氧氮分析仪测定钢铁中氧氮含量

李冰哲

摘要：钢中的氧主要来源于炼钢过程中转炉顶部吹氧，氮主要来源于炼钢过程中转炉底吹氮和从空气中吸入并溶解的氮。对于氧、氮、氢的含量多少对钢铁材料性能影响较大，因此材料中氧氮氢含量的测定分析技术对钢铁行业的发展意义重大。

关键词：钢铁；氧氮氢含量；测定分析

钢中氧氮对钢的性能和质量有着明显的影响。由于氧化物残留在钢中分布在晶界上 ,从而隔离基体 ,降低钢材抗拉和冲击等机械性能 ,高温下还会发生热脆现象。过量的氮降低钢的韧性和导磁率 ,而适量的氮在钢中能促进晶粒细化,起到提高钢的强度和硬度的作用。为了更加精确地掌握冶炼过程中氧氮元素含量的变化情况，控制产品质量，钢铁生产企业普遍在钢铁冶炼过程中开展氧氮含量分析和监控工作。

一、慨述

1、红外吸收热导法。红外吸收热导法是目前使用较为广泛的钢铁材料测定氧氮氢含量的方法，该方法采用脉冲电极将钢铁材料快速溶解于石墨坩埚中，在测定中，将氧元素转化为二氧化碳，然后在氦气作为载气的条件下，使用红外吸收法测定二氧化碳的含量 ；将氮元素转化为氮气，采用热导法测定氮气的含量 ；将氢元素转化为氢气，然后在氩气作为载气的条件下，使用热导法测定氢气的含量，通过计算分别得到氧氮氢三元素的含量。此方法不易实现氧氮氢三种元素的联测，但在氧氮联测、氧氢联测方面的技术较为成熟。

2、质谱法。质谱法测定钢铁材料中的氧氮氢含量是目前界内较热的研究方向，该方法与其他测定方法不同，质谱法是先将钢铁材料高温熔融后，对液态钢铁材料进行氧氮氢含量测定[1]。我国钢铁采用飞行时间质谱作为检测突破口，在研发脉冲熔融 -飞行时间质谱氧氮氢联测仪方面已经取得初步进展，采用这种仪器，理论上可以在一分钟内实现氧氮氢三种元素含量的联测分析。

二、红外吸收热导法测定钢铁材料中氧氮氢含量

1、实验方法

光谱级石墨坩埚 ；套坩埚 ；锡片，规格为 0.5g 每片 ；高纯氮气，含量大于 99.999% ；高纯氦气，含量大于 99.999% ；工业级氮气。

（1）氧氮元素联测。红外吸收热导法，在实验时，首先将钢铁材料加入光谱级石墨坩埚，然后用脉冲加热炉的正负电极对光谱级石墨坩埚加热升温，熔化钢铁材料，在熔融状态下，钢铁材料中的氧元素转化为一氧化碳（含少量二氧化碳），氮元素转化为氮气，氢元素转化为氢气，然后以混合气体的形式在高纯氦气（含量＞ 99.999%）作为载气的条件下，通过高温状态的稀土氧化铜，将混合气体中的一氧化碳转化为二氧化碳，氢气转化为水，经过净化装置后做干燥处理，变为二氧化碳和氮气的混合气体。然后用红外吸收法测定二氧化碳含量，在热导检测池中测定氮气含量，通过计算得出钢铁材料中的氧氮含量。

（2）氢元素测定。实验前期步骤相同，在得到一氧化碳（含少量二氧化碳）、氮气和氢气的混合气体后，在高纯氮气（含量＞99.999%）作为载气的条件下，不再经过高温稀土氧化铜，而是直接经过净化装置后做干燥处理，在热导检测池中测定氢气含量，通过计算得出钢铁材料中的氢含量。

2、影响因素

（1）高温加热对钢铁材料中氢释放的影响。使用脉冲加热炉对光谱级石墨坩埚加热，是影响氢含量测定的一项重要因素。①脱气功率，脱气功率较小时，易造成基线不稳定 ；脱气功率较大时，易造成助溶剂的飞溅现象，影响氢含量测定的准确度，实验数据表明，最佳脱气功率为 2500W。②分析功率，分析功率较小时，加热升温慢，钢铁材料中氢元素释放不彻底，导致测定结构偏小 ；分析功率较大时，同样会造成助溶剂的飞溅，其他杂质的气化，还会造成对氢的吸附，影响最终测定结构的准确度，实验数据表明，最佳分析功率为 2300W。

