电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)法测定铸造用硅砂中的Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO、TiO2、K2O、Na2O

陈 蓉

(宁夏共享集团股份有限公司，银川750021)

前言

铸造用硅砂广泛应用于铸钢、铸铁和铸造非铁合金，是铸造生产中用量最大的造型材料。但硅砂不可用于锰钢与高铬钢的生产。

硅砂中的杂质有Al2O3、Fe2O3、MgO、TiO2、K2O、Na2O、CaO等，杂质的存在形式和分布状况对硅砂的耐火度、酸耗值等有直接影响。Al2O3对硅砂的耐火度影响较为明显，而以碳酸盐或贝壳形式出现的CaO对硅砂酸耗值的影响不应忽视。硅砂中的铁杂质一般都以Fe2O3形式和含量进行计算，少量的Fe2O3对硅砂的耐火度影响不大。硅砂中的杂质，在高温下先熔化，并与各种无机黏结剂及金属液中氧化物形成复杂化合物，此类化合物熔点都较低，超过一定数量后，不但会严重侵蚀和熔化石英颗粒，而且会增大氧化渣和金属液渗入的通道，使铸件表面出现粘砂。

硅砂中的杂质Al2O3、Fe2O3、MgO、TiO2、CaO，国家标准方法采用分光光度法或原子吸收光谱法测定[1-2]，检测操作繁琐，试剂加入多，单个元素检测周期长，K2O、Na2O用原子吸收光谱法测定，用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定的文献未见报道。电感耦合等离子体原子发射光谱法具有测定范围宽、精密度高、准确性好等优点，广泛被应用[3-5]。建立了ICP-AES法测定铸造用硅沙中Al2O3、Fe2O3、MgO、TiO2、K2O、Na2O、CaO的分析方法，精密度、准确度高，检测不用金属铂坩埚，检测速度快、效率高，不用加入显色剂。

1 实验部分

1.1 主要仪器和试剂

PE 8000型电感耦合等离子体发射光谱仪(美国PerkinElmer公司)。

盐酸、硝酸、高氯酸、氢氟酸均为分析纯。硝酸(1+1)、盐酸(1+1)。

铁、铝、钙、镁、钛、钾、钠标准储备溶液(1 000 μg/mL，购自国家标准物质研究中心)。

铝标准溶液(10 μg/mL)：移取10 mL铝标准储备溶液(1 000 μg/mL)置于100 mL容量瓶中，用水稀释至刻度，混匀，储存于塑料瓶中。

钙、镁、钛、钠标准溶液(10 μg/mL)：分别移取1 mL 钙、镁标准储备溶液(1 000 μg/mL)、钛、钠标准储备溶液(1 000 μg/mL)置于100 mL容量瓶中，用水稀释至刻度，混匀。

铁、钾标准溶液(10 μg/mL)：分别移取1 mL铁标准储备溶液(1 000 μg/mL)、钾标准储备溶液(1 000 μg/mL)置于100 mL容量瓶中，用水稀释至刻度，混匀。

1.2 仪器测量参数

ICP-AES仪的最佳工作条件为：射频功率1 300 W，辅助气流量0.2 L/min，雾室压力0.379 MPa，泵速1.50 r/min，等离子体气体流量15 L/min，观测方式为轴向观测。

1.3 实验方法

1.3.1 样品制备

样品经过1 000 ℃灼烧约30 min，恒重，研磨成粒度小于0.088 mm的试料。

1.3.2 试样溶液制备

称取0.1 g(精确至0.000 1 g，视待测元素含量而定)样品置于50 mL聚四氟乙烯坩埚中，加入少量水湿润，加5 mL硝酸，边摇边滴加7.5 mL氢氟酸，待剧烈作用停止后，加热缓慢溶解，溶解后，加5 mL高氯酸，加热至冒烟近干，冷却，加少量水，加5 mL盐酸(1+1)，加5 mL硝酸(1+1)，溶解盐类。冷却至室温，移至100 mL容量瓶中，加水稀释至刻度，摇匀待测。随同试样做空白实验。实验过程中应保证所有容器用盐酸浸泡并清洗干净。

