序影响着燃烧的效果和测定结果的稳定性。对样品和助熔剂的加入顺序进行试验，结果表明：加入顺序为“样品、钨粒、锡粒、纯铁”时，虽然坩埚底部光滑，但是粉尘较多，碳释放曲线有时会出现双峰的情况；加入顺序为“钨粒、锡粒、纯铁、样品”时，坩埚底部不光滑，燃烧不充分；加入顺序为“纯铁、样品、钨粒、锡粒”时燃烧充分，结果稳定。最终实验选择“纯铁、样品、钨粒、锡粒”的加入顺序。

    2.4截止燃烧时间

    截止燃烧时间设置较短，虽然对缩短分析时间有利，但易造成截止电平太高，燃烧不充分，碳释放曲线提前结束；当截止燃烧时间设置过长，碳释放曲线会出现拖尾的情况。按实验选定的条件测试样品，结果发现，截止燃烧时间为35s时，样品燃烧完全，碳释放曲线完整且无拖尾情况。实验设置截止燃烧时间为35 s。

    2.5  空白值的测定

    碳的空白值主要来源于氧气、助熔剂和坩埚。故实验采用高纯氧气、超低碳含量的助熔剂以及经过高温灼烧处理的坩埚来降低分析系统的空白值。按照实验方法得到的空白平均值w(C)一0. 000 8%（n=5），标准偏差(SD)为0.000 1%，空白值低且稳定，以其测定结果的3倍标准偏差计算方法检出限为o．000 3%，以4倍方法检出限计算方法测定下限为0. 0012%。由于所测铝钛碳中间合金样品中碳的质量分数为0. 10%～0. 30%，并且校准与测试采用的助熔剂等条件均与实际样品分析检测时条件相同，所以空白值对其的影响几乎可忽略。

    2.6  加标回收试验

    按照实验方法，对同一铝钛碳中间合金样品中的碳含量进行测定，并在0.1 g铝钛碳中间合金样品中分别加入0. 080 0、0.100 0、0.120 0 g的20#钢标准样品(w(C)一0.204%）进行加标回收试验，结果见表4。

    3  样品分析

    选取有代表性的铝钛碳中间合金样品，按照实验方法进行测定，并与标准方法CSM070306012003管式炉燃烧碱石棉吸收重量法的分析结果对比，结果见表5。

    4摘要：

    称取0.2 g纯铁助熔剂于处理好的坩埚中，加入0.2 g样品，再在上面覆盖1.3 g钨粒、0.2 g锡粒覆盖，设置截止燃烧时间为35s，建立了三元助熔剂熔融一高频燃烧红外吸收法测定铝钛碳中间合金中碳的方法。实验表明：方法空白平均值w(C) =o. 000 8%（n=5），与所测铝钛碳中间合金样品中的碳质量分数范围0. 10%～0.30%相比可忽略不计。方法用于铝钛碳中间合金实际样品中碳的测定，结果与管式炉燃烧一碱石棉吸收重量法相符，相对标准偏差（RSD，n=10）为0.54%～0.71%，加标回收率为98%～101%。适用测量碳质量分数的范围为0. 10%～0. 30%。