（2）石墨坩埚对氢释放的影响。做了标准坩埚和套坩埚对比实验，通过实验结果对比分析了对氢释放的影响。在其他条件相同情况下，标准坩埚底部温度高，可以将钢铁材料中的氢元素快速释放出来，在检测图谱中，峰形窄而尖 ；套坩埚受热比较均匀，因此钢铁材料中氢元素释放速度较慢，在检测图谱中，峰形较为平缓，总体来说，在对标准样品 LECO 502-416 和 LECO 501-646 进行氢元素检测时，结果表明，两种坩埚对测定值的大小影响不大，但套坩埚的测定结果精度更高一些，本公司用的就是石墨套坩埚。

3、技术。红外吸收热导法测定钢铁材料中氧氮氢含量技术，在传统红外测定技术的基础上，通过增加氧氮分析模式和氢分析模式，实现了氧氮氢三种元素的快速分析，并且测定结果可靠，灵敏度和精度都有较大进步，可以在钢铁材料的生产现场推广应用。

三、质谱法测定分析钢铁材料中的氧氮氢含量

1、实验方法。将钢铁材料样品加入石墨坩埚中，然后把石墨坩埚放入脉冲熔融炉膛中，由脉冲电极给熔融炉膛加热升温，钢铁材料在熔融状态下，释放出氧氮氢元素，这些元素在石墨坩埚中发生化学反应，氧元素转化为一氧化碳含少量二氧化碳，氮元素转化为氮气，氢元素转化为氢气。混合气体经过净化装置后，在高纯氦气作为载气条件下，经直流扩散式毛细管进入飞行时间质谱检测器中，在此检测器内，混合气体被电离，以离子的形式被加速后进入检测器，检测器根据离子飞行时间的长短，采集信号并处理分析，以图谱的形式表现出各离子的含量，选取C+(m/z 12) 作为氧元素的质谱分析谱线，N+( m/z 14) 作为氮元素的质谱分析谱线，H2+ 作为氢元素的质谱分析谱线，然后由分析系统自动确定钢铁材料中氧氮氢的测定含量。使用该种测定方法，可在 2min 的时间内实现氧氮氢三种元素的单次联测，是目前较为先进的检测方法。

2、信号采集及处理。PMA1000 脉冲熔融一飞行时间质谱气体元素分析仪采用频率为 2.5G／s 的时间 - 数字转化器采集检测器中的离子碎片电信号，并记录离子强度随时间的变化曲线，及脱气曲线。在进行信号处理时，要注意干扰扣除对信号采集的影响，如一氧化碳双电荷离子（CO++）对氮离子（N+）的干扰。在测定钢铁材料中氧氮氢含量时，因混合气体中同时包含一氧化碳和氮气，因此在离子碎片中同时包含一氧化碳双电荷离子（CO++）和氮离子（N+），此时，需要根据一氧化碳双电荷离子（CO++）和碳离子（C+）的线性方程，计算得到一氧化碳双电荷离子（CO++）的离子强度，在扣除此离子强度后，可得到氮离子（N+）的净离子强度，进而得到钢铁材料中氮元素的准确含量。

3、技术。质谱法测定钢铁材料中氧氮氢含量技术，采用脉冲熔融、电离气体分子与质谱检测器结合检测的方法，实现了氧氮氢三种元素的单次联测，该技术方法与红外吸收热导法相比较，通过对标准样品 LECO 502-457 和LECO 502-416 进行测定分析，结果表明，质谱法灵敏度高、分析时间短（2min）、分析系统简单，并且测定结果一致，因此，该方法可以作为未来固体金属材料中气体含量测定分析的发展方向。

随着钢铁行业的发展，对钢铁材料及其他金属材料、合金材料中氧氮氢含量的测定分析技术水平要求越来越高，现行的分析技术大多存在分析时间长、分析仪器结构复杂、操作不方便等问题，质谱法在这一方面取得的突破，有望成为氧氮氢含量测定技术的发展方向。

参考文献：

［1］ 李云龙． 钢中氧氮含量测定结果不稳定原因分析及解决方法［J］． 天津冶金，2018( 6) : 48-62．

［2］ 朱跃进，李素娟，邓 羽． 样品制备对金属中微量氧、氮、氢分析结果的影响［J］． 冶金分析，2018，28( 8) : 40-43．