碱熔试样-电感耦合等离子体原子发射光谱法测定铌铁中硅、磷、钛

马晓卉,佡 云,崔博程

(沈阳有色金属研究院有限公司,辽宁 沈阳 110141)

铌铁主要成分是含铌的铁合金。经研究,铌铁目前主要用于冶炼高温合金、不锈钢和高强度低合金钢[1]。铌的加入可以显著增加钢的强度,且在高温条件下也能使其强度不改变,其作为结构性材料可应用于核反应堆中[2-5]。铌也可应用于喷气式引擎零件、火箭组件的超合金中。

由于生产铌铁主要采用铝热法生产工艺,钛含量影响其产品的加工性能,而硅、磷是铌铁检验的主要元素,对其含量的准确测定可为铌铁的使用提供可靠的分析数据。因此,测量铌铁中杂质成分硅、磷、钛很有必要。

目前,铌铁成分的检测一般参考国家标准方法分别进行测定,现有技术中主要采用重量法测定硅,钼蓝光度法测定磷,变色酸光度法测定钛[6-8]。使用以上方法,步骤烦琐,检验周期长[9-13],通常测定每个杂质元素需要3～10 h,化学试剂与人力消耗大,检验成本高。因此,建立准确、快速测定铌铁中杂质元素的方法非常重要。

有文献表明,铌铁中硅、磷、钛的测定可以采用射线X 荧光光谱法[14-15](XRF)和电感耦合等离子体原子发射光谱法[16-17](ICP-AES)。使用XRF 检测需要样品前处理装置压样机或熔融炉,而ICPAES 法具有操作简便,稳定性好等优点,被许多行业用于分析常量和痕量元素。

通常测定铌铁中金属元素时,一般在铂金坩埚(皿)或聚四氟乙烯容器中,采用氢氟酸-硝酸溶解试样,溶样时间长,且不能用于硅的测定(硅与氢氟酸反应生成四氟化硅)。

基于以上分析,本文在前人研究基础上,采用碱熔样品的新型溶样方法,通过电感耦合等离子体原子发射光谱法同时测定硅、磷、钛杂质元素。此分析试验旨在确定物料中铌元素的最佳回收率,以确定最佳的铌铁制备工艺流程。

1 试验部分

1.1 分析样品

铌铁中各杂质元素种类多,铌铁按铌和杂质含量的不同分为以下几个牌号,其化学成分应符合表1规定。

表1 铌铁化学成分Tab.1 Chemical component of FeNb %

铌铁标准样品:YSBC18606—08,重庆钢铁研究所研制;GBW(E)ZBT380,济南众标科技有限公司研制;YSBC2569—93,钢铁研究总院分析测试研究所研制。

1.2 仪器与试剂

仪器:电感耦合等离子体发射光谱仪Thermo ICAP6300(美国赛默飞公司),与ITEVA 操作软件配合使用。

试剂:氩气(纯度99.99%以上);无水碳酸钠;过氧化钠;盐酸浓度(1.19 g/mL。试验所用试剂均为分析纯,试验用水为二次去离子水。

1.3 标准溶液的配制

Ti 标准储备液100 μg/mL,Si 标准储备液500 μg/mL,P 标准储备液1 000 μg/mL,均产自国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院。

1.4 样品的前处理

称取0.100 0 g 标准样品置于预先盛有1.6 g过氧化钠的30 mL 镍坩埚中(随同试样做空白),搅拌均匀,再覆盖少许(约0.1 g)过氧化钠,将坩埚置于低温电炉(200～300 ℃)使水分蒸发,待过氧化钠融化,取下,置于预先升温好的马弗炉中,700～750 ℃下熔融6 min,期间摇动1～2 次,取出,稍冷,放入预先装有50 mL 热水的300 mL 塑料烧杯中,以热水洗涤坩埚,洗液一并留在烧杯中,沿烧杯壁,缓慢加入4 mL 盐酸并不断搅拌,冷却。在250 mL 容量瓶中加入25 mL 盐酸,冷却后,将塑料烧杯中试液转移至该容量瓶,用水稀释至刻度,混匀,待测。

