化學成份和鋼中氣體分析

1、5 化學成份和鋼中氣體分析 5.1 化學成份分析 5.1.1 化學分析方法的分類 (1)定性分析和定量分析 定性分析的任務是鑒定物質(zhì)是由哪些元素或化合物所組成的；定量分析的任務則是測定物質(zhì)中有關組成的含量。 (2)常量分析，半微量分析和微量分析 根據(jù)試樣的用量及操作方法不同，可分為常量、半微量和微量分析。各種分析操作時的試樣用量如表5-1所示。另外,根據(jù)被測組分的質(zhì)量百分數(shù),通常又粗略分為常量(1%)、微量（0.01-1%）和痕量（0.1克0.01-0.1克0.1-1.0毫克10毫升1-10毫升0.01-1毫升0.01毫升表5-1 各種分析操作時的試樣用量(3)例行分析、快速分析和仲裁分析 例

2、行分析是指一般化驗室日常生產(chǎn)中的分析,又叫常規(guī)分析。 快速分析是例行分析的一種，主要用于生產(chǎn)過程的控制。 仲裁分析是不同單位對分析結(jié)果有爭議時，要求有關單位用 指定的方法進行準確的分析，以判斷分析結(jié)果的準確性。(4)化學分析和儀器分析 以物質(zhì)的化學反應為基礎的分析方法稱為化學分析法。 以物質(zhì)的物理和物理化學性質(zhì)為基礎的分析方法稱為物理和 物理化學分析法。由于這類方法都需要較特殊的儀器，故一 般又稱為儀器分析法。2 5.1.2 定量分析過程 (1)定量分析步驟 1）取樣 鋼鐵或金屬試樣可使用鉆車、銑、刨、擊碎等方法制取碎屑； 爐渣可使用碎樣機搗碎，然后過篩，未通過篩子的粗顆粒應返回重磨，不可拋棄

3、。爐渣中如含有鐵珠，在粉碎過程中應用磁鐵將其吸出除出。 在取樣過程中，最重要的一點是要使分析試樣具有代表性。 2）試樣的分解 分解試樣的方法主要有溶解和熔融兩大類。 溶解：用水、酸或堿等分解溶解試樣。 熔融：用堿性或酸性劑與試樣在高溫下熔融。 其中最常用的方法是酸溶解分解試樣法。3 3）測定 選擇化學分析或儀器分析方法進行試樣中組元含量的測定。 4）計算分析結(jié)果 根據(jù)試樣重量、測量所得數(shù)據(jù)和分析過程有關反應的計量關 系，再根據(jù)標準樣品的分析結(jié)果或標準曲線計算試樣中有關組 分的含量。 5) 定量分析結(jié)果的表示 鋼的分析結(jié)果用C、Si、Mn、P、S等質(zhì)量百分數(shù)表示。這種 表示結(jié)果不考慮該組分的實際

4、存在形式（如鋼中S可能以FeS 或MnS形式存在）。 爐渣分析結(jié)果常用氧化物形式表示分析，例如：CaO、 MgO 、SiO2、P2O5等質(zhì)量百分數(shù)（實際上，化學分析結(jié)果僅 是該氧化物所含元素含量，如Ca、Mg、Si等，然后根據(jù)分子量 換算成氧化物）。但有時，元素的氧化物存在價態(tài)不清楚（FeO、Fe2O3），則可直接用該元素質(zhì)量百分數(shù)表示（如爐渣 中的w(TFe)%）。4 5.1.3 化學分析法 5.1.3.1 滴定分析法（容量法） 滴定分析法是化學分析中基本的分析方法之一。它是將一種已知準確濃度的溶液即標準溶液，從滴定管中滴加到一定量的待測物質(zhì)的溶液中，直到與等測組分反應完全，由標準溶液的加入

