河南化工 ・６２・ ＨＥＮＡＮ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０１０年第２７卷 球墨铸铁中碳硫的红外光谱分析法的改进 原志明，李红玉，王学瑞，李海鸣 （河南省机动车铸铁零部件产品质量监督检验站，河南林州４５６５６１） 摘要：采用红外线吸收法测定球墨铸铁中碳硫含量，分析了高频加热的特点，对取样方法进行了改进，并对分析 注意事项进行了总结。 关键词：球墨铸铁；碳；硫；分析 中图分类号：０６５７．３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３—３４６７（２０１０）０２—００６２—０２ 球墨铸铁为碳硅铁合金，在汽车行业中应用非 ， 、 …——分别为通过吸收池后出射光强 常广泛。一般碳含量在３．２０％～３．９０％，硫含量在 ０．０１％一０．１１％。在合金铸铁中，碳是以碳化物的 和对应的电信值； ——被测物质在特定波长Ａ条件下的吸光系 形态存在，球墨铸铁中以石墨单质形式存在。碳、硫 是确定钢铁产品规格和质量的重要元素。国内对球 墨铸铁中碳硫的测定方法主要有：红外光谱分析 法、气体容量法与燃烧一碘酸钾容量法和非水碳硫 分析等。本文主要论述红外线吸收法测定碳、硫的 数，它不随被测物质的浓度ｃ和光程（吸收池）长度 而改变； ｃ——被测气体的浓度； ——光程（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 原理、高频加热的特点、取制样方法和分析过程中的 吸收池长度时，由测量光强，。能换算出混合气体中 注意事项等。 被测气体的浓度。由于球墨铸铁是固体材料，因此 １红外检测原理 红外线吸收光谱法测定钢铁、非金属材料中碳 蔷 曩 釜 募 黧 、 硫的装置是集气体吸收池和高温加热炉（一般采用 高频感应加热炉）于一体的专用分析仪器。试样中 的碳（或硫）经高温加热熔化并在氧气中氧化生成 ＣＯ：或ＳＯ：气体，用红外光谱法对其含量作定量测 定。 ２高频加热的特点 当金属导体处在一个高频交变电场中并通过电 流时，根据法拉第感应定律，在金属导体表面将产生 强大的感应电流。由焦耳・楞次定律可知，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。频率愈高，感 应电流密度愈集中于导体的表面，即集肤效应愈严 ＣＯ 气体分子、ＳＯ 气体分子在红外光波段，具 有选择性吸收谱图。当特定波长的红外光通过ＣＯ 或ＳＯ 气体后，能产生强烈的光吸收，此吸收规律可 由朗伯～比耳定理定律得出： 重。有效的导电面积减小，电阻增大，从而使作为试 样的金属导体迅速升温，在富氧状态下使金属样品 ，０（＾】＝Ｉｉ…ＥＸＰ［ （入）ｃＬ］ 由于探测器是将光信号转换为电信号，当探测 器工作在线形区域内，则上式可改写为： ｖｏ…＝Ｖｉｆ＾］ＥＸＰ［Ｏ／（入）ｃＬ］ 式中： ｉ（＾】、Ｖｉ（Ａ）——分别为特定波长Ａ的入射 燃烧。 燃烧法测定钢铁碳硫，首先使试样完全燃烧，特 别是测定硫时，要以ＳＯ：形式测定，所以要使燃烧后 尽可能生成ＳＯ ，而减少ＳＯ 的生成，这主要取决于 加热温度。理论上讲，温度低于１ ３００℃时硫氧化 强度和对应的电信值； 收稿日期：２００９—１２—１４ 成ｓＯ，的比例大于１５％；而温度高于１ ５０Ｏ℃时， 作者简介：原志明（１９７１一），男，从事分析检测工作，电话：（０３７２）６８０８９６１。 第２期 原志明等：球墨铸铁中碳硫的红外光谱分析法的改进 ・６３・ Ｓ０。生成率小于３％。高频燃烧方法温度达１ ４００～ １ ６００℃。因此，红外光谱分析法测定碳硫与高频 感应燃烧方式联机进行，可以达到快速、准确的要 求。 ３制样方法的改进 分析碳、硫含量时，国家标准是用台钻钻取铁 屑，使用这些方法时，分析人员时常会遇到一些困 难。由于球墨铸铁中的碳和生铁、灰铁中的碳的存 在方式不同，是以石墨球的方式存在，这样钻速快时 不仅烧损碳，也非常容易造成石墨碳脱落，造成分析 上的误判，从而影响产品质量。 表１ 采用红外光谱分析碳硫含量数据 由表１可以看出，每次分析硫含量结果差别不 大，平行试验数据符合标准要求，但碳含量的分析结 果差别比较大。 结合我单位分析的特点，总结出了“总样分析 法”。“总样分析法”的核心是制样量全部用于分 析。以我单位的高频红外分析仪为例，分析试样一 次称０．２ ｇ，但我们制样时一般在１．０ ｇ左右，然后 把制取的样品全部进行分析，最后算取平均值。使 用该法需要注意：①制样前要去除表层，制样量不能 太少，否则没有代表性；②从制样到分析的过程，严 禁损失样品。采用总样分析法，提高了分析的准确 性，弥补了以往球墨铸铁总碳量分析结果严重偏低 及不稳定的缺陷。 ４分析过程中的注意事项 分析过程中应注意稳定和降低系统空白值、仪 器校准、环境要求。 ４．１稳定和降低系统空白值 坩埚在制造烧结及包装运输中，表面会残留碳 酸盐、硫酸盐、有机物和水分，因此在燃烧过程中会 分解出ＣＯ：、ＳＯ２和水气。ＣＯ 和ＳＯ 进入吸收池 会引起碳、硫分析结果偏高；而燃烧中排出的水气会 凝结在冷的气路管道中，水分会使ＣＯ：、ＳＯ 或ＳＯ 生成碳酸、亚硫酸和硫酸，吸附在气路管道内，又会 造成分析结果偏低。此外，如果水分随着分析气进 入吸收池又会因它的红外吸收波长与ｓＯ：接近，使 硫的测定结果偏高。总之，由于以上原因影响碳、硫 分析结果的准确性。ＧＢ／Ｔ２０１２３—２００６规定，坩埚 碳和硫的污染物可通过在空气中于１ ０００℃的温度 下灼烧不少于４０ ｍｉｎ、１ ３５０℃温度下灼烧不少于 １５ ｒａｉｎ除去。然后置于干燥器中冷却备用。测定低 含量碳硫时，如果没有专用的坩埚灼烧炉，或者临时 需要检测低碳、低硫样品时，可先在坩埚中称入与测 量试样时等量的助熔剂，用高频炉燃烧一次，冷却后 立即用于试样检测。这种坩埚也称为打底坩埚，所 得空白值比前一种更为稳定。试验结果表明，坩埚 灼烧处理后空白值显著降低。进行微量碳、硫测定 时助熔剂一般采用纯钨粒。使用前应消除其吸附的 杂质（如ＣＯ 、ＳＯ：、Ｈ Ｏ）。可将钨粒先放人烘箱内 加热至３００℃，保温１ ｈ，烘干后取出置于干燥器内 冷却，再放入磨口瓶内备用。平时养成钨粒取毕及 时盖好罐盖的习惯。在分析时，助熔剂量应保持一 致，可消除因助熔剂用量不同而导致空白不稳的影 响。 如怀疑氧气中含有有机污染物，在氧气进入仪 器气路系统前，将后端连接二氧化碳和水吸收剂的 氧化催化剂管加热至６ＯＯ ｏＣ，净化氧气。 ４．２仪器校准 作为准确的分析方法，要遵循以高校低原则，即 用基体组成一致的含量稍高的优质标样校准后，再 测含量稍低的试样。测定时应注意标准物质与试样 分析条件的一致性。 ４．３环境要求 环境温度和湿度对微量碳、硫试样分析的准确 度有影响。冬天温度较低时，发现低含硫量样品测 不出或严重偏低，可适当升高室温并连续烧几个废 样，使炉头温度升高再测试样，就能克服这一现象。 当环境湿度较高时，大气中水分会进入部分气 路且吸附在燃烧管壁上、不锈钢过滤网表面、简体表 面以及气路管道内表面等处，当试样燃烧放热时，它 就随着分析气一起进入试剂管或凝结在低温处，这 样，必然会影响分析精度。所以在测定碳、硫试样 时，要保持室温在２５℃左右，相对湿度小于６５％。 平时应把坩埚托升到上极限，使管道密封，防止大气 进入，装试样速度要快。 采用红外光谱分析球墨铸铁中碳硫含量，碳测 量范围为０．０００１％～１０．０００％，硫测量范围为 ０．０００１％～０．３５００％，可满足大多数场合的需要。
