杨志强 宋鹏心 刘卫平 李 铁

近年来，铁矿石价格不断攀升，钢铁企业迫于成本压力，纷纷对出炉物料除尘灰进行二次利用，通常的做法是先对除尘灰进行有害元素处理，处理合格后将其配加在烧结矿中[1-3]。但是，高炉的大型化对原燃料质量的要求更高，这就造成了原燃料质量下降和高炉大型化的矛盾。

对除尘灰的各组分进行准确测定是有效利用除尘灰的基础。除尘灰主要包括重力除尘灰、干法除尘灰、旋风除尘灰和炉前除尘灰4种。除尘灰的主要成分为铁和碳，其中碳含量为10%～40%，准确测定碳含量无疑对有效利用除尘灰具有十分重要的意义。

对于碳的测定，经典方法为烧碱石棉吸收重量法[4]，该方法具有准确度高和溯源性好的优点，但缺点是分析过程冗长，时间上不能满足现代科研和生产的需求。目前，高频燃烧红外吸收法[5-6]测定碳含量已被钢铁冶金行业广泛采用，该方法具有准确度高、操作方便和分析速度快等特点。高频燃烧红外吸收法是一种相对的分析方法，该方法需要用合适的标准样品对结果进行校正，否则会使测定结果产生较大偏差。但目前市场上根本没有除尘灰的标准样品，因此需要针对该问题找出一种适合的利用高频燃烧红外吸收光谱对除尘灰中碳含量的测定方法，保证测定结果准确、可靠。为此，本文对除尘灰中碳的分析方法进行了试验和探讨，通过试验，选择合适的助熔剂加入量和加入顺序等，获得测定的最佳条件，采用分别加入不同量的基准Li2CO3，将其加入量折算到碳含量上，应在10%～40%之间，测定它们的红外吸收能，采用多点校正方式绘制校准曲线。对除尘灰样品的测定结果表明，该方法准确可靠，完全可以满足实际生产测定需要。

1.试验部分

1.1 主要仪器与试剂

试验用主要仪器包括CS-200型高频红外碳硫分析仪和烘箱。其中，CS-200型高频红外碳硫分析仪由美国LECO公司生产；烘箱由天津中环试验电炉有限公司生产，温度可以控制在（105±2）℃。

试剂包括基准Li2CO3、助熔剂、干燥剂和催化剂。其中，助熔剂包括纯铁（99.8%）、钨粒（99.8%）和锡粒（99.95%）；干燥剂为粒状无水高氯酸镁和粒状烧碱石棉；催化剂为镀铂硅胶。

载气为氧气，纯度大于99.95%；动力气为氮气，纯度大于99.5%；坩埚规格为Φ25mm×25mm，预先于1200℃高温灼烧4h。

1.2 试样

按照GB2008—1987《散装氟石取样、制样方法》制备试样。试样使用前需在105℃～110℃的烘箱中烘干2h后，置于干燥器中冷却至室温，备用。

1.3 仪器工作条件

仪器工作条件如下：

氧气流量：3.0L/min；最短分析时间：40s；预吹氧时间：5s；碳比较水平：1。

1.4 试验方法

1.4.1 绘制校准曲线

红外碳硫分析仪一般具有固定的工作曲线，根据试样品种的不同和测定元素含量的高低，选用不同的标准样品来校准工作曲线。对于没有标准样品的试样，一般选择纯物质进行校准。

除尘灰因为没有标准样品，因此本文采用纯物质校准，分别称取不同质量的基准Li2CO3，置于预先处理过并铺有0.6g纯铁的坩埚中，再覆盖0.2g锡粉和1.3g钨粉作为碳标准系列。然后测量配制的碳标准系列，每次测量前均需手动输入0.1000g的称样量，以碳含量与红外吸收强度的对应关系绘制校准曲线，检查校准曲线线性。

1.4.2 样品测定

在预先处理的去除皮重的坩埚中，按如下顺序和加入量加入助熔剂和试样：0.6g纯铁—0.1000g试样—0.2g锡粉—1.3g钨粉。用红外碳硫仪按自动方式进行分析，测得样品中的碳含量。

2.结果与讨论

2.1 称样量的选择

通过控制称样量，使仪器在测量范围内工作。除尘灰中碳含量很高，称样量过大时，红外吸收信号会超出仪器的测量范围；称样量过小时，称量误差将会增大，导致准确度大显著降低。综合考虑，采用0.1g的称样量比较合适。