5、量，根據(jù)化學反應的計量關系，算得待測組分的含量。 為了確定在什么時候終止滴定，常在待測物質(zhì)的溶液中加入一種試劑即指示劑，當?shù)味ǖ降犬旤c附近時，指示劑的顏色發(fā)生突變，據(jù)此終止滴定（這一點就是滴定終點）。 滴定分析通常適用于測定高含量或中含量組分，即待測組分質(zhì)量分數(shù)在1%以上。5 5.1.3.2 重量分析法 在重量分析法中，一般是將被測組分與試樣中其它組分分離后，轉(zhuǎn)化為一定的稱量形式，然后用稱重方法測定該組分的含量。根據(jù)分離方法的不同，重量分析一般分為三類。沉淀法 將被測組分以微溶化合物的形式沉淀出來，現(xiàn)將沉淀過濾、洗滌、烘干或灼燒，最后稱重，計算其含量。氣化法 一般是通過加熱或其它方法使試樣中的

6、被測組成揮發(fā)逸出，然后根據(jù)試樣重量的減輕計算該組分的含量。 電解法 利用電解原理，使金屬離子在電極上析出，然后稱重，求得其含量。6 5.1.4 儀器分析法 常用的幾種儀器分析法的特點如表7-2所示，表中四種儀器分析法均屬于光學分析法。 表7-2 常用儀器分析法的特點方法名稱分析原理分析用樣品要求經(jīng)常分析的樣品種類分光光度法溶液中分子對光的選擇溶液鋼鐵、合金、爐渣、原材料X光螢光光譜分析原子受X射線照射而發(fā)射出螢光X射線光譜固體（熔融獲得）爐渣、原材料、原子吸收分光光度法原子蒸汽對同種元素發(fā)射的特征譜線的選擇吸收溶液爐渣、原材料、鋼鐵發(fā)射光譜分析原子受熱能和電能的激發(fā)而發(fā)射出特征光譜固體（金屬本

7、身）鋼鐵、合金7 5.1.4.1 分光光度法（比色法） 分光光度法是基于物質(zhì)對光的吸收作用而建立起來的分析方法，它利用分光光度計來測量一系列標準溶液的吸光度，繪制標準曲線，然后根據(jù)被測試液的吸光度，從標準曲線上求得其濃度或含量。 分光光度法一般可測定質(zhì)量分數(shù)1-0.001%的微量組分。 常用的國產(chǎn)721型分光光度計外形示意圖如圖5-1所示 8分光光度法分析操作： 先將試樣分解制成溶液， 然后在溶液中加入顯色劑進行顯色反應，將待測組分轉(zhuǎn)變?yōu)橛猩j合物， 最后進行比色（測定吸光度）。5.1.4.2 原子吸收分光光度法原子吸收分光光度法也叫原子吸收光譜分析法。圖5-2是原子吸收分析示意圖。 圖5-2

8、 原子吸收分析示意圖9 如圖所示，如果要測定試液中鎂離子的含量： 先將試液噴射成霧狀進入原子化器內(nèi)的燃燒火焰中，這時試液將揮發(fā)并離解成基態(tài)原子蒸氣。 再用鎂空心陰極燈作光源，它輻射出具有波長2852 的鎂的特征譜線的光，當穿過一定厚度的原子蒸氣時，部分光被蒸氣中基態(tài)鎂原子吸收而減弱，透過光經(jīng)單色器將被測元素的分析線與其它譜線分開，再由檢測系統(tǒng)測得鎂特征譜線減弱后的光強度。根據(jù)光吸收定律，吸光度大小與原子化器中待測元素原子濃度成正比的關系，即可求得鎂的含量.10 5.1.4.3 發(fā)射光譜分析法 發(fā)射光譜分析是根據(jù)原子受到熱能或電能的激發(fā)后所發(fā)射的特征光譜線來進行定性及定量分析的一種方法。圖5-3

9、是發(fā)射光譜分析儀器示意圖。 圖5-3 發(fā)射光譜分析儀器示意圖 發(fā)射光譜分析具有以下特點： （1）分析速度快?？捎媒饘僭嚇又苯幼鲭姌O進行分析。在鋼鐵分析中，采用直讀光譜儀，可以在2-3分鐘內(nèi)同時給出鋼中20多種元素的分析結(jié)果。11 （2）需要用一套標準樣品對照，往往由于試樣組成的變化，以及標準樣品的不易配制，給光譜定量分析造成困難。 5.1.4.4 X射線螢光光譜分析法 X射線螢光光譜分析是將光源中輻射出的X射線照射到樣品的表面時，X射線中的光子便與樣品的原子發(fā)生碰撞，原子被激發(fā)而發(fā)射二次X射線螢光。通常，根據(jù)X射線的波長，可以進行定性分析；根據(jù)譜線的強度，可以進行定量分析。X射線螢光光譜儀如圖

