钢中氧氮含量检测影响因素分析

摘" 要：该文对采用惰气-熔融法测定钢中氧氮含量的基本原理、检测过程及样品的制备过程和方法进行介绍。分析、探讨样品加工、检测过程，找出各个环节对检测结果稳定性造成影响的因素。通过对样品制备工艺的改善、设备状态等的优化，提高检测结果的准确性。为公司的产品研发、工艺调整提供数据支撑，同时也为产品质量把好关。

关键词：钢；样品加工；氧氮含量；惰气-熔融法；检测过程

中图分类号：TG142.1+5" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2023）19-0063-04

Abstract： In this paper， the basic principle， detection process， sample preparation process and method for the determination of oxygen and nitrogen in steel by inert gas-melting method are introduced. Analyze and discuss the process of sample processing and testing， and find out the factors that affect the stability of the test results. Through the improvement of the sample preparation process and the optimization of the equipment status， the accuracy of the test results is improved. This provides data support for the company's product research and development， process adjustment， and product quality.

Keywords： steel; sample processing; oxygen and nitrogen content; inert gas-melting method; detection process

沙钢集团有限公司理化检测中心成立于1984年，2004年通过中国合格评定国家认可委员会（CNAS）认可，主要负责全公司所有入厂原辅料、出厂产品、自来水及循环水水质、饮料、车间设备用油和各类抽样的检测，为入厂原材料及出厂产品的判定、贸易结算提供依据，以及为车间工艺调试、质量改进及时提供数据支撑。公司将所有的线材、管线钢、热轧带肋钢筋等产品的氧（O）氮（N）含量，作为产品质量的判定依据之一。理化中心检测钢中O、N含量所采用的设备为LECO公司的TC500、TCH600及HORIBA公司的EMGA-930氧氮分析仪等。在测定钢中氧氮含量时，设备的状态是否稳定，分析样品加工质量是否符合要求，检测人员操作是否规范等，均影响着检测结果的准确性。为了进一步提升检测结果的准确性和可靠性，特对检测样品制备工艺、检测设备状态等进行了优化。

1" 仪器设备

1.1" 仪器工作原理

LECO公司与HORIBA公司的氧氮分析仪工作原理基本相同，均采用脉冲惰气还原熔融法。将样品放在脱完气的高纯坩埚中，在超纯惰性气体（氦气）的气氛中高温熔融，样品中的氧被释放出来并与石墨坩埚中的碳反应生成一氧化碳（CO），经过净化系统净化后，一氧化碳（CO）再被催化剂（氧化铜）氧化成二氧化碳（CO2），随载气通过红外吸收池进行检测，计算得出氧含量。而样品中的氮则是以氮气分子（N2）的形式被释放出来，随载气进入热导池，利用与氦气的热导差所产生的电流强弱检测氮含量。

1.2" 相关条件和设备

南京和澳铣样机；南京和澳JQ-Ⅱ型气体剪切机；内、外高纯石墨坩埚；载气为He2（纯度99.999％），压力20 Psi；动力气为压缩空气压力40 Psi；无水乙醇（分析纯）；四氯化碳（分析纯）；纯锡助熔剂；滤纸；称量瓶；LECO TC500氧氮分析仪；梅特勒万分之一天平；GSB02-2463-2008轴承钢中氧、氮气体标准样品。

2" 测定结果的影响因素

2.1" 空白值

空白值的存在虽然是不可避免的，但是却可以通过提升检测参与物的纯度及设备的稳定性来减小空白值，或使得空白值相对稳定。而通常钢中O、N含量的空白值，取决于石墨坩埚的纯度、氦气的纯度、助溶剂的纯度及仪器的稳定性。表1记录了采用相同的仪器、石墨坩埚、氦气和助溶剂的条件下，仪器工作参数稳定前与稳定后空白值测定结果的对比。

通过表1可以看出，仪器稳定前的空白值标准偏差比仪器稳定后要高得多，分析偏差大；实际空白值（实际空白为稳定后，应趋向零）比空白值（稳定前）小很多，仪器未稳定将导致样品的检测结果误差增大；仪器稳定前相对标准偏差最高达到了27.778 3%，说明其再现性很差，仪器状态不具备测试条件。在试验时也发现，仪器稳定前的空白试验积分图很凌乱，常常会出现大负峰，或积分图一直处于积分状态，导致积分过程无法完成。主要原因是检测池还未稳定。

所以，在开展试验前需先打开设备并通氦气1 h以上，然后检测2次控样，这样可使仪器尽快进入稳定状态。等检测设备的各项参数均满足分析要求后，连续进行5次空白试验，并消除空白，再分析试样，这样可最大限度地避免空白值引起的误差。

