高频红外碳硫分析技术及应用
翟金辉
（航天晨光股份有限公司检测中心 南京 211200）
【摘要】介绍了高频红外碳硫分析技术及国产仪器HW2000的工作原理，通过大量的试验，得出常用的压力容器用钢试样中的最佳分析条件，用此工艺分析上海钢铁材料研究院生产的高、低碳硫两种标准钢样，其结果均满足标准要求。
【关键词】高频红外碳硫分析仪；碳、硫；相对偏差
钢中碳主要是以碳化物形式存在，硫属于钢中的有害元素。在金属冶炼过程中，碳、硫均不可避免的流入钢材中，对钢材的性能产生重要的影响，因此，在金属材料诸多元素中，对碳硫的分析是至关重要的。在国家标准中，有多种分析碳硫的方法，如：燃烧重量法、库仑法、电导法、非水滴定法等。但这些方法均属于化学方法，需要大量的化学试剂和辅助设备，不仅工作效率较低，而且会受到分析人员的经验和水平的客观影响。所以，在国外，红外分析方法早已应用在碳硫元素的分析测定中。
根据生产对降低分析仪器和备品备件成本的需要，实现国产化的目标，用国产HW2000仪器对钢铁材料进行CS成分分析，经过两年多的试用，发现设备运行良好，分析结果的准确度和精度较高。
1.高频红外碳硫分析技术
高频红外碳硫分析技术是目前国内外应用最广的分析方式，此技术是指在高频感应炉的高温下，于氧气流中，加助熔剂燃烧试样，碳生成二氧化碳和一氧化碳，硫转化成二氧化硫，以红外吸收法测定氧气流中的碳硫化合物含量，进而转化为钢铁材料中碳硫元素的百分含量。
1.1高频加热原理
当金属导体处在一个高频交变电场中，根据法拉第感应定律，将在金属导体内产生感应电动势，由于导体的电阻很小，从而产生强大的感应电流。由焦耳－楞次定律Q＝IRt可知，交变磁场将使导体中电流趋向导体表面流通，引起集肤效应，瞬间电流的密度与频率成正比，频率越高，感应电流密度集中于导体的表面，即集肤效应就越严重。有效的导电面积减小，电阻增大，从而使导体迅速升温。采用此方式即可将钢样在短时内迅速加热并熔化。
1.2红外检测原理
CO2、SO2等气体分子在红外光波段，具有选择性吸收谱图，当某此特定波长的红外光通过CO2或SO2气体后，能产生强烈的光吸收，此吸收规律可由朗伯－比尔定律得出。
由于探测器是将光信号转换为电信号，当探测器工作在线性区域内，则上式可改写为：
式中： 、分别为特定波长λ的入射光强和对应的电信值。
、分别为通过吸收池后出射光强和对应的电信值。
为被测气体在特定波长λ的吸收系数。
C为被测气体的浓度。
L为吸收池的长度。
由上式可知，当选定某一特定波长并且确定了分析池长度时，由测量光强I0能换算出混合气体中被测气体的浓度，这就是红外吸收能定量测量气体浓度的基本原理。
2.HW2000工作原理
3.分析测试过程
3.1仪器及试样准备
3.1.1 HW2000高频红外碳硫分析仪，无锡英之诚公司生产，仪器使用AC 220V单相三线交流电源，配备5KVA净化交流稳压电源一台，保障电压波动小于±5％，频率波动小于±1％Hz；Sartorius电子天平，精度：0.0001g
3.1.2 载气：氧气纯度保证在95％以上。入口压力：×××××
3.1.3 选用上海钢铁材料研究所生产的标准钢样进行实验。
3.1.4 助熔剂选用40目的钨粒；将分析用的坩锅在1100℃的马弗炉内灼烧3h，自然冷却后放入干燥器内冷却保存备用。
3.2测试过程分析
3.2.1 压力容器用钢一般属于低碳钢，称样量的多少对分析过程和分析结果都有较大影响。称样量少，称量误差较大，称量结果对真实值影响较大；称样量太多，燃烧时样品容易飞溅，且试样熔融情况不佳，CO2和SO2的生成速度和释放速度都较慢，容易拖尾。通过大量试验，对比观察释放曲线，得出0.45g称样量效果最好。
3.2.2 助熔剂加入量的多少直接影响到试样的熔融情况和CS元素的释放程度，过少会影响试样熔融率，过多会加重氧气的能耗。经过多次试验，最后确定钨粒的加入量为1.55g左右。
3.3.3 最短分析时间与截止值是计算机用来判别何时应该结束分析的依据。分析的最终结果与释放曲线的面积积分成正比，有效的释放曲线面积对结果的影响非常重要。分析时间过长，对低含量分析来说，增加了无用的检测后，由漂移引起的误差机会就增加；分析时间过短，对高含量分析来说，有用的检测输出将会别排除在分析结果之外。因此，对于常用的压力容器用钢，分析时间设定在30秒，碳截止值设定在5左右，硫截止值设定在6左右。
3.3.4 在分析样品时，除样品材料外，参与分析的还有坩锅、助熔剂、氧气等，尽管在燃烧之前对参与分析的各种材料进行过不同的方法处理，但这些材料中仍然含有微量的碳、硫成分。另外，系统中吸附微量的CO2和SO2在分析过程中同样会释放出来。因此，需扣除空白值方可测量。
4.结果分析
分别用上海钢铁材料研究院生产的高、低碳硫两种标准钢样在HW2000上分别测试6次，测试结构如下表，从表中可以看出，其测试结果的精密度和准确度较高，可以满足生产测试的要求。
