低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐）充裝液氬在直讀光譜儀上的應(yīng)用

蘇文星， 鄭貴增， 艾 鵬， 降建平

（連云港興鑫鋼鐵有限公司技術(shù)檢測(cè)中心， 江蘇 連云港 222500）

直讀光譜儀因其具有快速、準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單、多元素測(cè)定等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于冶金檢測(cè)領(lǐng)域。在冶金工業(yè)中，對(duì)鋼鐵材料和合金的光譜分析使用氬氣氣體控制，當(dāng)樣品在氬氣中激發(fā)時(shí)，由于取代了空氣中的氧和氮，防止了樣品在激發(fā)過(guò)程中的選擇氧化，使放電狀態(tài)穩(wěn)定，有利于提高光譜分析的精密度，同時(shí)減少了CN、CO、NO 等分子的帶狀光譜，增強(qiáng)了譜線強(qiáng)度。另外氧對(duì)140.0～195.0 nm 波長(zhǎng)的光譜會(huì)有強(qiáng)烈的吸收效果，在氬氣氣氛中排除氧的存在，使得這一波段的C、S、P、B、As、Se、Sn、N 等靈敏線可被利用，擴(kuò)大了光譜分析領(lǐng)域。

此外，氬氣對(duì)鎢電極有保護(hù)作用，光譜激發(fā)時(shí)瞬間電壓、電流大，激發(fā)溫度高，氬氣純度不夠會(huì)對(duì)鎢電極造成損害，并且會(huì)使一些高熔點(diǎn)的樣品激發(fā)不充分，在激發(fā)表面留下很多白點(diǎn)，造成檢測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。高純氬作為火花室保護(hù)氣的主體，其純度高才會(huì)形成需要的“聚能放電”，樣品的組織結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，對(duì)氬氣的純度要求就越嚴(yán)格。通常引起分析數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的主要原因就是氬氣的純度，一般情況下，鑄鐵、鑄鋁及高純金屬等材質(zhì)時(shí)需使用純度為99.999%的氬氣。

1 液氬替代高壓氣瓶氬氣的設(shè)計(jì)背景

連云港興鑫鋼鐵有限公司（全文簡(jiǎn)稱(chēng)我公司）檢測(cè)中心鋼鐵化驗(yàn)室共配置3 臺(tái)德國(guó)OBLF-GS1000型火花直讀光譜儀，主要用于煉鋼生產(chǎn)樣的分析及煉鋼生鐵及成品的檢測(cè)分析工作，為更好地服務(wù)煉鋼，鋼鐵實(shí)驗(yàn)室選擇靠近煉鋼車(chē)間的位置，位于三樓煉鋼平臺(tái)右側(cè)，儀器所用氬氣是采用外購(gòu)南京特氣生產(chǎn)的40 L 瓶裝高純氬氣，在一樓設(shè)氣瓶室，將幾組氣瓶通過(guò)匯流排連接，通過(guò)管道輸送至儀器。因煉鋼生產(chǎn)節(jié)奏快，樣品檢測(cè)量大，每瓶高純氬氣使用期限僅為3 d，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，鋼鐵實(shí)驗(yàn)室每月總用氣量達(dá)到28～30 瓶。按照要求每更換一瓶氬氣需對(duì)光譜儀進(jìn)行完全標(biāo)準(zhǔn)化工作，且經(jīng)常遇有氬氣不純情況，所以給快節(jié)奏的檢測(cè)工作帶來(lái)諸多不便。

鋼鐵企業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中最大的用氧部門(mén)，其生產(chǎn)過(guò)程所需大量氧氣，我公司制氧廠在制取氧氣的同時(shí)也生產(chǎn)出氮?dú)夂蜌鍤獾裙I(yè)氣體，副產(chǎn)品氬氣被深冷儲(chǔ)存于液氬罐中，該液氬純度達(dá)99.999%，完全可以作為光譜儀用氣使用。為解決這一問(wèn)題，聯(lián)合公司制氧廠相關(guān)技術(shù)人員共同進(jìn)行研究討論，最終安全、科學(xué)地設(shè)計(jì)了充氬管路，規(guī)范了充氬流程，實(shí)現(xiàn)了自產(chǎn)自用液氬替代高壓氣瓶氬氣的目的。采用特殊管路將液氬充至低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐），運(yùn)送至氣瓶存放處，連接管道，開(kāi)啟氣化閥門(mén)，調(diào)整好壓力，將液氬緩緩氣化，并由管道送至光譜儀。