1.5 混合标准溶液的配置

按照1.3 待测试样的酸度配制空白溶液,在100 mL 塑料容量瓶中加入10 mL 盐酸和1 g 氯化钠,加水稀释至刻度,摇匀,待测。

混合标准溶液的配制:用移液枪分别取1 mL、5 mL、10 mL 钛标准储备液3 份,分别置于100 mL 塑料容量瓶,硅、磷标准储备液先分别配成100 μg/mL 的母液,再从母液中分取1 mL、5 mL、10 mL,加入上述3 个容量瓶中。在上述3 个容量瓶中分别加入10 mL盐酸和1 g 氯化钠,用适量水稀释至需要刻度,摇匀,待测。混合标准溶液的浓度分别为1 ppm、5 ppm、10 ppm。

2 测量条件及检出限

2.1 仪器测量条件的选择

对试验中所用仪器的几个重要参数进行调试,最终确定仪器工作条件:垂直观测高度,12 mm;RF 功率,1 150 W;冷却气流量,15 L/min;辅助器流量,1.0 L/min;雾化器流量,0.5 L/min;重复测定次数,3;蠕动泵泵速,50 rpm;冲洗时间,30 s;积分时间,5 s。

2.2 谱线的选择及元素检出限

鉴于电感耦合等离子体光源的激发能力强,引入光源的每一种物质会发射出相当丰富的谱线,因此,谱线的选择应按照对待测元素干扰小或无干扰、背景低、灵敏度高的标准来选择。经过比较,选择的谱线见表2。

表2 元素分析谱线Tab.2 Elements analyzing spectrum lines

2.3 标准曲线的绘制

用空白溶液和混合标准溶液绘制Si、P、Ti 标准曲线如图1～3 所示。

图1 Si(251.611)标准曲线Fig.1 Standard curve of Si(251.611)

图2 P(178.284)标准曲线Fig.2 Standard curve of P(178.284)

图3 Ti(334.941) 标准曲线Fig.3 Standard curve of Ti(334.941)

3 结果与讨论

3.1 测定结果

标准样品YSBC18606-08、GBW(E)ZBT380、YSBC2569-93 中Si、P、Ti 的测定结果(平均值n=10)及相对标准偏差RSD见表3～5。

表3 YSBC18606-08 标准样品的测定结果Tab.3 Determined results of the standard samples%

表4 GBW(E)ZBT380 标准样品的测定结果Tab.4 Determined results of the standard samples%

表5 YSBC2569-93 标准样品的测定结果Tab.5 Determined results of the standard samples%

3.2 试验结果与化学法对比

为了进一步验证方法的准确度,随机抽取3 个日常检测中的铌铁样品,用ICP-AES 光谱法对各组分含量进行分析,同时与湿法测定结果进行对比,其中,硅的检测采用重量法,磷的检测采用钼蓝光度法,钛的检测采用变色酸光度法。结果对照列于表6,各元素分析误差均在允许范围内。

表6 样品分析结果对照Tab.6 Comparison of analytical results with chemical analysis %

3.3 加标回收及精密度试验

为了验证方法的准确性和可靠性,对标准样品YSBC18606-08 加入不同量的硅、磷、钛标准溶液,按试验方法测定回收率,该方法的回收率在98%～100%,将上述溶液进行10 次重复分析,计算相对标准偏差值,该方法各元素的相对标准偏差在0.35%～1.6%。结果见表7。

表7 回收率的测定结果Tab.7 Determined results of recovery rate%

4 结语

试样用过氧化钠熔融分解、强碱介质中沉淀分离后,用ICP-AES 法同时测定铌铁中硅、磷、钛,避免了化学法分析流程的冗长,大幅缩短了分析时间,减少了试剂的消耗,节约了分析成本,快速简便,测定结果准确度高,分析效果较好。

本方法符合国家节能降耗环保要求,有效地利用和发挥ICP 光谱仪多元素同时测定的性能特点。