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1、CS分析原理分析原理 碳元素和硫元素均是非金属元素，它们的电负性相差不大（c:+2.5,s:+2.44）,因此，在金属或合金中都能形成相应的碳化物或硫化物。当在高温富氧条件下，都能被氧化成CO2和SO2。C+O2=CO24Fe3C+13O2=6Fe2O3+4CO2Mn3C+3O2=Mn3O4+CO2 S+O2=SO23MnS+5O2=Mn3O4+3SO23FeS+5O2=Fe3O4+3SO2 CO2和SO2都是极性分子，具有永久电偶极矩，因而都具有振动、转动等结构，按量子力学分成分裂的能级，与入射的特征波长红外辐射耦合产生吸收。CS分析原理分析原理郎伯郎伯-比耳定律比耳定律 I=I0exp(-
2、PL)式中：式中：I0-入射光强入射光强I -出射光强出射光强-吸收系数吸收系数 P -该气体的分压强该气体的分压强L -分析池的长度分析池的长度 测量经吸收后红外光的强度便能计算出相应气体的浓测量经吸收后红外光的强度便能计算出相应气体的浓度，这便是红外气体分析的理论根据。红外碳硫分析仪就度，这便是红外气体分析的理论根据。红外碳硫分析仪就是利用了是利用了CO2及及SO2分别在分别在4.26m和和7.4m处，具有较强处，具有较强的特征吸收带这一特性，通过测量气体吸收光强分析的特征吸收带这一特性，通过测量气体吸收光强分析CO2和和SO2含量，间接确定被测样品中的碳、硫元素的百分含含量，间接确定被测
3、样品中的碳、硫元素的百分含量。量。钢铁中的碳硫钢铁中的碳硫 碳在钢铁中主要以两种形式存在：碳在钢铁中主要以两种形式存在：一种是化合碳，即碳以化合形态存在，主要以铁的碳一种是化合碳，即碳以化合形态存在，主要以铁的碳化物和合金元素的碳化物形态存在。例如化物和合金元素的碳化物形态存在。例如Fe3C、Mn3C、Cr3C2、WCW2C、VC、MOC、TiC等。等。另一种是游离碳，例如铁碳固溶体中的碳、无定形碳、另一种是游离碳，例如铁碳固溶体中的碳、无定形碳、石墨碳、退火碳等，统称为游离碳。石墨碳、退火碳等，统称为游离碳。在钢中，一般是以化合碳为主，游离碳只存在于铁及在钢中，一般是以化合碳为主，游离碳只存
4、在于铁及经退火处理的高碳钢。化合碳与游离碳总和，称为总碳量。经退火处理的高碳钢。化合碳与游离碳总和，称为总碳量。红外碳硫分析仪就是测定样品中的总碳量。红外碳硫分析仪就是测定样品中的总碳量。钢铁中的碳硫钢铁中的碳硫 碳是钢铁中重要元素，当碳含量增加时其碳是钢铁中重要元素，当碳含量增加时其强度强度和和硬度硬度随之增加，而随之增加，而塑性和延展性塑性和延展性却随之降低，使钢变脆且难以却随之降低，使钢变脆且难以加工；反之，随着碳含量的减少，钢的韧性得到增强且易加工；反之，随着碳含量的减少，钢的韧性得到增强且易于切削加工。而硫在钢铁中是一种有害元素，它以硫化物于切削加工。而硫在钢铁中是一种有害元素，它以
5、硫化物的状态存在于钢中，主要是的状态存在于钢中，主要是MnS。如果含锰量很低，则过。如果含锰量很低，则过量的硫与铁合成量的硫与铁合成FeS。硫化铁与硫化锰都是在热变形时产。硫化铁与硫化锰都是在热变形时产生裂纹的原因，这种不良性能叫做生裂纹的原因，这种不良性能叫做热脆热脆。此外硫存在于钢。此外硫存在于钢内还能使钢的机械性能降低（主要是疲劳极限、塑性和耐内还能使钢的机械性能降低（主要是疲劳极限、塑性和耐磨性）。硫的存在对钢的耐蚀性、可焊性也不利。因此在磨性）。硫的存在对钢的耐蚀性、可焊性也不利。因此在钢铁中硫的含量总希望越低越好钢铁中硫的含量总希望越低越好。一般硫在钢铁中的含量。一般硫在钢铁中的含
