Разработка и применение металлов и их композиционных материалов часто требуют эффективного контроля и точного определения содержания углерода и серы. Углерод в металлических материалах в основном существует в виде свободного углерода, углерода в твердом растворе и связанного углерода, а также газообразного углерода, науглероживания и органического углерода с покрытием для защиты поверхности.
В настоящее время методы анализа содержания углерода в металлах в основном включают метод сжигания, эмиссионную спектрометрию, газоволюмометрический метод, метод титрования неводным раствором, метод инфракрасной абсорбции и хроматографию. Поскольку каждый метод измерения имеет определенную область применения, а на результаты измерений влияет множество факторов, таких как форма углерода, возможность полного выделения углерода при окислении, холостое значение и т. д., один и тот же метод имеет определенную степень точности в разных случаях. разница. В этой статье рассматриваются современные методы анализа, обработка проб, используемые инструменты и области применения углерода в металлах.
1. Метод инфракрасного поглощения
Метод инфракрасного поглощения горения, разработанный на основе метода инфракрасного поглощения, представляет собой специальный метод количественного анализа углерода (и серы).
Принцип заключается в сжигании образца в потоке кислорода для получения CO2. При определенном давлении энергия СО2, поглощающего инфракрасные лучи, пропорциональна его концентрации. Следовательно, можно рассчитать изменение энергии газообразного CO2, протекающего через поглотитель инфракрасного излучения, для расчета количества углерода.
картина
Принцип метода сжигания инфракрасного поглощения
В последние годы технология инфракрасного анализа газа быстро развивалась, а также быстро появлялись различные аналитические приборы, использующие принципы сжигания высокочастотного индукционного нагрева и поглощения инфракрасного спектра. При определении содержания углерода и серы методом высокочастотного сжигания в инфракрасном диапазоне обычно следует учитывать следующие факторы: сухость образца, электромагнитная индуктивность, геометрический размер, размер образца, тип, пропорция, последовательность добавления и количество флюса, настройка. пустого значения и т. д.
Метод имеет преимущества точной количественной оценки и меньшего количества помех. Он подходит для пользователей, которые предъявляют высокие требования к точности содержания углерода и имеют достаточно времени для испытаний в производстве.
2. Эмиссионная спектроскопия
Когда элемент возбуждается теплом или электричеством, он переходит из основного состояния в возбужденное состояние, а возбужденное состояние самопроизвольно возвращается в основное состояние. В процессе возврата из возбужденного состояния в основное будут высвобождаться характерные спектральные линии каждого элемента, и по интенсивности характерных спектральных линий можно будет определить содержание.
картина
Принцип эмиссионного спектрометра
В металлургической промышленности в связи со срочностью производства необходимо анализировать содержание всех основных элементов в топочной воде за короткий промежуток времени, а не только содержание углерода. Искровые эмиссионные спектрометры прямого считывания стали лучшим выбором в отрасли благодаря их способности быстро получать стабильные результаты. Однако этот метод предъявляет особые требования к подготовке образцов.
Например, при анализе образцов чугуна методом искровой спектрометрии требуется, чтобы углерод на поверхности анализа существовал в виде карбидов, а свободный графит отсутствовал, иначе это повлияет на результаты анализа. Некоторые пользователи используют преимущества быстрого охлаждения и отбеливания образцов из тонких срезов, и после того, как образцы превращены в тонкие срезы, содержание углерода в чугуне определяется с помощью искрового спектроскопического анализа.
При анализе линейных образцов из углеродистой стали с помощью искровой спектрометрии образцы должны быть обработаны строго, и образцы должны быть помещены на искровой стенд «вертикально» или «плоско» с небольшими приспособлениями для анализа образцов для анализа, чтобы повысить точность анализа.
3. Метод рентгеновского излучения с дисперсией по длине волны.
Анализаторы рентгеновского излучения с дисперсией по длине волны могут быстро и одновременно определять несколько элементов.
картина
Принцип работы рентгенофлуоресцентного спектрометра с дисперсией по длине волны
При возбуждении рентгеновскими лучами электроны во внутреннем слое атомов измеряемого элемента претерпевают переходы энергетических уровней и испускают вторичное рентгеновское излучение (то есть рентгеновскую флуоресценцию). Рентгенофлуоресцентный спектрометр с дисперсией по длине волны (WDXRF) использует кристалл для разделения света, а затем детектор получает дифрагированный характеристический рентгеновский сигнал. Если спектроскопический кристалл и детектор движутся синхронно и постоянно изменяют угол дифракции, можно получить длину волны характеристического рентгеновского излучения, создаваемого различными элементами в образце, и интенсивность рентгеновского излучения каждой длины волны, а также качественный и количественный анализ. можно провести соответственно. . Этот прибор был произведен в 1950-х годах и привлек внимание тем, что может одновременно измерять несколько компонентов в сложных системах. Особенно в геологическом отделе этот прибор был последовательно оснащен, и скорость анализа была значительно улучшена, что сыграло важную роль.
