刘 娜，李 云

（江西铜业铅锌金属有限公司，江西 九江 332500）

关键字：高频红外碳硫分析仪；基夫赛特炉；进出口物料；碳

目前，铅的生产主要采用火法冶炼。火法炼铅可分为传统炼铅法和直接炼铅法。传统炼铅法主要为“烧结-鼓风炉熔炼”。由于工艺简单﹑运行稳定等优点被广泛采用。目前，“烧结-鼓风炉熔炼”工艺生产的粗铅占世界铅产量的70%～80%，是世界上最主要的铅冶炼方法，我国的粗铅生产也大多沿用此法[1]。

随着国家对环保﹑绿色冶炼﹑能源消耗要求的提高，“烧结—鼓风炉熔炼”法的能耗高﹑产出烟气中SO2浓度低﹑劳动条件差等缺点日益凸显。自20世纪70年代以来，虽进行了一系列的改造，但未能从根本上解决能耗高﹑污染大﹑作业环境差等问题。目前，新建的铅冶炼厂大都采用直接炼铅法来生产，直接炼铅法主要包含闪速熔炼和熔池熔炼。闪速熔炼包括基夫赛特法和奥托昆普法，熔池熔炼包括富氧底吹﹑富氧顶吹﹑富氧侧吹熔炼法。直接炼铅法取消了铅精矿的烧结过程，采用铅精矿直接入炉熔炼。与传统的“烧结-鼓风炉熔炼”法相比，直接炼铅法具有流程短﹑烟气SO2浓度高﹑自动化水平高﹑能耗低﹑环保和职业卫生水平高等优点。江西铜业铅锌金属有限公司为中国首次引进基夫赛特炼铅工艺的冶炼厂，基夫赛特炼铅法是将闪速氧化熔炼与电热还原熔炼结合为一体的现代炼铅技术。

基夫赛特法的优点有：原料适应性强，除了能处理不同铅含量的的硫化矿或氧化矿，还能处理含铅烟尘及锌湿法冶炼渣料；主要金属回收率高，能够直接生产品位高98%～99%的粗铅，综合回收效果较好；炉子生产率高。精矿的直接熔炼取代了传统的氧化烧结焙烧与鼓风炉还原熔炼两大过程，生成工序减少，流程缩短，实现自动化操作和控制，劳动生产率高；炉体寿命长，大约为3～4年，后续维修成本低；能耗低，烟尘率约为5%～7%，烟尘可直接返回炉内冶炼，每吨粗铅综合能耗约为0.35t标煤[2]。基夫赛特法的缺点是对进口物料的水分含量要求较高，需干燥至含水l%以下，同时为了提高反应的效率和物料传输效率，粒度须球磨至200目以下。

碳（Carbon）是一种非金属元素，化学符号为C，在常温下具有稳定性，不易反应﹑

位于元素周期表的第二周期IVA族。碳既能以游离态存在，如金刚石﹑石墨，也能以化合物形式存在，如碳酸钙﹑碳酸镁等及碳酸氢钙﹑碳酸氢镁等，同时自然界存在大量的有机物，均含有碳元素。空气中微量但纪委重要的二氧化碳气体，参与生态圈的碳循环，也是碳元素存在的形式之一。工业上，焦炭﹑炭黑和活性炭这三种形式的碳被大规模运用于冶金﹑橡胶﹑污水处理等领域[3]。

目前，针对不同含量段﹑不同物料中碳元素测定，常用方法有非水溶液滴定法﹑重

量法﹑火花源光谱法﹑气体容量法及红外吸收法等[4]。影响测定准确度的因素主要是氧化和释放过程的程度﹑空白值﹑碳的存在形式﹑吸收载体等[4]。红外气体分析技术因准确度高﹑稳定性好﹑检出限低﹑具有优良的选择性等优点，发展速度快，应用广泛，特别在超低碳含量的测定方面有明显的优势。

无锡创想分析仪器有限公司制造HW2000型高频红外碳硫分析仪，是集光﹑机﹑电﹑计算机﹑分析技术等于一体的高新技术产品，总体结构包含红外检测系统﹑高频感应燃烧炉﹑计算机﹑打印机﹑电子天平五个部分，能够准确﹑快速测定矿石﹑合金﹑有色金属及其它材料中碳﹑硫元素。仪器的智能化﹑屏幕显示的图文及数据的采集处理等都达到了目前国内外先进水平，是诸多行业测定碳﹑硫元素的理想分析设备。仪器通过将装有试样的瓷坩埚进入高频感应加热炉内，封闭气路后，仪器自动进行“分析”，燃烧试样之前通过吹氧，使整个管路充满纯氧（纯氧不吸收任何波长的红外光），使得燃烧过程更加彻底，碳硫的释放更充分。当吹氧过程结束后，即打开高频感应燃烧炉，在富氧条件下，试样达到充分燃烧，释放出二氧化碳和二氧化硫混合气体。通过载气的作用，混合气体通过气路系统到达硫吸收池和碳吸收池，此时相应探测器上测得的信号分别为被测气体吸收后的电信号值，这些电信号值被放大，经前处理后输入对应的A/D芯片，它转换以每秒13次的测量速度，将所测的全部数据输入计算机，通过公式换算出被测气体的瞬时浓度，测量结束后将整个燃烧过程的浓度累计，经计算机处理后得到样品中碳﹑硫的含量，测定速度快，结果准确。

