探析钢铁中锰含量的三种检测方法比较

马尚清

（西宁特殊钢股份有限公司，青海 西宁 810001）

钢铁中元素含量检测一直都是行业人员所重点关注的问题，这关系着后期钢铁材料的开发利用。不过在钢铁元素含量检测中，由于检测方式不同，检测结果冲突性加大，为后续工作带来阻碍。为此，科学选择检测方式，确定检测结果准确性，就成为检测人员关注的重点内容。下文通过对比分析钢铁中锰含量的三种检测方法，来确定检测方式，希望对从业人员有所帮助。

1 锰元素的相关概念

锰是钢铁中较为重要的金属元素，一般以固溶体及化合态形式存在，对钢铁有益无害。在钢铁冶炼中，其内的锰元素与硫酸、稀硝酸可直接形成二价锰离子，具有较高的稳定性，保证钢铁冶炼的整体效果。对于钢铁中锰含量的检测，可利用分光光度法实行测量。即将钢铁置于酸性环境下，内部锰元素会逐渐转化成七价锰，也就是高锰酸，根据高锰酸的颜色与寒冷度正比分析法或滴定试验法，来确定锰元素含量。另外，锰还是很好的脱氧和脱硫剂，能够降低钢铁冶炼中出现的热脆性问题，增大钢强度和硬度。低合金钢中锰的含量在0.8%～1.5%左右。

目前，因钢铁品种不同，锰元素含量也不同，选择的检测方式自然也会存在差异。较常使用的检测方法有：高锰酸盐比色法，但灵敏度偏低；高碘酸钾广度法，简单便捷，使用范围广，不过特殊样品的检测准确率不高；二胺替比林乙烯基甲烷光度法，硝酸银作催化剂。以过硫酸铵作为氧化剂，对比锰反应后的色度变化或容量参数，以此判断锰含量。该方法的稳定性强、检测结果准确性高，应用范围广。

2 钢铁中杂质元素的特征

2.1 钢铁中杂质元素的来源

钢铁在冶炼过程中，杂质元素的产生与添加的金属或非金属原材料、提纯分离技术存在紧密联系。冶炼过程中也不可避免的会存在一些杂质成分，其中以磷、硫元素的出现概率最高。在分析钢铁中杂质元素来源时了解到，原材料带来的杂质元素偏多，如使用的生铁、铁矿石、废钢等，尤其废钢，作为电炉冶炼的主要材料，虽然按直接生产成本计算，废钢的炼钢成本要高于生铁炼钢，但是与用铁矿石和生铁炼钢相比，废钢铁炼每吨钢可减少近1.6吨碳排放，社会效益可观。下文就将从原材料入手，详细分析杂质元素的来源渠道：

首先，生铁矿石。生态矿作为炼钢的主要材料，其在融化成铁水中，残存的杂质元素会融入其中，即使经过后续冶炼，这些残留元素也只会以另一种形式存在，并不会消除，增加钢铁产品中杂质含量。随着杂质元素的增多，钢铁产品质量也会受到一定影响。

其次，废钢。一方面废钢冶炼中，内部原有的杂质会继续留在产品内，增加杂质元素含量。另一方面是由于合金钢元素、镀层及表面涂层中的杂质随着冶炼过程，逐渐附着到产品上，增加杂质含量。这些杂质元素以罐头盒镀锡板等方式，纳入到废钢的循环利用中，常见的镀层金属有锌元素、镍元素，及铜元素等，其中锌元素可以在炼钢中去除。但如果在铁合金中含有这些残余元素，在钢水精炼中又无法去除，则会影响产品性能。

2.2 仪器设备和样品

由于本次研究选择三种不同检测方式，原子吸收光谱检测法、电感耦合等离子体检测法和直读光谱检测法，所以在仪器设备选择上，也应按照这三种检测方式要求，分别选用了原子吸收光谱仪、电感耦合等离子体发射光谱仪和SCP直读光谱仪。检测样品则选择Q235钢、304不锈钢、合金结构钢这三种。

2.3 仪器工作条件

原子吸收光谱仪的的工作条件为：仪器波长控制在279.5nm，灯光电流设定5毫安，狭缝宽度0.2nm左右，燃气流量每小时控制在60升以内。

电感耦合等离子体光谱仪的工作条件：波长控制在257.61nm，设备功率1300w，等离子体每分钟控制在15L左右，雾化器设定为每分钟0.8L，辅助设备参数每分钟控制在0.2L；