2.2 助熔剂种类、加入量及加入顺序的选择

助熔剂不仅具有增加样品中导磁物质和提高燃烧温度的作用，还具有增加样品流动性和稀释样品的作用[7]。通常添加的助熔剂种类有铁粉、锡粉和钨粉。助熔剂的加入量不宜过大，理想的试验是以较少的加入量得到最准确的测定结果。

2.2.1 铁粉加入量

除尘灰导磁性差，加入铁粉可增加样品的导磁性。不加或加入量过小，样品在高频感应时将无法燃烧，因此一般铁粉加入量约为0.6g。

2.2.2 锡粉加入量

加入锡粉可增加样品的流动性。加入量低于0.1g时，达不到加入的目的；加入量高于0.3g时，锡粉燃烧后产生的粉尘较大，易喷溅，样品测定的重复性不好，因此一般锡粉加入量约为0.2g。

2.2.3 钨粉加入量

钨粉可以提高样品燃烧温度，覆盖样品，防止喷溅。加入量过小时无法将试样完全覆盖，样品易喷溅，因此一般钨粉加入量约为1.3g。

试验结果表明，助熔剂和试样的最佳加入顺序为纯铁—试样—锡粉—钨粉，这样的加入顺序可以使试样较好地包夹在助熔剂里，不仅使样品的燃烧效果好，喷溅很小，且测定结果的稳定性也更好。

2.3 分析时间和比较水平的选择

当分析时间大于45s时，属于无效分析，人为地延长了分析时间；当分析时间小于40s时，对于部分样品来说，可能会有一定的损失，所以分析时间选择为40s。

比较水平表示的是仪器将在强度信号降低到最高峰值的百分之几处结束测定。除尘灰的碳含量很高，即使将比较水平设定为1，仪器也能很好地识别。如果比较水平设定较高，可能造成测定过早结束，结果偏低[8]。因此，比较水平设定为1。

2.4 基准物质的选择

有研究者使用蔗糖作为含碳基准物质[9]，但无机物与有机物比较，一般认为无机物的化学性质更稳定，因此在钢铁冶金行业选择基准物质时，大多选择无机物质。由于除尘灰中碳含量很高，选择碳酸盐来配制碳标准系列时，分子量越大，需要称取的质量就越大。从天平称量的角度考虑，称取试样量越大，称量误差越小，越有利于减小整体试验误差。但从测定的角度考虑，在进行高频燃烧试验时，称样量过大会使助熔剂无法很好地将试样包夹在内，从而造成燃烧喷溅，污染仪器，并使测定结果不准确。综合考虑，后者对测定试验的影响更主要。因此，BaCO3或Na2CO3等分子量较大的物质就不宜选择，分子量最小的碳酸盐是Li2CO3，因此选择基准Li2CO3比较适合[10]。

2.5 校准曲线的绘制

试样测定的称取量为0.1g，因此在碳标准系列中将基准Li2CO3的称取量也假定为0.1g，并将基准Li2CO3的实际称取量折算为碳含量，结果见表1。

表1 碳标准系列

调试好仪器后，对碳标准系列样品进行逐一测定，每个样品测定3次，拟合并绘制校准曲线，得到校准曲线的相关系数r为0.9994，说明线性关系良好。

2.6 精密度试验

选取3种不同碳含量区间的除尘灰样品，按照本方法分别测定11次，考察方法的精密度，结果见表2,可见，相对标准偏差均在0.25%～0.89%之间，表明方法的精密度良好。

表2 碳含量测定结果 %

2.7 准确度试验

为了验证方法的准确度，按照GB6730.51—1986《铁矿石化学分析方法烧碱石棉吸收重量法测定碳酸盐中碳》对上述3种样品进行测定，与本法的测定结果进行比对，结果见表3。

表3 本法和重量法比对结果 %

由表3可见，本法的测定值与GB6730.51—1986《铁矿石化学分析方法烧碱石棉吸收重量法测定碳酸盐中碳》的测定结果进行比对，差值不超过0.336%，准确度良好，可以满足常规分析需要。

3.结语

除尘灰中碳含量很高，为测定其碳含量，利用高频燃烧红外碳硫分析仪，通过加入不同量的基准Li2CO3，其加入量按碳含量计算，应在10%～40%之间，测定它们的红外吸收能，采用多点校正方式绘制校准曲线。对3种不同碳含量的除尘灰样品进行了11次测定，相对标准偏差均在0.25%～0.89%之间，表明方法的精密度较好。与GB6730.51—1986《铁矿石化学分析方法烧碱石棉吸收重量法测定碳酸盐中碳》的测定结果进行比对，差值不超过0.336%，准确度较好，可以满足常规分析需要。本方法很好地解决了除尘灰没有标准样品的问题，也为高含量碳和硫的测定提供了思路。

参考文献略