2 杜瓦罐充裝液氬在直讀光譜儀上的應(yīng)用探討

公司采用山東奧揚(yáng)科技股份有限公司生產(chǎn)的B4（1）（2）級(jí)低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐）公稱(chēng)容積為175 L，工作壓力為2.3 MPa，最大充裝量為225 kg，該氣瓶作為一種低溫絕熱壓力容器，雙層真空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。內(nèi)膽用來(lái)儲(chǔ)存低溫液體，在外壁附有多層絕熱材料，具有超強(qiáng)隔熱性能，外殼和支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠承受運(yùn)輸車(chē)輛在行駛中所產(chǎn)生的相關(guān)外力。

2.1 具體操作

低溫瓶的充裝通過(guò)1 根獨(dú)立的軟管完成。充液時(shí)，首先將充裝軟管與瓶的充裝接頭連接，打開(kāi)氣相閥，然后開(kāi)啟液相閥，低溫液體將通過(guò)連接軟管進(jìn)入瓶?jī)?nèi)膽。當(dāng)液位計(jì)顯示滿(mǎn)時(shí)，停止充裝。

熱瓶充裝：通常將首次充裝低溫液體前和停止工作兩周以上的瓶稱(chēng)為“熱瓶”。首先向瓶?jī)?nèi)充入大約20 L 的低溫液體，靜置，在瓶?jī)?nèi)液體氣化升壓的過(guò)程中，瓶?jī)?nèi)膽也得到冷卻，當(dāng)瓶?jī)?nèi)壓力達(dá)到正常工作壓力后，進(jìn)行系統(tǒng)檢漏，通過(guò)放空降低壓力，即可按常規(guī)充裝程序進(jìn)行操作。此外，放空充裝程序也適用于已知的“熱瓶”。

2.2 氣態(tài)供給

當(dāng)瓶的壓力較高時(shí)，打開(kāi)氣相閥，瓶?jī)?nèi)的壓力將把氣相從瓶?jī)?nèi)的頂部壓出，進(jìn)入汽化器。在汽化器內(nèi)被汽化、加溫后供給實(shí)驗(yàn)室。這種方式對(duì)降低瓶?jī)?nèi)的壓力具有顯著、重要的作用。若需穩(wěn)定、長(zhǎng)時(shí)間保持該狀態(tài)，需開(kāi)啟增壓截止閥，并將調(diào)壓閥調(diào)至所需壓力，氣化后的氬氣經(jīng)匯流排管道輸送至3 臺(tái)光譜儀。需注意的是，在出氣口位置需配置一套雙表氬氣減壓閥，用以將罐體氣化出的氬氣減壓至儀器所需壓力。一般光譜儀使用氬氣壓力在0.4～0.6 MPa,可在氬氣凈化機(jī)入口處加精調(diào)減壓閥，以精確控制儀器使用氬氣的流量。低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐）的閥門(mén)示意圖如圖1 所示。

圖1 低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐）的閥門(mén)示意圖

2.3 液體保留

為方便下次充裝，瓶?jī)?nèi)的液體應(yīng)遺留2～3 L 為宜，不可用盡，并使瓶處于冷態(tài)，不可轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁崞俊薄?/p>

2.4 低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐）優(yōu)點(diǎn)

采用真空絕熱不銹鋼容器，同壓縮氣體鋼瓶相比更為安全；氬氣由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，體積增加約780倍，液態(tài)氬的密度是1.40 kg/L，氣態(tài)氬氣在常溫下的密度為1.78 kg/m3,175 L 的液壓杜瓦罐按照氣體膨脹系數(shù)折算約為23 瓶40 L 的高壓氣瓶；儲(chǔ)存容量大，可減少場(chǎng)地存放，減少換瓶操作，提高工作效率；在相對(duì)低的壓力下能容納大量的氣體，可滿(mǎn)足氣液雙相使用；其優(yōu)勢(shì)還有儲(chǔ)存壓力低，配有多級(jí)安全保護(hù)裝置，操作簡(jiǎn)單、安全性好；氣體利用率高，鋼瓶每次都需留有余氣，以液態(tài)供氣可以避免浪費(fèi)，降低成本；自增壓裝置，壓力及液位顯示一目了然；瓶體清潔，使用的液氬純度更高，避免氣體運(yùn)輸中的二次污染。值得注意的是，對(duì)于長(zhǎng)期不用氬氣或使用頻率不高的設(shè)備，液氬需定期卸壓，否則液氬會(huì)泄露直至耗盡。

