鋼鐵鑄造的碳硫分析

鋼鐵的生產過程中，從含碳量高達 4-5% 的生鐵到少量ppm等級的不銹鋼，製造出各種不同種類的鋼材。碳含量不僅影響質地，也影響鐵的材料特性，例如:磁性、硬度或延展性。常見的鑄鐵（2-4%C）既硬且脆,也具有耐磨耗的特性,常用於汽缸及活塞的製造。工具鋼(0.4-1.7% C)具有彈性和延展性，常被用來製造鑽頭及模具的材料。碳鋼(<0.4% C)由於可鍛造性高，適合用於板材、管材和鋼樑。

元素碳以不同的形式存在於鐵基體結構中，與其他元素結合為碳化物，溶解在鐵基體中或作為元素碳。由於碳和硫濃度對材料機械強度性能會產生巨大的影響，因此需精確分析。

為什麼快速有效地測定碳和硫的含量很重要?

目前市場上有許多不同的方法來測量鋼鐵基體或典型鑄造產品（例如鉻鐵）中的 C/S 濃度，一類是分光儀，其中包含以下幾種光譜測定方式：
1.Spark OES(火花分光儀)
2.GDOES(輝光放電發光分析儀)
分光儀是利用高能量激發原子，這種激發會產生各元素特定的光譜，然後透過光學系統進行測量，因此可以同時測量碳和硫，也可以測量其他元素的濃度，例如:錳、鉻…等。

但此測量需要平坦且乾淨的樣品表面，若是線材、顆粒、粉末等樣品或含有碳和硫元素雜質的樣品則無法採用光譜分析，其他化學測定法耗時且手法繁複，因此C/S Analyzer(碳硫元素分析儀)就針對碳/硫元素分析提供了快速且精確的分析方法，讓生產單位得到快速且即時的品質控制管理！

現代化的碳硫分析儀

碳/硫分析儀也稱為燃燒分析儀，與上述光譜儀不同，採用燃燒法結合偵測器的測量原理。
以感應爐將樣品加熱燃燒，並同時以高流量的氧氣作為載氣（例如180L/h）來熔化樣品。結合的碳和硫燃燒生成二氧化碳和二氧化硫，並用紅外線電子偵測器(IR Detector)來進行測量，可以在很短的時間內準確測量碳和硫的濃度，Eltra推出的Elementrac CS-i無機樣品碳硫分析儀只需40 ~50秒的分析時間即可測量樣品的碳/硫含量！

為了進行可靠及快速的元素分析，CS-i 配備有智慧管理功率可控的感應爐、自動真空除塵系統及整合型催化劑。最多可配置4個IR Detector(2C + 2S), 可以提供較廣的測量範圍。
測量範圍從幾個 ppm 到百分比範圍的碳和硫含量，並符合所有相關國際標準(ASTM, ISO, DIN, EN ….等) 。

用這種方法測定碳和硫的含量非常簡單快速，分析過程只需要幾個工作步驟，無論是稱量樣品、軟體記錄、更換化學品以及啟動測量過程，所有步驟均由分析儀的軟體和硬體智慧化控制，無需使用者耗時的手動作業。高效率的設計又稱為「黑盒子燃燒分析儀」技術，透過以下描述帶大家進一步認識Eltra的碳硫分析儀：

(A) 樣品製備：

用於燃燒分析的樣品製備有幾種方式，如從金屬熔體製備樣品，或是減少大樣品（如大面積塊狀、片狀、棒狀..等）的尺寸。對於鐵樣品，在開始碳硫分析之前通常不需要特別樣品製備（如清潔）。在鑄鐵生產過程中採集的樣品或生鐵樣品不應使用丙酮或任何其他有機溶劑進行處理，因為這可能會改變石墨和鐵的分佈，從而導致測得的碳含量失真。但其他材質（例如耐火材料）在透過燃燒分析儀測量其碳和硫濃度之前需要清潔步驟，建議使用丙酮或其他有機溶劑去除表面污染物。

(B) 燃燒流程：

準備500 ~1000 mg的樣品，將材料放到陶瓷坩堝中，再添加助熔劑。感應爐需要金屬
助熔劑(如銅、鎢..等)確保平穩燃燒，並完全釋放結合的碳和硫。
將樣品及坩堝上升至感應線圈並啟動燃燒過程。感應線圈會產生一個電場，與加速器的自由電子相互作用，從而將混合物加熱至2,000°C並熔化樣品。由於燃燒區有強大的氧氣流動（180L/hr），坩堝內的溫度甚至高於2,000°C, 額外的熱量來自助熔劑及樣品的氧化過程。助熔劑的選擇對於燃燒過程很重要，如鎢或鎢/錫混合物可同時當做測量碳和硫的助熔劑，而銅只能用於碳測定，因為燃燒過程中會形成硫化銅，導致測量結果的硫濃度過低，需依不同的材料特性搭配。

除了正確的選擇助熔劑外，另外還需要充足的氧氣供應，以確保碳/硫的完全燃燒。Elementrac CS-i 獨家智慧型噴氣管理 (ILM) 可以在燃燒固態樣品以及細粉狀的陶瓷或細砂對氧氣供應進行控制，將氧氣流直接聚焦或調節在樣品上並確保完全燃燒。

(C) 除塵除水管理系統：

金屬樣品的燃燒會產生細小的粉塵，可能會影響紅外線偵測器中碳和硫的測量。為防止灰塵沉積在分析儀內部，Elementrac CS-i感應爐正後方配備小型網狀金屬過濾器。並避免微量水的凝結導致測量的硫濃度過低。Elementrac CS-i 的加熱除塵器可將水蒸氣轉移到高氯酸鎂管中完全去,除避免水蒸氣生成氣態二氧化硫,而消除二氧化硫在紅外線偵測器的測量產生干擾。

(D) 催化劑：

燃燒過程中，二氧化碳和二氧化硫是形成的主要反應產物。每個感應爐中都會產生極少量的一氧化碳，在標準二氧化碳紅外線偵測器中不會檢測到一氧化碳，如果沒有額外的氧化過程，碳的測定結果可能低於預期。為了將一氧化碳轉化為二氧化碳，通常使用不同的化學品作為催化劑，如氧化銅或鉑。Elementrac CS-i 使用鉑基催化劑,這不僅確保氧化的安全可靠性，且維護的成本也是相對划算的。

(E) 檢測：

用於燃燒分析儀的電子探測器是紅外線或熱導偵測器。Elementrac CS-i 最多可擴充4 個紅外線偵測器，確保在較廣的濃度範圍也同時進行碳和硫分析。利用二氧化碳/二氧化硫分子的特定波長吸收，表示當施加相應波長的紅外線輻射時，上述分子中的化學鍵開始擺動產生不同電訊號進而分析。雖然紅外線偵測器是一個強大的檢測系統,但可能被氟或氯等氣態鹵素損壞,客戶可選配halogen trap及鍍金紅外線偵測器以延長及保護儀器的使用壽命。

(F) 校正：

與重量分析或體積測量等傳統測量技術相比，Elementrac CS-i 燃燒分析儀需要透過校正過程來測量正確的元素濃度。與光譜校正一樣，燃燒分析是一種「相對測量方法」，由於樣品的燃燒需確保結合的碳和硫的完全釋放，必需採用經過國際認證的標準品(CRM) 或CaCO3及 BaSO4 等主要物質進行校正。