6、量比碳至少要少一个数量级。由于硫的含量低，燃烧后生成比碳至少要少一个数量级。由于硫的含量低，燃烧后生成的的SO2绝对量比绝对量比CO2少，用同样的方法测定误差就大。因少，用同样的方法测定误差就大。因此，红外碳硫分析仪中硫池的长度要比碳池长度长一个数此，红外碳硫分析仪中硫池的长度要比碳池长度长一个数量级，分别为量级，分别为300毫米和毫米和30毫米。毫米。碳硫在各种金属中化合物的稳定程度碳硫在各种金属中化合物的稳定程度1.所有的碳化物比硫化物焓变所有的碳化物比硫化物焓变Hfo数值要大，说明硫化物比数值要大，说明硫化物比碳化物热力学稳定性高，要使硫化物分解产生化学反应的碳化物热力学稳定性高，要使硫
7、化物分解产生化学反应的热量也必须高，当燃烧室热量不足时，（化学反应初期热量也必须高，当燃烧室热量不足时，（化学反应初期温度不高时），碳温度不高时），碳碳化物和铁碳化物和铁钨钨锡开始化学反应，锡开始化学反应，放出热能，再促使硫化物反应。放出热能，再促使硫化物反应。2MnS比比FeS更稳定，熔点也高。在钢铁冶炼中往往用加更稳定，熔点也高。在钢铁冶炼中往往用加足够量的足够量的Mn，使生成，使生成MnS。（防止生成。（防止生成FeS而导致热脆而导致热脆现象）。现象）。平时高锰合金钢的硫很难测准的原因也就不难分平时高锰合金钢的硫很难测准的原因也就不难分析了。析了。碳硫在各种金属中化合物的稳定程度碳硫在各
8、种金属中化合物的稳定程度3生成的生成的CO2比比SO2自由能变化自由能变化Gfo 小，说明了小，说明了CO2比比SO2稳定，当燃烧室热量不足时（温度低于稳定，当燃烧室热量不足时（温度低于1300），），SO2还会进一步与还会进一步与O2反应，生成自由能变化反应，生成自由能变化Gfo 更小更稳更小更稳定的定的SO3。而。而CO2不可能进一步起化学反应，一般情况下不可能进一步起化学反应，一般情况下SO2的生成率很难达到的生成率很难达到100%。（燃烧室温度达到。（燃烧室温度达到1700以上时生成的以上时生成的SO3数据可以忽略不计）。但是碳硫分析仪数据可以忽略不计）。但是碳硫分析仪只测只测CO2S
9、O2的浓度来推导出含碳的浓度来推导出含碳含硫量，这样硫的测含硫量，这样硫的测量精度明显地与量精度明显地与SO2的生成率直接有关。即使有的生成率直接有关。即使有CO生成，生成，系统中有转化炉装置，能将系统中有转化炉装置，能将CO转化成转化成CO2，因此碳的测，因此碳的测定结果比较稳定。定结果比较稳定。碳硫在各种金属中化合物的稳定程度碳硫在各种金属中化合物的稳定程度4.1摩尔摩尔C和和Fe3C与与O2化学反应后，生成热化学反应后，生成热后者要比前者大得多，然而在做高碳样品后者要比前者大得多，然而在做高碳样品测试时，称量又比中测试时，称量又比中低碳样品少得多，低碳样品少得多，因而出现高碳高硫因而出现
