氧氮分析仪测定钢铁中氧氮含量

氧氮分析仪测定钢铁中氧氮含量
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．。