10、5-4所示 圖5-4 X射線螢光光譜分析儀示意圖12 X射線螢光光譜法適用于測定原子序數(shù)9（氟）至92（鈾）的元素。 該方法不僅適用于微量組分的測定，也適用于高至質(zhì)量分數(shù)90%左右的高含量組分的測定。特別是對于高含量組分的測定，本方法還具有相當高的準確度。 5.2 鋼中氣體分析 鋼中氣體主要指氮、氫、氧。 氮在鋼中主要以氮化物的形式存在，部分氮以原子態(tài)固溶于金屬晶格中，形成間隙式固溶體，也有極少部分氮以游離狀態(tài)存在。 氫以原子或離子的形式溶于鋼。 氧主要以氧化物夾雜的形式存在于鋼中。 鋼中氣體含量雖然不高，但對鋼的性能和質(zhì)量都有很大影響。 因此對鋼中氣體進行分析，了解鋼中氣體的含量是很有必要的

11、。135.2.1 鋼中氮的化學分析法(1)基本原理 化學定氮的反應原理如下。試樣分解： 2Fe4N + 18HCl = 3FeCl2 + 2NH4Cl + 5H2 2FeN + 4H2SO4 = Fe2(SO4)3 + (NH4)2SO4 Mn3N2 + 4H2SO4 = (NH4)2SO4 + 3MnSO4蒸餾過程：NH4Cl + NaOH = NaCl + NH3 + H2O (NH4)2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2NH3 + 2H2O逸出的氨和水蒸氣冷卻成NH3H2O被H3BO3溶液吸收： NH3H2O + H3BO3 = (NH4)H2BO3+ H2O 滴定過程：

12、2(NH4)H2BO3 + H2SO4 = 2H3BO3 + (NH4)2SO4測定范圍：容量法0.05-0.40 質(zhì)量百分數(shù)；吸光光度法0.002- 0.30 質(zhì)量百分數(shù)。14(2)儀器設備 蒸餾分離定氮時所用的裝置如圖5-5所示。圖5-5 蒸餾分離法定氮裝置1-蒸汽發(fā)生器;2-緩沖瓶;3-帶活塞的漏斗;4-蒸餾瓶;冷凝器;6-吸收瓶;7-調(diào)壓變壓器(3)分析步驟 稱取試樣置于150ml錐形瓶中，加入50mL (1：4) H2SO4，低溫加熱至試樣溶解后，滴加0.51mL H2O2破壞碳化物，煮沸，取下冷卻。 檢查儀器空白，待正常后，將50mL NaOH溶液加入蒸餾瓶中，通蒸氣蒸餾。15 (

13、4)容量法測定 餾出液用盛有10mL H3BO3吸收溶液的250mL錐形瓶吸收，當體積達100120mL時取下，加3滴甲基紅一 次甲基藍混合指示劑，用H2SO4標準溶液滴定至微紅為終點。氮的百分含量按下式計算： (V V0)N014.01 N% = 100 W1000 式中：V 滴定試液時消耗H2SO4標準溶液體積，mL； V0 滴定試劑空白所消耗H2SO4標準溶液體積，mL； N0 H2SO4標準溶液的當量濃度； 14.01 氮的當量； W 稱樣量，g。165.2.2 真空加熱微壓法測定鋼中氫 (1)測定原理 氫在金屬中的溶解符合平方根定律 H = KPH2 式中 H 氫在金屬中的溶解度；