10、高碳高硫高碳低硫样品的硫很高碳低硫样品的硫很难测准，其原因就是燃烧室热量不够。难测准，其原因就是燃烧室热量不够。CO2SO2的物理性能和化学性能的物理性能和化学性能1.CO2的沸点比的沸点比SO2低得多，而且绝对粘度高低得多，而且绝对粘度高汽化热也汽化热也小，也就是说，不容易液化凝聚。这与我们在冬天测定碳小，也就是说，不容易液化凝聚。这与我们在冬天测定碳硫样品时硫元素测出的含量偏低的情况是一致的。要改善硫样品时硫元素测出的含量偏低的情况是一致的。要改善这种情况，除了保持室内这种情况，除了保持室内25恒温以外，最好在分析气流恒温以外，最好在分析气流经的管道上加热。经的管道上加热。CO2和和SO2
11、物理化学性能比较物理化学性能比较沸点沸点健健角角偶极距偶极距1O1O-18-18c.g.sc.g.s绝对粘度绝对粘度2O2O时时汽化热汽化热kcal/molkcal/mol溶解度溶解度2525时时键长键长A ACOCO2 2-78-7818O18OO O16O.O16O.O3.883.88O.1449O.14491.151.15SOSO2 2-1O-1O119.536119.5361.631.63124.2124.25.965.969.419.411.43211.4321CO2SO2的物理性能和化学性能的物理性能和化学性能 2.尽管尽管CO2SO2都属于极性分子，但由于都属于极性分子，但由于C
12、O2分子的键角为分子的键角为180完全对称，所以整个分子偶极距为零，它不容易被吸附。完全对称，所以整个分子偶极距为零，它不容易被吸附。而而SO2分子的键角为分子的键角为119.536，即分子呈三角形，偶极距为，即分子呈三角形，偶极距为1.6310-18c.g.s,它就很容易被吸附。吸附是指当分析气经它就很容易被吸附。吸附是指当分析气经过气路时，被统称为吸附剂的物质的表面吸收的现象。分析过气路时，被统称为吸附剂的物质的表面吸收的现象。分析气的吸附可以分成物理吸附和化学吸附。物理吸附是指被吸气的吸附可以分成物理吸附和化学吸附。物理吸附是指被吸附的物质和吸附剂之间不发生化学反应，这种吸附是由于分附的
13、物质和吸附剂之间不发生化学反应，这种吸附是由于分子之间的相互引力所引起的，此力通常被称为范德华力（取子之间的相互引力所引起的，此力通常被称为范德华力（取向力向力诱导力诱导力色散力的总和），可以用色散力的总和），可以用BET（Brunauer-Emmett-Teller）吸附等温式）吸附等温式-公式（公式（1），计算它的吸附），计算它的吸附量。这种吸附没有选择性，除了表面形状之外吸附剂和被吸量。这种吸附没有选择性，除了表面形状之外吸附剂和被吸附物质本身的化学性质不起作用，任何固体都可以吸附任何附物质本身的化学性质不起作用，任何固体都可以吸附任何气体。气体。CO2SO2的物理性能和化学性能的物理性
14、能和化学性能公式（公式（1）式中：式中：V -吸附量；吸附量；Vm -单分子吸附层吸附量；单分子吸附层吸附量；P -吸附平衡时气体的压力；吸附平衡时气体的压力；Ps -气体在吸附温度下饱和蒸汽压；气体在吸附温度下饱和蒸汽压；C -常数常数式中：式中：Ps-T时的饱和蒸汽压；时的饱和蒸汽压；T-温度；温度；ABC-常数。常数。公式（公式（2）对对CO2：A=9.64177，B=1284.07，C=268.432；对对SO2：A=7.32776，B=1022.86，C=240.0CO2SO2的物理性能和化学性能的物理性能和化学性能 由公式（由公式（2）可以看出温度越高饱和蒸汽压也越高。）可以看出温
