化学成份和钢中气体分析

1、5 化学成份和钢中气体分析 5.1 化学成份分析 5.1.1 化学分析方法的分类 (1)定性分析和定量分析 定性分析的任务是鉴定物质是由哪些元素或化合物所组成的；定量分析的任务则是测定物质中有关组成的含量。 (2)常量分析，半微量分析和微量分析 根据试样的用量及操作方法不同，可分为常量、半微量和微量分析。各种分析操作时的试样用量如表5-1所示。另外,根据被测组分的质量百分数,通常又粗略分为常量(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 各种分析操作时的试样用量(3)例行分析、快速分析和仲裁分析 例

2、行分析是指一般化验室日常生产中的分析,又叫常规分析。 快速分析是例行分析的一种，主要用于生产过程的控制。 仲裁分析是不同单位对分析结果有争议时，要求有关单位用 指定的方法进行准确的分析，以判断分析结果的准确性。(4)化学分析和仪器分析 以物质的化学反应为基础的分析方法称为化学分析法。 以物质的物理和物理化学性质为基础的分析方法称为物理和 物理化学分析法。由于这类方法都需要较特殊的仪器，故一 般又称为仪器分析法。2 5.1.2 定量分析过程 (1)定量分析步骤 1）取样 钢铁或金属试样可使用钻车、铣、刨、击碎等方法制取碎屑； 炉渣可使用碎样机捣碎，然后过筛，未通过筛子的粗颗粒应返回重磨，不可抛弃

3、。炉渣中如含有铁珠，在粉碎过程中应用磁铁将其吸出除出。 在取样过程中，最重要的一点是要使分析试样具有代表性。 2）试样的分解 分解试样的方法主要有溶解和熔融两大类。 溶解：用水、酸或碱等分解溶解试样。 熔融：用碱性或酸性剂与试样在高温下熔融。 其中最常用的方法是酸溶解分解试样法。3 3）测定 选择化学分析或仪器分析方法进行试样中组元含量的测定。 4）计算分析结果 根据试样重量、测量所得数据和分析过程有关反应的计量关 系，再根据标准样品的分析结果或标准曲线计算试样中有关组 分的含量。 5) 定量分析结果的表示 钢的分析结果用C、Si、Mn、P、S等质量百分数表示。这种 表示结果不考虑该组分的实际

4、存在形式（如钢中S可能以FeS 或MnS形式存在）。 炉渣分析结果常用氧化物形式表示分析，例如：CaO、 MgO 、SiO2、P2O5等质量百分数（实际上，化学分析结果仅 是该氧化物所含元素含量，如Ca、Mg、Si等，然后根据分子量 换算成氧化物）。但有时，元素的氧化物存在价态不清楚（FeO、Fe2O3），则可直接用该元素质量百分数表示（如炉渣 中的w(TFe)%）。4 5.1.3 化学分析法 5.1.3.1 滴定分析法（容量法） 滴定分析法是化学分析中基本的分析方法之一。它是将一种已知准确浓度的溶液即标准溶液，从滴定管中滴加到一定量的待测物质的溶液中，直到与等测组分反应完全，由标准溶液的加入

5、量，根据化学反应的计量关系，算得待测组分的含量。 为了确定在什么时候终止滴定，常在待测物质的溶液中加入一种试剂即指示剂，当滴定到等当点附近时，指示剂的颜色发生突变，据此终止滴定（这一点就是滴定终点）。 滴定分析通常适用于测定高含量或中含量组分，即待测组分质量分数在1%以上。5 5.1.3.2 重量分析法 在重量分析法中，一般是将被测组分与试样中其它组分分离后，转化为一定的称量形式，然后用称重方法测定该组分的含量。根据分离方法的不同，重量分析一般分为三类。沉淀法 将被测组分以微溶化合物的形式沉淀出来，现将沉淀过滤、洗涤、烘干或灼烧，最后称重，计算其含量。气化法 一般是通过加热或其它方法使试样中的

6、被测组成挥发逸出，然后根据试样重量的减轻计算该组分的含量。 电解法 利用电解原理，使金属离子在电极上析出，然后称重，求得其含量。6 5.1.4 仪器分析法 常用的几种仪器分析法的特点如表7-2所示，表中四种仪器分析法均属于光学分析法。 表7-2 常用仪器分析法的特点方法名称分析原理分析用样品要求经常分析的样品种类分光光度法溶液中分子对光的选择溶液钢铁、合金、炉渣、原材料X光萤光光谱分析原子受X射线照射而发射出萤光X射线光谱固体（熔融获得）炉渣、原材料、原子吸收分光光度法原子蒸汽对同种元素发射的特征谱线的选择吸收溶液炉渣、原材料、钢铁发射光谱分析原子受热能和电能的激发而发射出特征光谱固体（金属本