2 实验部分

2.1 仪器、试剂、材料

2.1.1 高频红外碳硫分析仪：型号HW2000，无锡创想分析仪器有限公司制造。

2.1.2 电 子 天 平：型 号XS204，量 程 ：0g～220g，METTLER TOLEDO公司制造。

2.1.3 钨粒：ω≥99.8%，无锡创想分析仪器有限公司生产，测定碳含量的助熔剂，使用前需加热至200℃烘2小时后，置于燥器中冷却备用。

2.1.4 瓷坩埚：规格25×25mm，碳硫分析专用坩埚，无锡创想分析仪器有限公司生产生产，使用前需在马弗炉中加热温度升到1000℃～1200℃，恒温2小时后，自然冷却至一定温度时，取出放干燥器中冷至室温备用。

2.1.5 铁矿石校准样品：50g，国家标准样品编号GSB 03-2853-2012，钢研纳克检测技术有限公司生产。

2.1.6 铸铁校准样品：250g，样品编号PART NO.501-024，美国力可公司生产。

2.1.7 氧气：φ（v/v）≥99.5%，九江市鑫和源气体有限公司生产。

2.2 仪器工作参数

表1 高频红外碳硫分析仪器参数

2.3 实验方法

2.3.1 称取0.0500g～0.1000g校准样品﹑试样（精确到0.0001g）于预先灼烧处理后的瓷坩埚内，随同试样带空白。

2.3.2 使用定量勺依次向瓷坩埚中加入助熔剂钨粒0.5g，使用坩埚夹将试样和钨粒充分混匀后，置于高频感应加热炉的坩埚托上，启动“升炉”开关。

2.3.3 按照测试软件预设的程序，选择碳含量相近的测试通道，依次测定废样﹑空白样品﹑校准样品，校准样品的测定值与标准值的差值在证书给定的不确定度范围之内，将待测试样送入高频红外碳硫分析仪中测定。

3 结果与讨论

3.1 最短分析时间与截止值的选定

最短分析时间和截止值是仪器判断分析结束的依据。最终分析结果与释放曲线的面积积分值成正比，截止值和最短分析时间直接关系释放曲线的面积积分。分析时间过长，对于低含量试样分析，增加了无用的检测，由漂移引起的误差机会增加。分析时间过短，对于高含量试样分析，有用的检测输出将会被排除在外[5]，造成检测结果偏低。

最短分析时间和截止值是指通常情况下，打开高频炉，仪器自动计时，当计时超过设定最短分析时间后，仪器对每次测量结果自动进行判别，判别的依据为截止值和本次测量峰值，当瞬时浓度与峰值浓度之比达到设定的截止值所对应的X值时，仪器自动控制结束测试，截止值与X值的对应关系见表2。

表2 截止值与X值的对应关系

通过实验，确定截止值设定为3左右，最短分析时间为30秒，即可获得稳定可靠的分析数据。

3.2 空白值的影响

在分析过程中，除试样外，参与分析的还有瓷坩埚﹑助熔剂﹑助燃气等，尽管对参与分析的各种材料进行过预处理，但仍然可能含有微量的碳元素，同时系统中吸附微量的二氧化碳气体在分析过程会被释放，以上为系统空白值[6]。分析低含量试样时，由于测量值很小，系统空白值的存在可能会影响测量结果的准确性，需要扣除空白值方可测量[7]。因此在分析低含量样品前，必须进行空白校正。实验发现，系统中存在的二氧化碳基本稳定，引起系统空白值波动的因素主要是参与分析过程的材料，批次不同，空白值也不相同。经过实验，选定的空白测定方案：在分析校正样品之前，选用同一瓶氧气，固定量的助熔剂及同一批处理好的坩埚，空白值基本一致，测试空白值输入仪器的质量与测试试样的质量基本一致。

3.3 样品精密度

准确称取0.1000g基夫赛特出口物料﹑0.0500g基夫赛特进口物料于预先灼烧处理后的瓷坩埚内，精确到0.0001g，按照2.3.1-2.3.3实验步骤进行测定，实验数据见表3。

表3 基夫赛特进出口物料碳含量测定精密度实验数据

由表3的数据可知，以钨粒为助熔剂，在纯氧条件下，高频红外碳硫分析仪测定低含量碳试样的相对标准偏差（RSD）介于4.08%～9.59%之间，测定高含量碳试样的相对标准偏差（RSD）介于0.90%～1.17%之间，精密度良好，能够满足检测需求。

3.4 样品准确度

3.4.1 加标回收实验

准确称取适量基夫赛特进口物料于预先灼烧处理后的瓷坩埚内，精确到0.0001g，按照表4要求加入校准样品（2.1.6），按照2.3.1-2.3.3实验步骤进行测定，实验数据见表4。

表4 基夫赛特进口物料碳含量测定的加标回收实验数据

由表4数据可知，高频红外碳硫分析仪测定基夫赛特进口物料中碳含量，回收率介于98.91%～103.78%之间，加标回收率良好，方法可靠，能够满足检测要求。

3.4.2 有证标准物质验证

准确称取0.0500g校准样品（2.1.5）（2.1.6）于预先灼烧处理后的瓷坩埚内，精确到0.0001g，按照2.3.1-2.3.3实验步骤进行测定，实验数据见表5。

表5 有证标准物质碳含量的实验数据

由表5数据可知，通过对两个有证标准物质中碳含量的测定，分析结果均在证书给定的不确定度范围内，相对误差（RE）不大于0.88%，证明高频红外碳硫仪测定碳含量方法可靠。

4 结论

本文通过实验，确定了最短分析时间和截止值，消除空白值影响，通过平行测定6次评估方法的精密度，结合加标回收实验和测定有证标准物质评估方法的准确度。实验表明，在最短分析时间30秒和截止值为3，消除空白值影响的状态下，以0.5g钨粒为助熔剂，纯氧条件下充分燃烧，高频红外碳硫仪测定基夫赛特炉进出口物料的碳含量，准确度高，精密度好，能够有效指导工艺生产，可推广至其它冶炼物料中碳含量的测定。