1.3.3 工作曲线的绘制

在6个100 mL容量瓶中，按表1加入被测元素制作成标准工作溶液。

表1 工作曲线浓度

2 结果与讨论

2.1 样品溶解方式的选择

硅砂中一般铁、铝、钛多以氧化物存在, 主要杂质以钙、镁、钾、钠元素等氧化物或碳酸盐化合物存在。试样的前处理可采用湿法酸溶、碱熔法。在酸能溶解完全的情况下，就选择酸溶，因为碱熔会带入大量基体钠，造成基体干扰，所以实验采用了酸溶法。又由于电感耦合等离子体原子发射光谱法测定时，样品溶液宜选择盐酸、硝酸、高氯酸。故实验中选择硝酸、氢氟酸处理的酸溶法。在酸溶处理样品时,注意样品要完全溶清，如果没有溶解，可以再重复操作，加5 mL硝酸，边摇边滴加7.5 mL氢氟酸，直至样品完全溶解，对结果没有影响。同时，加高氯酸实验分两种情况，一种是加5 mL高氯酸，刚冒烟；一种是加5 mL高氯酸，冒烟至近干。两种处理方式中刚冒烟就取下，测定结果不稳定。相比较而言，第二种冒烟至近干的方法结果较稳定。故实验中选择加入高氯酸冒烟至近干的酸溶法处理样品。

在选择溶样容器上，分别选择聚四氟乙烯坩埚和铂坩埚，实验结果表明，这两种容器溶样，其测定结果都稳定。考虑经济因素，因此选用聚四氟乙烯坩埚作为溶样容器。

2.2 元素分析线的选择

分析线的选择对检测的准确度影响最大,通过扫描元素谱线图，结合设备给出待测元素各谱线的强度和信背比值，在没基体干扰的情况下，选取强度大的谱线作为分析线，最终选择Fe 238.204 nm、Al 396.153 nm、Ca 317.933 nm、Mg 285.213 nm、Ti 334.94 nm、K 769.896 nm、Na 589.592 nm作为分析谱线。

2.3 基体和共存元素的影响

硅砂中主要基体是二氧化硅，溶样时加入氢氟酸使得二氧化硅以四氟化硅形式挥发除去，这样就消除了样品中存在的基体背景干扰。

2.4 方法的线性范围、相关系数及检出限

根据推荐所选择的仪器最佳测定条件，测定标准溶液系列中待测元素的强度，以强度和所对应的元素浓度绘制校准曲线,计算校正因子，计算出工作曲线的线性相关系数。

检出限检测方法是在选择仪器最佳的测定参数下,对不含待测元素的校准空白溶液连续测定11次，以测定结果的3倍标准偏差所对应的浓度值计算方法的检出限。

线性范围的下限按工作曲线浓度最低点计算，上限按工作曲线浓度最高点计算。

实验中方法的线性范围、曲线的线性相关系数和方法检出限列于表2。

表2 方法线性范围、线性相关系数及方法检出限

2.5 精密度实验

按照实验方法测定硅砂的标准物质中各元素3个梯度含量,并进行精密度(n=5)实验，结果见表3。从表3可以看出，相对标准偏差满足硅沙中各元素测定的要求，说明该方法稳定性较好，满足检测要求。

表3 精密度实验

2.6 准确度实验

按照实验方法测定硅砂标准物质中各元素的含量，结果见表4。元素含量可以根据各元素氧化物换算系数换算成氧化物的含量。从表4可知，方法准确、可靠。

3 结论

采用电感耦合等离子体发射光谱法同时测定硅砂中的Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O、CaO。研究结果表明，方法快速，简便，且精密度和准确度较好，能够满足日常硅砂的质量控制。

表4 准确度实验