7、身）钢铁、合金7 5.1.4.1 分光光度法（比色法） 分光光度法是基于物质对光的吸收作用而建立起来的分析方法，它利用分光光度计来测量一系列标准溶液的吸光度，绘制标准曲线，然后根据被测试液的吸光度，从标准曲线上求得其浓度或含量。 分光光度法一般可测定质量分数1-0.001%的微量组分。 常用的国产721型分光光度计外形示意图如图5-1所示 8分光光度法分析操作： 先将试样分解制成溶液， 然后在溶液中加入显色剂进行显色反应，将待测组分转变为有色络合物， 最后进行比色（测定吸光度）。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谱分析法。图5-2是原子吸收分析示意图。 图5-2

8、 原子吸收分析示意图9 如图所示，如果要测定试液中镁离子的含量： 先将试液喷射成雾状进入原子化器内的燃烧火焰中，这时试液将挥发并离解成基态原子蒸气。 再用镁空心阴极灯作光源，它辐射出具有波长2852 的镁的特征谱线的光，当穿过一定厚度的原子蒸气时，部分光被蒸气中基态镁原子吸收而减弱，透过光经单色器将被测元素的分析线与其它谱线分开，再由检测系统测得镁特征谱线减弱后的光强度。根据光吸收定律，吸光度大小与原子化器中待测元素原子浓度成正比的关系，即可求得镁的含量.10 5.1.4.3 发射光谱分析法 发射光谱分析是根据原子受到热能或电能的激发后所发射的特征光谱线来进行定性及定量分析的一种方法。图5-3

9、是发射光谱分析仪器示意图。 图5-3 发射光谱分析仪器示意图 发射光谱分析具有以下特点： （1）分析速度快。可用金属试样直接做电极进行分析。在钢铁分析中，采用直读光谱仪，可以在2-3分钟内同时给出钢中20多种元素的分析结果。11 （2）需要用一套标准样品对照，往往由于试样组成的变化，以及标准样品的不易配制，给光谱定量分析造成困难。 5.1.4.4 X射线萤光光谱分析法 X射线萤光光谱分析是将光源中辐射出的X射线照射到样品的表面时，X射线中的光子便与样品的原子发生碰撞，原子被激发而发射二次X射线萤光。通常，根据X射线的波长，可以进行定性分析；根据谱线的强度，可以进行定量分析。X射线萤光光谱仪如图

10、5-4所示 图5-4 X射线萤光光谱分析仪示意图12 X射线萤光光谱法适用于测定原子序数9（氟）至92（铀）的元素。 该方法不仅适用于微量组分的测定，也适用于高至质量分数90%左右的高含量组分的测定。特别是对于高含量组分的测定，本方法还具有相当高的准确度。 5.2 钢中气体分析 钢中气体主要指氮、氢、氧。 氮在钢中主要以氮化物的形式存在，部分氮以原子态固溶于金属晶格中，形成间隙式固溶体，也有极少部分氮以游离状态存在。 氢以原子或离子的形式溶于钢。 氧主要以氧化物夹杂的形式存在于钢中。 钢中气体含量虽然不高，但对钢的性能和质量都有很大影响。 因此对钢中气体进行分析，了解钢中气体的含量是很有必要的

11、。135.2.1 钢中氮的化学分析法(1)基本原理 化学定氮的反应原理如下。试样分解： 2Fe4N + 18HCl = 3FeCl2 + 2NH4Cl + 5H2 2FeN + 4H2SO4 = Fe2(SO4)3 + (NH4)2SO4 Mn3N2 + 4H2SO4 = (NH4)2SO4 + 3MnSO4蒸馏过程：NH4Cl + NaOH = NaCl + NH3 + H2O (NH4)2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2NH3 + 2H2O逸出的氨和水蒸气冷却成NH3H2O被H3BO3溶液吸收： NH3H2O + H3BO3 = (NH4)H2BO3+ H2O 滴定过程：

12、2(NH4)H2BO3 + H2SO4 = 2H3BO3 + (NH4)2SO4测定范围：容量法0.05-0.40 质量百分数；吸光光度法0.002- 0.30 质量百分数。14(2)仪器设备 蒸馏分离定氮时所用的装置如图5-5所示。图5-5 蒸馏分离法定氮装置1-蒸汽发生器;2-缓冲瓶;3-带活塞的漏斗;4-蒸馏瓶;冷凝器;6-吸收瓶;7-调压变压器(3)分析步骤 称取试样置于150ml锥形瓶中，加入50mL (1：4) H2SO4，低温加热至试样溶解后，滴加0.51mL H2O2破坏碳化物，煮沸，取下冷却。 检查仪器空白，待正常后，将50mL NaOH溶液加入蒸馏瓶中，通蒸气蒸馏。15 (