2.2" 样品加工及分析前处理

样品加工及分析前处理是检测钢中氧氮含量必不可少的环节，样品的加工质量及前处理情况直接影响其检测结果。所有导致检测结果不稳定的因素中，最重要的一个因素是样品的制备。样品的制备及处理步骤分为：接收样品→对样品进行排序→铣样机加工成5" mm圆柱→抛光→用剪切机剪切成1g左右的样品 →浸泡于四氯化碳中去除污渍、油渍→干燥。该步骤通常由试样机加工人员与试验人员共同完成，试样机加工人员需完成接收样品→对样品进行排序→铣样机加工成5 mm圆柱→抛光，试验人员需完成接收样品→对样品进行排序→用剪切机剪切成1 g左右的样品→浸泡于四氯化碳或丙酮中去除污渍、油渍→干燥等步骤。本文对机加工质量及前处理方法分别开展了对比试验，见表2—4。

通过表2可以看出，样品粗糙度对氧含量的检测结果影响较大，粗糙度大不仅会使其再现性变差，还会导致其检测结果偏高，而粗糙度小的稳定性较好。同时发现样品的粗糙度对其氮含量的检测影响较小，基本可以忽略不计。分析粗糙度影响氧含量的原因有2个：一是由于样品加工过程中会发热，表面越粗糙越容易造成表面氧化，导致氧含量偏高；二是表面粗糙度越大的样品，其污渍、油渍清洗难度就越大，污渍、油渍清洗不干净将直接影响检测结果的准确性。

众所周知，四氯化碳的去污能力比无水乙醇要强。但通过表3、表4可以看出，采用无水乙醇和四氯化碳作为清洗液对样品进行清洗，当清洗时间为5 min、干燥时间也为5 min时，2种清洁方式检测结果差异并不大，其稳定性均较好。说明采用无水乙醇作为清洗剂时，只要其清洗方式得当，清洗时间足够，清洗后充分干燥，其清洗效果是可以满足检测需求的。但由于四氯化碳对人体的伤害比无水乙醇要大，故推荐选用无水乙醇进行清洗。需要说明的是，沙钢集团有限公司理化检测中心加工的样品均较为清洁，清洁难度不大，若因样品加工工艺的差异，使得样品污染较为严重，则在清洗样品时，应视其样品的污染程度，适当增加清洗时间或辅以超声波清洗机进行清洗。

2.3" 仪器分析过程的控制

2.3.1" 气体净化系统

为确保检测结果的准确有效，氧氮分析仪中配备了载气，分析气体的净化、过滤装置，会用到纯铜丝（粒）、氧化铜、无水高氯酸镁和碱石棉，分别起到净化载气（除载气中的氧）、氧化一氧化碳、吸收水分和吸收二氧化碳的作用。同时圆盘过滤器、微粒过滤器对分析气体中的粉尘进行过滤，防止粉尘进入检测池，影响检测精度。当这些试剂失效或过滤器效果不佳时，将直接导致检测结果失准。故需每天检查试剂及过滤器的有效性，当纯铜丝（粒）变黑、氧化铜变红、高氯酸镁结块、碱石棉变白和过滤器变黑时，需及时更换。

2.3.2" 分析方法的设置

正确设置设备分析方法，是获得准确稳定数据的必备条件。以TC500氧氮分析仪为例，在设置分析方法时影响检测结果的参数有：脱气功率、脱气时间、分析功率、分析延迟时间和最小分析时间等。只有将各参数设置在合理区间，才能获得准确有效的结果。例如，分析功率在设置时应考虑样品的熔点，通常钢样的分析功率设置为5 000 kW，其脱气功率及脱气时间的设置则应考虑坩埚中杂质气体完全脱离或在样品分析时不被释放出来，故设置脱气功率时应比分析功率高出500 kW，脱气分2次完成，每次脱气时间为10 s。分析延迟时间可理解为设备建立基线所需时间，时间太短会导致基线不准检测结果偏离，时间过长则增加分析时间，影响分析效率，通常设置为25～30 s为佳。最小分析时间是氧含量或氮含量完成积分最少用时，积分时间太长会增加分析时间，积分时间不够则导致部分测量数据被获得。通过实验，通常将钢样氧含量的最小分析时间设置为25～30 s，氮含量的最小分析时间设置为45～50 s。

3" 检测结果

表5为设备完全稳定以后，检测的空白值基本趋向0时，将样品粗糙度Ra等于1.0的样品经无水乙醇清洗5 min后干燥，仪器分析方法合理设置后，对标准物质和随机抽取的样品所测定的结果。

通过以上检测数据可判断，标准物质检测结果满足其允许误差要求，说明设备的状态比较稳定，分析曲线线性较好。而随机样品的检测数据重现性也很好，偏差均在正常范围之内，说明采用该方法较适宜。

4" 结论

影响钢中氧氮含量检测结果准确性的因素有：样品的加工质量、样品的清洗方式、设备的稳定性、试剂的有效性及分析方法的设置等。通过对设备状态的控制，以及对样品制备质量及前处理方法的改善，检测结果的稳定性得到了保证，能够满足实际工作需要，为公司生产工艺的调整、产品判定提供准确可靠的依据。

参考文献：

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作者简介：郭勇刚（1985-），男，工程师。研究方向为应用化学。