Однако из-за большой длины волны характеристического излучения углерода легкого элемента и низкого выхода флуоресценции в тяжелых матричных материалах, таких как сталь, поглощение и ослабление характеристического излучения углерода матрицей очень велико и т. д., что часто вызывают определенные проблемы при рентгенофлуоресцентном анализе углерода. трудность. Кроме того, при измерении углерода в стали с помощью рентгенофлуоресцентного прибора, если непрерывно измерять поверхность шлифованного образца 10 раз, можно обнаружить, что значение содержания углерода постоянно увеличивается. Поэтому применение этого метода не так обширно, как первых двух.
4. Метод титрования неводным раствором
Неводное титрование — это метод проведения титрования в неводном растворителе. Этот метод может сделать некоторые слабые кислоты и слабые основания, которые нельзя титровать в водном растворе, можно титровать после выбора подходящего растворителя для повышения их кислотности и щелочности. Угольная кислота, образующаяся при растворении СО2 в воде, имеет слабую кислотность и может быть точно оттитрована подбором различных органических реагентов.
Ниже приводится широко используемый неводный метод титрования:
① Образец сжигается при высокой температуре в электродуговой печи для сжигания в сочетании с анализатором углерода и серы.
② Газообразный диоксид углерода, выделяющийся при сгорании, поглощается раствором этанол-этаноламин, и диоксид углерода реагирует с этаноламином с образованием относительно стабильной 2-гидроксиэтиламинкарбоновой кислоты.
③ Неводное титрование с использованием КОН.
Реагенты, используемые в этом методе, ядовиты, длительное воздействие отрицательно скажется на здоровье человека, и он сложен в эксплуатации, особенно при высоком содержании углерода, раствор должен быть предварительно задан, и если вы не будете осторожны, уголь потечет. далеко, и результат будет низким. Реагенты, используемые в методе неводного титрования, в основном легко воспламеняются, а эксперимент включает в себя высокотемпературный нагрев, поэтому оператор должен иметь достаточные знания о безопасности.
5. Хроматография
Детектор пламенной атомизации в сочетании с газовой хроматографией, образец нагревается в водороде, а затем выделившиеся газы (такие как CH4 и CO) обнаруживаются с помощью детектора пламенной атомизации-газовой хроматографии. Некоторые пользователи используют этот метод для проверки следовых количеств углерода в высокочистом железе, содержание которого составляет 4 мкг/г, а время анализа составляет 50 минут.
Этот метод подходит для пользователей с чрезвычайно низким содержанием углерода и высокими требованиями к результатам испытаний.
6. Электрохимический метод
Пользователь ввел использование потенциометрического анализа для определения низкого содержания углерода в сплаве: после окисления образца железа в индукционной печи для анализа и измерения газообразных продуктов использовалась электрохимическая концентрационная ячейка, состоящая из твердого электролита на основе карбоната калия. тем самым определяя концентрацию углерода. Этот метод особенно подходит для определения очень низких концентраций углерода, а точность и чувствительность анализа можно контролировать, изменяя состав эталонного газа и скорость окисления образца.
Практическое применение этого метода встречается редко, и большинство из них остаются в стадии экспериментальных исследований.
7. Метод оперативного анализа
При рафинировании стали часто необходимо контролировать содержание углерода в расплавленной стали в вакуумной печи в режиме реального времени. Ученые в металлургической промышленности представили пример оценки концентрации углерода с использованием информации о выхлопных газах: использование потребления кислорода в вакуумном контейнере в процессе вакуумного обезуглероживания, концентрации и скорости потока кислорода и аргона для оценки содержания углерода в расплавленной стали.
Есть также пользователи, которые разработали метод быстрого измерения следов углерода в расплавленной стали и связанных с ним приборов и устройств: газ-носитель вдувается в расплавленную сталь, и содержание углерода в расплавленной стали оценивается по окисленному углероду в носителе. газ.
Подобные методы онлайн-анализа подходят для управления качеством и контроля производительности в процессе производства стали.