15、度越高饱和蒸汽压也越高。由公式（由公式（1）可以得出：）可以得出：1.如果提高吸附温度在其它条件不变的情况下将减少如果提高吸附温度在其它条件不变的情况下将减少吸附量吸附量V；2.如果减少吸附剂的表面积也将减少它的吸附量；如果减少吸附剂的表面积也将减少它的吸附量；3当我们做痕量碳硫样品时，由于当我们做痕量碳硫样品时，由于CO2和和SO2的分的分压力减少所引起吸附量的减少会导致气路中已吸附的压力减少所引起吸附量的减少会导致气路中已吸附的CO2和和SO2释放。释放。化学吸附是被吸附物质与吸附剂分子之间相互作用生化学吸附是被吸附物质与吸附剂分子之间相互作用生成一种结合物的吸附。这种吸附具有选择性，因此
16、成一种结合物的吸附。这种吸附具有选择性，因此CO2和和SO2两种气体的吸附量就相差很大。通常，在气路中两种气体的吸附量就相差很大。通常，在气路中的化学吸附剂分子主要是水分子的化学吸附剂分子主要是水分子各种金属氧化物粉分各种金属氧化物粉分子和试样的挥发粉尘。子和试样的挥发粉尘。CO2SO2的物理性能和化学性能的物理性能和化学性能 室温时，室温时，CO2在水中的溶解度比在水中的溶解度比SO2要小得多，大约要小得多，大约是是SO2的六十五分之一，而在分析测试过程中，空气中的的六十五分之一，而在分析测试过程中，空气中的水气不可避免地会吸附在试样表面水气不可避免地会吸附在试样表面燃烧管表面燃烧管表面过滤
17、网过滤网表面等分析气通道中。当分析气通过时，表面等分析气通道中。当分析气通过时，SO2就与水分结就与水分结合生成亚硫酸；部分合生成亚硫酸；部分CO2与水分结合生成碳酸。这现象与与水分结合生成碳酸。这现象与室内温度较高时，连续做同一种样品，结果硫的测试值越室内温度较高时，连续做同一种样品，结果硫的测试值越来越高是一致的。因为炉头部分来越高是一致的。因为炉头部分过滤网部分等分析气通过滤网部分等分析气通道随着一次次高温的分析气通过，由于热量传递而温度升道随着一次次高温的分析气通过，由于热量传递而温度升高，明显地减少了吸附在上面的水分，从而也减少了碳酸高，明显地减少了吸附在上面的水分，从而也减少了碳酸
18、亚硫酸的生成。亚硫酸的生成。CO2SO2的物理性能和化学性能的物理性能和化学性能 金属氧化物能吸附金属氧化物能吸附CO2和和SO2，通过对多种金属氧化，通过对多种金属氧化物吸附物吸附CO2和和SO2进行的大量试验研究发现不同金属氧化进行的大量试验研究发现不同金属氧化物对物对CO2的吸附顺序为：的吸附顺序为：Na2OCaO活性活性Al2O3稀土稀土氧化物氧化物Cr2O3V2O5活性活性MnO2TiO2MoO3WO3Fe2O3SnO2，对，对SO2的吸附顺序为：的吸附顺序为：Na2OCaOV2O5活性活性MnO2稀土氧化物稀土氧化物Cr2O3活性活性Al2O3MoO3TiO2Co2O3WO3Fe2
19、O3SnO2。将金属氧。将金属氧化物试验管加热至化物试验管加热至80，对，对CO2吸附顺序无变化，对吸附顺序无变化，对SO2吸附顺序略有变化，即吸附顺序略有变化，即Fe2O3吸附量增加上升到活性吸附量增加上升到活性Al2O3与与MoO3之间，稀土氧化物以左的氧化物吸附量比室温时之间，稀土氧化物以左的氧化物吸附量比室温时增大。增大。CO2SO2的物理性能和化学性能的物理性能和化学性能 收集试样分析后的粉尘，测其含碳硫量，对试样的挥收集试样分析后的粉尘，测其含碳硫量，对试样的挥发粉尘进行分析。凡试样含碳硫量高的，粉尘中吸附量多。发粉尘进行分析。凡试样含碳硫量高的，粉尘中吸附量多。反之，吸附量少。凡
