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電弧燃燒法測定碳量和硫量新理論的探討
概述：碳、硫是確定鋼鐵產(chǎn)品規(guī)格和質(zhì)量的重要元素。碳含量高于1.70%以上的叫鐵，低于1.70%的叫鋼。通常把含碳量高于0.60%的鋼叫高碳鋼，含碳量在0.25%-0.60%之間的鋼叫中碳鋼，含碳量小于0.25的鋼叫低碳鋼，含碳量小于0.04%的叫工業(yè)純鐵。碳對鋼鐵的性能起著重要的作用。隨著碳含量的增加，鋼的硬度和強度得到提高，其韌性和塑性下降；反之，若含碳量減少，則硬度和強度下降，而韌性和塑性增加。硫存在于鋼鐵內(nèi)，惡化鋼鐵質(zhì)量，降低鋼的力學(xué)性能及耐蝕性、可焊性。特別是鋼中的硫，若以硫化鐵狀態(tài)存在時，它的熔點低（1000℃左右），將會引起鋼的“熱脆"現(xiàn)象，即熱變形，高溫時工件產(chǎn)生裂紋，影響產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命。所以，鋼中的硫含量越低越好，一般來說，普通鋼中的含硫量不大于0.050%，工具鋼中硫量不大于0.045%，鋼硫量不大于0.020%。碳、硫在鋼鐵中以化合態(tài)和游離態(tài)存在。化合碳，主要以鐵碳化合物和合金元素碳化物的形態(tài)存在，如Fe3C、Mn3C、Cr3C2、WC、VC、Mo2C、TiC等。鐵碳化合物如Fe3C能溶解在含氧化劑的濃硫酸和濃硝酸中；而合金元素碳化物難溶于酸，為了促溶增溶，往往結(jié)晶形碳等。游離碳，主要指碳固溶體中的碳，如石墨碳、退火碳、無定形碳、轉(zhuǎn)化成游離碳，如滲碳體化為鐵素體（Fe3C，1153℃時3Fe+C石墨）。滲碳體，常稱白口鐵，硬而脆難加工，轉(zhuǎn)化為鐵素體，稱灰口鐵，質(zhì)軟易加工。石墨碳為球形，即球墨鑄鐵。可見，碳的形態(tài)，直接影響鋼鐵性質(zhì)。硫在鋼鐵中主要以MnS和FeS的形態(tài)存在，僅含少量的其他硫化物。如Cr2S3、VS、TiS、NbS、ZnS等，而游離態(tài)的硫甚少。鋼鐵中的硫，一般易溶于酸中，在氧化性酸中生成硫酸鹽，在非氧化性酸中，生成硫化氫。鋼鐵中的碳和硫在高溫下（1250-1400℃）通氧燃燒，均能轉(zhuǎn)化為氣體，分別生成CO2和SO2，此即燃燒法測定碳硫的基礎(chǔ)。鋼鐵中碳量和硫量的測定。首先將試樣在高溫爐中（如管式爐、高頻爐、電弧爐等）通氧燃燒，生成并逸出CO2和SO2氣體，用此法實現(xiàn)碳和硫與金屬元素及其化合物的分離，然后測定CO2和SO2的含量，再換算出鋼鐵中碳和硫的含量。測定方法有：（1）容量法：常用的有氣體容量法和非水滴定法，硫量測定常用的有碘量法、酸堿滴定法。特別是氣體容量法測碳、碘量法定硫，既快速又準確，是我國碳、硫聯(lián)合測定常用的方法。分析儀器的精度，碳量下限為0.050%，硫量下限為0.005%。典型的為CS2系列碳硫高速分析儀、CS3000A智能高速碳硫分析儀（2）紅外法：用紅外法測定碳硫，具有準確、快速、靈敏度高的特點，適用于檢測精度較高的場合，價格高一點，典型的為HW2000系列紅外碳硫分析儀。（3）測定金屬中的碳、硫，還有ICP法、X光熒光法、質(zhì)譜法、色譜法、活化分析法等，檢測設(shè)備多為進口的光譜儀等儀器。
碳硫高速分析的產(chǎn)生和發(fā)展與我國鋼鐵工業(yè)發(fā)展的要求和條件相關(guān)。在50-60年代，我國提出“工業(yè)生產(chǎn)以鋼為綱"，煉鋼爐前，爭分奪秒，要求檢測實現(xiàn)高速。當(dāng)時分析條件，濕法為主，所以鋼鐵分析為中心的濕法高速化為人們所關(guān)注。60年代初的幾年中，先后報道了Mn、Si、P三元素分析，僅需45s，S、P二元素分析，僅需25-30s，轉(zhuǎn)爐煉鋼爐前五元素分析僅需25-50s，濕法分析成果達到了以秒計時領(lǐng)域。從歷史發(fā)展來看，高速分析的核心是鋼鐵中五元素，五元素中重點是碳和硫的分析。現(xiàn)在高速分析的儀器和方法，雖然涉及各個領(lǐng)域，然而碳和硫的分析儀器銷售量、營業(yè)額占高速分析儀器70%以上。可以說，高速分析淵源于鋼鐵五元素分析，特別是碳、硫分析。因此，在注意到其他分析方法高速化的同時，將著重討論對碳量和硫量測定的理論問題。碳、硫分析的新理論。“新"的含意包括兩個方面，首先它在經(jīng)典的碳硫分析理論基礎(chǔ)上有發(fā)展，另外，在某些方面對鋼鐵中碳、硫測定進行了有新意的定量地論述。具體內(nèi)容包括：（1）CO2的生化與轉(zhuǎn)化；（2）SO2的生成與轉(zhuǎn)化；（3）碳、硫測定的佳溫度；（4）碳酸鹽中硫的高速分析新體系；（5）碳硫分析中添加劑的作用原理；（6）電弧爐燃燒的理論問題。