2.5 注意事項(xiàng)

初次使用杜瓦罐一定要仔細(xì)閱讀說(shuō)明書(shū)，按照規(guī)定嚴(yán)格操作使用。氬氣室需配備氧氣濃度報(bào)警裝置；氣瓶應(yīng)存放在通風(fēng)良好的地方，不得在烈日下長(zhǎng)時(shí)間暴曬；嚴(yán)禁采用橫臥滾動(dòng)方式來(lái)搬動(dòng)氣瓶；若閥門(mén)凍住，應(yīng)使用清潔無(wú)油的溫水或熱氮?dú)饨鈨?，之后方可操作；不得用錘或其他物件敲擊閥門(mén)。

杜瓦罐主要有四個(gè)閥門(mén)供使用，即液體使用閥、氣體使用閥、放空閥、增壓閥。此外還有氣相壓力表和液位計(jì)。杜瓦罐儲(chǔ)存未使用時(shí)切記不能打開(kāi)增壓閥，一定要檢查增壓閥是否關(guān)死，否則會(huì)造成罐內(nèi)氣體泄露。

3 試驗(yàn)比對(duì)數(shù)據(jù)

使用低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐）充裝液氬在直讀光譜儀上分析中低合金鋼標(biāo)準(zhǔn)樣品，對(duì)重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

YSBS281007—2007 中低合金鋼標(biāo)樣樣品的重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 YSB樣S2品81的0重07復(fù)—性20試07驗(yàn) 中結(jié)低果合 金鋼標(biāo)樣%

使用YSBS 281007—2007 中低合金鋼標(biāo)樣樣品做精確度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 YSBS 2樣8品10精07確—度20試07驗(yàn) 中結(jié)低果合 金鋼標(biāo)樣%

采用鑄鐵光譜標(biāo)準(zhǔn)樣品YSBS 4510182—15 做精確度試驗(yàn)，比對(duì)結(jié)果如表3 所示。

表3 鑄鐵光譜標(biāo)準(zhǔn)樣試品驗(yàn)Y結(jié)SB果S 4510182—15 精確度%

4 結(jié)論與效果評(píng)價(jià)

經(jīng)分析可知，將低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐）充裝液氬應(yīng)用在直讀光譜儀上進(jìn)行分析試驗(yàn)的精密度高，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》及GB/T 24234—2009《鑄鐵 多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》的要求。因此使用低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐）替代高壓氣瓶完全可行，此舉不僅解決了長(zhǎng)期以來(lái)運(yùn)輸、更換氣體鋼瓶的麻煩，更是實(shí)現(xiàn)了不間斷供氣要求；降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，從一定程度上避免了因運(yùn)送氬氣鋼瓶造成的安全事故；使用自產(chǎn)液氬替代外購(gòu)南京特氣的高純氬，降低了檢測(cè)分析成本，減少了資源浪費(fèi)，僅此一項(xiàng)為公司一年節(jié)約外購(gòu)氬氣費(fèi)用約10 余萬(wàn)元。采用低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐） 充裝液氬也可使用在ICP-OES 和ICP-MS 及色譜儀等對(duì)氬氣使用量大的檢測(cè)設(shè)備上。

值得注意的是，對(duì)于長(zhǎng)期不用氬氣或?qū)鍤馐褂妙l率不高的設(shè)備，需人工對(duì)液氬進(jìn)行定期卸壓，否則液氬會(huì)泄露直至完全耗盡。所以使用低溫絕熱氣瓶（杜瓦罐）替代高壓氣瓶的方法適用于鋼鐵企業(yè)爐前快速檢驗(yàn)、不間斷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)設(shè)備，且用氬氣量較大的用戶(hù)及實(shí)驗(yàn)室，在這些場(chǎng)景中該法值得廣泛推廣應(yīng)用。