13、4)容量法测定 馏出液用盛有10mL H3BO3吸收溶液的250mL锥形瓶吸收，当体积达100120mL时取下，加3滴甲基红一 次甲基蓝混合指示剂，用H2SO4标准溶液滴定至微红为终点。氮的百分含量按下式计算： (V V0)N014.01 N% = 100 W1000 式中：V 滴定试液时消耗H2SO4标准溶液体积，mL； V0 滴定试剂空白所消耗H2SO4标准溶液体积，mL； N0 H2SO4标准溶液的当量浓度； 14.01 氮的当量； W 称样量，g。165.2.2 真空加热微压法测定钢中氢 (1)测定原理 氢在金属中的溶解符合平方根定律 H = KPH2 式中 H 氢在金属中的溶解度；

14、PH2 密闭容器内，氢在气相中的分压； K 比例常数。 基于上述原理，将试样置于石英管中，使系统保持低于0.133322Pa的高真空条件下，加热到650800。 借助于油扩散泵的作用，使试样中的氢充分地析出。然后收集于分析容器中，用麦氏计测其压力。17 将气体通过温度为450500的氧化铜转化炉，使H2氧化成H2O经液氮或干冰一丙酮冷却冷凝(-78)，反应如下： CuO + H2 = Cu + H2O(气) H2O(气) H2O(固) 残余的气体再吸集于分析容器中，二次测量压力。根据两次压力差，换算成标准状态下氢的含量。 所测得的两次压力差(P1-P2)，即为真空热提取测得的氢的压力PH2，然

15、后用下式换算出标准状态下，每100g试样中氢的毫升数。 PH2 K H2(ml)/100g = 100 G 式中 K 容积常数， G 试样克数。18 5.2.3脉冲加热红外线法测定钢中氧 (1)红外线分析钢中氧的基本原理 基于钢样中释放出来的气体与石墨碳作用生成的多原子气体分子（CO，CO2等）的浓度不同，吸收辐射能不同，并选择性地吸收红外线某一波长，根据吸收程度大小来测定该气体含量的多少。 (2) 应用实例 红外线气体分析仪测定金属中氧含量的过程是： 在氩气气氛中，将试样加入石墨坩埚内，由脉冲炉加热。 脉冲加热是在惰性气氛下，利用低电压(1012V)，大电流(6001000A)，瞬时(34s

16、)通过夹在两个铜电极间的石墨坩埚而获得2700-3000的高温，此时样品迅速熔化。19 样品中的氧与石墨作用生成CO，载气把CO送入工作室内吸收一部分红外线能量，与参比室比较产生了光能差，通过薄膜微音器转变成电信号，经放大，积分和数据处理后，即为样品中的氧的含量。 图5-6 红外线气体分析仪结构示意图20 5.2.4 气相色谱法测定钢中氮、氢、氧 (1)气相色谱法基本知识 色谱法是一种分离技术，这种技术应用于分析化学中，就是色谱分析。 它的原理是：使混合物中各组分在两相间进行分配，其中一相是不动的，称为固定相；另一相是携带混合物通过此固定相的流体，称为流动相。当流动相中所含混合物经过固定相时，

17、就会与固定相发生作用。 不同组成在固定相中的滞留时间有长有短，从而按先后不同的次序从固定相中流出。这种借助两相间分配原理而使混合物中各组分分离的技术，称为色谱分离技术或色谱法。 21 气相色谱法是采用气体一作为流动相的一种色谱法，在此法中，载气（如氩气）载着欲分离的试样通过色谱柱中的固定相，使试样中各组分分离。如图5-7所示。图5-7 气相色谱法流程 示意图 色谱柱内充填的常用固体吸附剂有硅胶、活性碳、氧化铝、分子筛等。它们都具有很大的比表面（一般为1001000/g），且对不同组分的吸附能力不一样，因此可根据被分析对象来选用最合适的吸附剂。22(2)脉冲加热气相色谱法测定钢中氮、氢、氧 脉冲加热气相色谱仪测定钢中气体的方法为: 在氩气气氛中，将金属试样放在石墨坩埚内，在脉冲加热炉中通电加热至25003000，试样熔融后释放出H2、N2、CO等混合气体； 氩气载着混合气体通过色谱柱，分离后流经热导池检测器； 以峰高含量法分别测定三种气体的含量，再用注射标准气体或同时测定标准样品的办法换算结果。 热导池检测器是由四根阻值相同的钨丝（热敏元件）组成的惠斯登电桥，其线路如图5-8所示。23 图5-8 惠斯登电桥线路图 图中R1、R3为参考臂，R2、R4为测量臂。当纯载气（Ar）通过参考臂和测量臂时，电桥处于平衡状态， A、B两端无