20、含锰反之，吸附量少。凡含锰钒和稀土金属的试样，粉尘中钒和稀土金属的试样，粉尘中含含C、S量高，含量高，含S量更甚之。普通钢铁、低合金钢、碳素量更甚之。普通钢铁、低合金钢、碳素钢、紫铜及纯镍等试样，粉尘中含钢、紫铜及纯镍等试样，粉尘中含C、S在在0.00080.002%范围，原因是这些金属除碳素钢外，一般含范围，原因是这些金属除碳素钢外，一般含C、S量不高，挥发物少，将这些试样的挥发物，装入试验管内，量不高，挥发物少，将这些试样的挥发物，装入试验管内，分别注入分别注入CO2、SO2标气，并测定其通过挥发物未被吸附标气，并测定其通过挥发物未被吸附的吸附量，然后加热至的吸附量，然后加热至120，再测
21、定脱附量，结果，再测定脱附量，结果CO2约有约有92.7%被脱附出，被脱附出，SO2仅有仅有24.3%脱附出，这说明挥脱附出，这说明挥发粉尘对发粉尘对CO2是物理吸附，对是物理吸附，对SO2有部分是化学吸附。有部分是化学吸附。CO2SO2的物理性能和化学性能的物理性能和化学性能目前还无法根本解决吸附的问题，但可采取以下几种方式减少吸附：目前还无法根本解决吸附的问题，但可采取以下几种方式减少吸附：1、用石英砂或、用石英砂或SiO2细粒复盖，可减少挥发物。细粒复盖，可减少挥发物。2、若燃烧挥发大的试样时，可用适量、若燃烧挥发大的试样时，可用适量SiO2复盖和加坩埚盖来减少挥发。复盖和加坩埚盖来减少
22、挥发。3、可用、可用CuO作助熔剂，减少挥发性粉尘。作助熔剂，减少挥发性粉尘。4、在分析前可用若干个、在分析前可用若干个C、S试样预烧，使气路中沉积粉尘吸附饱和后，再试样预烧，使气路中沉积粉尘吸附饱和后，再分析试样，结果重现性较好。若连续分析，中间可插入高碳硫试样燃烧。分析试样，结果重现性较好。若连续分析，中间可插入高碳硫试样燃烧。5、把主体金属蒸馏掉，测定残渣中、把主体金属蒸馏掉，测定残渣中C、S量，如高纯金属纳、钾及钙等的碳量，如高纯金属纳、钾及钙等的碳分析。分析。6、在分析程序允许下，适当加大氧气流量可减少吸附现象。、在分析程序允许下，适当加大氧气流量可减少吸附现象。7、氧气中不应含水气
23、，可减少、氧气中不应含水气，可减少CO2、SO2损失，若试样含氢量高，应先脱损失，若试样含氢量高，应先脱氢处理，否则产生水气吸附气体。氢处理，否则产生水气吸附气体。8、除尘器中不可用脱脂棉，应用玻璃毛或石英纤维代替。、除尘器中不可用脱脂棉，应用玻璃毛或石英纤维代替。9、燃烧系统和管道应常清刷，可减少吸附。、燃烧系统和管道应常清刷，可减少吸附。CS分析分析仪器制备仪器制备 1、开机、开机（1）通气：打开氮气和氧气气瓶上的调压阀，将输出压）通气：打开氮气和氧气气瓶上的调压阀，将输出压力调至力调至0.3Mpa；（2）通电：打开）通电：打开CS3000分析仪主机电源，至少预热分析仪主机电源，至少预热1小时；小时；（3）起动计算机，运行）起动计算机，运行CS分析软件，进入操作界面，然分析软件，进入操作界面，然后在后在“设备设备”菜单中选择菜单中选择“开高频电源开高频电源”预热预热300秒，高秒，高频电源预热完后即可进行分析测试。频电源预热完后即可进行分析测试。2、关机、关机关闭仪器时，首先在关闭仪器时，首先在“设备设备”菜单中选择菜单中选择“关高频电源关高频电源”，然后退出软件关闭计算机和碳硫主机电源，再关闭氮气，然后退出软件关闭计算机和碳硫主机电源，再关闭氮气和氧气。和氧气。