直读光谱仪的工作条件：波长参数293.3nm，氩气输入压力在0.4兆帕左右，激发氩气流量控制在每分钟8L，容器真空度则为70mTorr。

3 检测原理

3.1 原子吸收光谱仪

原子吸收光谱仪的使用是向待测样品发射光波信号，在通过样品蒸汽时，会产生不同的光谱谱线，判断这些光谱谱线的明暗变化，来测定样品中元素含量，获取精准检测结果。在对钢铁中锰元素含量检测中，先将样品利用盐酸和硝酸分解，之后加入高氯酸，并持续加热。高氯酸加入后，样品会蒸发，且产生大量白烟，持续加热，观察样品情况，直到不存在白烟后，冷却定容。再依次加入标准溶液、样品溶液，利用锰空心阴极灯为辅助，观察光谱变化情况，对比标准的锰元素波长，得出最终含量检测结果。仪器会以标准溶液的吸光度值对应浓度自动绘制出标准曲线，再根据标准曲线和样品溶液的吸光度，自动计算出样品溶液中锰元素的浓度值，根据称样量得出钢铁样品中的锰含量。

3.2 电感耦合等离子体光谱仪

该检测方式是将高频能量加到耦合线圈上，借助磁场作用原理对检测样品予以分解，分解后的样品经处理蒸发后，会形成不同的谱线图标，通过谱线收集确定其中锰元素的含量。具体来说。电感耦合等离子体光谱仪的操作原理为：

仪器的射频发射器会先发射高频能量到耦合线圈上，耦合线圈中心部位放置等离子矩管，在高频能量作用下，矩管内的氩气发生电力分解成电子和离子，导电的气体受高频电磁场作用，形成与耦合线圈同心的涡流区，电流会产生高热，从而形成火炬形状的可以自持的等离子体，由于高频电流的趋肤效应及内管载气的作用，使等离子体呈环状结构。样品在氩气的带动下进入到雾化系统，转变成气溶胶形式，并进入到等离子体的轴向通道，利用高温及惰性气体作用，使其发生转变，折射不同谱线，对这些谱线加以收集和分析，再对比标准波长值，了解其中锰元素含量。

同样的，在电感耦合等离子体检测前，要先按照原子吸收光谱法的方式予以溶解，以保证后续操作有效性。同时，该仪器的应用，可确定样品硬度情况，以标准溶液的强度值对应浓度自动绘制出标准曲线，再根据标准曲线和样品溶液的强度，自动计算出样品溶液中锰元素的浓度值，根据称样量得出钢铁样品中的锰含量。

3.3 直读光谱仪

直读光谱仪利用原子发射光谱学的理论，样品在经过电弧或电火花放电激发后生成原子蒸汽，产生一定的发射光谱，有仪器的分光室将这些光谱仪光导纤维形式实行科学分段，按照光谱变化情况了解其中元素种类，对应的光谱强度也就是元素的含量值，再利用内部预制标准曲线将含量数值转化成百分比直观显示出来。将制备好的钢铁块状样品作为一个电极，用光源发生器使样品与对电极之间激发发光，并将该光束引入分光室，利用色散元件将光谱分解后，测量选定的内标线和分析线的强度，根据标准样品制作的标准曲线，直接求出钢铁样品中Mn元素的含量。

4 检测结果

选取的三种样品经过以上三种检测方式后，我们得出的各项数值参数为：Q235钢检测后得出标准值为0.622%，允许偏差在0.03上下，采用三种检测方式得出的结果为0.613%、0.605%、0.650%；304不锈钢检测后得出标准值为0.9%，允许偏差在0.03上下，采用三种检测方式得出的结果为0.886%、0.914%、0.928%；合金结构钢检测后得出标准值为1.48%，允许偏差在0.04上下，采用三种检测方式得出的结果为1.491%、1.494%、1.445%。

5 对比三种检测方法的优劣势

一是原子吸收光谱法。精密度、灵敏度高、选择性强、应用范围广，具有较强的抗干扰能力，对低含量元素、微量元素、无机物或有机物含量均可检测。但无法在同一时间内实现多种元素的共同检测，只能确定元素种类，具有一定局限性。且不能测定共振线处于真空紫外区域的磷、硫等元素，钢铁中的硫、磷含量需使用其他方法完成检测；标准工作曲线的线性范围窄，给实际分析工作带来不便。

二是电感耦合等离子体光谱检测法。分析速度快，检测元素种类多，用时时间短，且可同时检测金属和非金属材料。设备的抗干扰能力较差，影响谱线强度的因素较多，有时需要人为剔除干扰谱线；在测量非金属元素时光谱线不灵敏；氩气、氮气等气体耗量大，后期检测成本较高。

三是直读光谱检测。样品处理流程简单，简单打磨即可直接应用到检测中。可实现无损检测，检测效率高。后期样品谱线分析速度较快，准确性强。该检测仪器只能单一检测金属样品，检测前，要构建化学分析模型，容易受到不良因素影响，出现结果偏差。获得的检测结果较前两种方式略显粗糙。

6 结束语

从实验分析中了解到，在钢铁中的锰元素含量检测，原子吸收光谱法、电感耦合等离子体光谱检测法的检测效果明显高于制度光谱检测法，检测结果的精准度和清晰度也较高。不过在使用前两种方式时，需结合自身条件科学选择，以免造成不必要的经济损失，而最后一种方式可应用在初期或前期分析中。