14、PH2 密閉容器內(nèi)，氫在氣相中的分壓； K 比例常數(shù)。 基于上述原理，將試樣置于石英管中，使系統(tǒng)保持低于0.133322Pa的高真空條件下，加熱到650800。 借助于油擴散泵的作用，使試樣中的氫充分地析出。然后收集于分析容器中，用麥氏計測其壓力。17 將氣體通過溫度為450500的氧化銅轉(zhuǎn)化爐，使H2氧化成H2O經(jīng)液氮或干冰一丙酮冷卻冷凝(-78)，反應如下： CuO + H2 = Cu + H2O(氣) H2O(氣) H2O(固) 殘余的氣體再吸集于分析容器中，二次測量壓力。根據(jù)兩次壓力差，換算成標準狀態(tài)下氫的含量。 所測得的兩次壓力差(P1-P2)，即為真空熱提取測得的氫的壓力PH2，然

15、后用下式換算出標準狀態(tài)下，每100g試樣中氫的毫升數(shù)。 PH2 K H2(ml)/100g = 100 G 式中 K 容積常數(shù)， G 試樣克數(shù)。18 5.2.3脈沖加熱紅外線法測定鋼中氧 (1)紅外線分析鋼中氧的基本原理 基于鋼樣中釋放出來的氣體與石墨碳作用生成的多原子氣體分子（CO，CO2等）的濃度不同，吸收輻射能不同，并選擇性地吸收紅外線某一波長，根據(jù)吸收程度大小來測定該氣體含量的多少。 (2) 應用實例 紅外線氣體分析儀測定金屬中氧含量的過程是： 在氬氣氣氛中，將試樣加入石墨坩堝內(nèi)，由脈沖爐加熱。 脈沖加熱是在惰性氣氛下，利用低電壓(1012V)，大電流(6001000A)，瞬時(34s

16、)通過夾在兩個銅電極間的石墨坩堝而獲得2700-3000的高溫，此時樣品迅速熔化。19 樣品中的氧與石墨作用生成CO，載氣把CO送入工作室內(nèi)吸收一部分紅外線能量，與參比室比較產(chǎn)生了光能差，通過薄膜微音器轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)放大，積分和數(shù)據(jù)處理后，即為樣品中的氧的含量。 圖5-6 紅外線氣體分析儀結(jié)構(gòu)示意圖20 5.2.4 氣相色譜法測定鋼中氮、氫、氧 (1)氣相色譜法基本知識 色譜法是一種分離技術，這種技術應用于分析化學中，就是色譜分析。 它的原理是：使混合物中各組分在兩相間進行分配，其中一相是不動的，稱為固定相；另一相是攜帶混合物通過此固定相的流體，稱為流動相。當流動相中所含混合物經(jīng)過固定相時，

17、就會與固定相發(fā)生作用。 不同組成在固定相中的滯留時間有長有短，從而按先后不同的次序從固定相中流出。這種借助兩相間分配原理而使混合物中各組分分離的技術，稱為色譜分離技術或色譜法。 21 氣相色譜法是采用氣體一作為流動相的一種色譜法，在此法中，載氣（如氬氣）載著欲分離的試樣通過色譜柱中的固定相，使試樣中各組分分離。如圖5-7所示。圖5-7 氣相色譜法流程 示意圖 色譜柱內(nèi)充填的常用固體吸附劑有硅膠、活性碳、氧化鋁、分子篩等。它們都具有很大的比表面（一般為1001000/g），且對不同組分的吸附能力不一樣，因此可根據(jù)被分析對象來選用最合適的吸附劑。22(2)脈沖加熱氣相色譜法測定鋼中氮、氫、氧 脈沖加熱氣相色譜儀測定鋼中氣體的方法為: 在氬氣氣氛中，將金屬試樣放在石墨坩堝內(nèi)，在脈沖加熱爐中通電加熱至25003000，試樣熔融后釋放出H2、N2、CO等混合氣體； 氬氣載著混合氣體通過色譜柱，分離后流經(jīng)熱導池檢測器； 以峰高含量法分別測定三種氣體的含量，再用注射標準氣體或同時測定標準樣品的辦法換算結(jié)果。 熱導池檢測器是由四根阻值相同的鎢絲（熱敏元件）組成的惠斯登電橋，其線路如圖5-8所示。23 圖5-8 惠斯登電橋線路圖 圖中R1、R3為參考臂，R2、R4為測量臂。當純載氣（Ar）通過參考臂和測量臂時，電橋處于平衡狀態(tài)， A、B兩端無