電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)法測定鑄造用硅砂中的Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO、TiO2、K2O、Na2O

陳 蓉

(寧夏共享集團股份有限公司，銀川750021)

前言

鑄造用硅砂廣泛應(yīng)用于鑄鋼、鑄鐵和鑄造非鐵合金，是鑄造生產(chǎn)中用量最大的造型材料。但硅砂不可用于錳鋼與高鉻鋼的生產(chǎn)。

硅砂中的雜質(zhì)有Al2O3、Fe2O3、MgO、TiO2、K2O、Na2O、CaO等，雜質(zhì)的存在形式和分布狀況對硅砂的耐火度、酸耗值等有直接影響。Al2O3對硅砂的耐火度影響較為明顯，而以碳酸鹽或貝殼形式出現(xiàn)的CaO對硅砂酸耗值的影響不應(yīng)忽視。硅砂中的鐵雜質(zhì)一般都以Fe2O3形式和含量進行計算，少量的Fe2O3對硅砂的耐火度影響不大。硅砂中的雜質(zhì)，在高溫下先熔化，并與各種無機黏結(jié)劑及金屬液中氧化物形成復(fù)雜化合物，此類化合物熔點都較低，超過一定數(shù)量后，不但會嚴重侵蝕和熔化石英顆粒，而且會增大氧化渣和金屬液滲入的通道，使鑄件表面出現(xiàn)粘砂。

硅砂中的雜質(zhì)Al2O3、Fe2O3、MgO、TiO2、CaO，國家標準方法采用分光光度法或原子吸收光譜法測定[1-2]，檢測操作繁瑣，試劑加入多，單個元素檢測周期長，K2O、Na2O用原子吸收光譜法測定，用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定的文獻未見報道。電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法具有測定范圍寬、精密度高、準確性好等優(yōu)點，廣泛被應(yīng)用[3-5]。建立了ICP-AES法測定鑄造用硅沙中Al2O3、Fe2O3、MgO、TiO2、K2O、Na2O、CaO的分析方法，精密度、準確度高，檢測不用金屬鉑坩堝，檢測速度快、效率高，不用加入顯色劑。

1 實驗部分

1.1 主要儀器和試劑

PE 8000型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國PerkinElmer公司)。

鹽酸、硝酸、高氯酸、氫氟酸均為分析純。硝酸(1+1)、鹽酸(1+1)。

鐵、鋁、鈣、鎂、鈦、鉀、鈉標準儲備溶液(1 000 μg/mL，購自國家標準物質(zhì)研究中心)。

鋁標準溶液(10 μg/mL)：移取10 mL鋁標準儲備溶液(1 000 μg/mL)置于100 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，混勻，儲存于塑料瓶中。

鈣、鎂、鈦、鈉標準溶液(10 μg/mL)：分別移取1 mL 鈣、鎂標準儲備溶液(1 000 μg/mL)、鈦、鈉標準儲備溶液(1 000 μg/mL)置于100 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，混勻。

鐵、鉀標準溶液(10 μg/mL)：分別移取1 mL鐵標準儲備溶液(1 000 μg/mL)、鉀標準儲備溶液(1 000 μg/mL)置于100 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，混勻。

1.2 儀器測量參數(shù)

ICP-AES儀的最佳工作條件為：射頻功率1 300 W，輔助氣流量0.2 L/min，霧室壓力0.379 MPa，泵速1.50 r/min，等離子體氣體流量15 L/min，觀測方式為軸向觀測。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品制備

樣品經(jīng)過1 000 ℃灼燒約30 min，恒重，研磨成粒度小于0.088 mm的試料。

1.3.2 試樣溶液制備

稱取0.1 g(精確至0.000 1 g，視待測元素含量而定)樣品置于50 mL聚四氟乙烯坩堝中，加入少量水濕潤，加5 mL硝酸，邊搖邊滴加7.5 mL氫氟酸，待劇烈作用停止后，加熱緩慢溶解，溶解后，加5 mL高氯酸，加熱至冒煙近干，冷卻，加少量水，加5 mL鹽酸(1+1)，加5 mL硝酸(1+1)，溶解鹽類。冷卻至室溫，移至100 mL容量瓶中，加水稀釋至刻度，搖勻待測。隨同試樣做空白實驗。實驗過程中應(yīng)保證所有容器用鹽酸浸泡并清洗干凈。

1.3.3 工作曲線的繪制

在6個100 mL容量瓶中，按表1加入被測元素制作成標準工作溶液。

表1 工作曲線濃度

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品溶解方式的選擇

硅砂中一般鐵、鋁、鈦多以氧化物存在, 主要雜質(zhì)以鈣、鎂、鉀、鈉元素等氧化物或碳酸鹽化合物存在。試樣的前處理可采用濕法酸溶、堿熔法。在酸能溶解完全的情況下，就選擇酸溶，因為堿熔會帶入大量基體鈉，造成基體干擾，所以實驗采用了酸溶法。又由于電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定時，樣品溶液宜選擇鹽酸、硝酸、高氯酸。故實驗中選擇硝酸、氫氟酸處理的酸溶法。在酸溶處理樣品時,注意樣品要完全溶清，如果沒有溶解，可以再重復(fù)操作，加5 mL硝酸，邊搖邊滴加7.5 mL氫氟酸，直至樣品完全溶解，對結(jié)果沒有影響。同時，加高氯酸實驗分兩種情況，一種是加5 mL高氯酸，剛冒煙；一種是加5 mL高氯酸，冒煙至近干。兩種處理方式中剛冒煙就取下，測定結(jié)果不穩(wěn)定。相比較而言，第二種冒煙至近干的方法結(jié)果較穩(wěn)定。故實驗中選擇加入高氯酸冒煙至近干的酸溶法處理樣品。

在選擇溶樣容器上，分別選擇聚四氟乙烯坩堝和鉑坩堝，實驗結(jié)果表明，這兩種容器溶樣，其測定結(jié)果都穩(wěn)定?？紤]經(jīng)濟因素，因此選用聚四氟乙烯坩堝作為溶樣容器。

2.2 元素分析線的選擇

分析線的選擇對檢測的準確度影響最大,通過掃描元素譜線圖，結(jié)合設(shè)備給出待測元素各譜線的強度和信背比值，在沒基體干擾的情況下，選取強度大的譜線作為分析線，最終選擇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作為分析譜線。

2.3 基體和共存元素的影響

硅砂中主要基體是二氧化硅，溶樣時加入氫氟酸使得二氧化硅以四氟化硅形式揮發(fā)除去，這樣就消除了樣品中存在的基體背景干擾。

2.4 方法的線性范圍、相關(guān)系數(shù)及檢出限

根據(jù)推薦所選擇的儀器最佳測定條件，測定標準溶液系列中待測元素的強度，以強度和所對應(yīng)的元素濃度繪制校準曲線,計算校正因子，計算出工作曲線的線性相關(guān)系數(shù)。

檢出限檢測方法是在選擇儀器最佳的測定參數(shù)下,對不含待測元素的校準空白溶液連續(xù)測定11次，以測定結(jié)果的3倍標準偏差所對應(yīng)的濃度值計算方法的檢出限。

線性范圍的下限按工作曲線濃度最低點計算，上限按工作曲線濃度最高點計算。

實驗中方法的線性范圍、曲線的線性相關(guān)系數(shù)和方法檢出限列于表2。

表2 方法線性范圍、線性相關(guān)系數(shù)及方法檢出限

2.5 精密度實驗

按照實驗方法測定硅砂的標準物質(zhì)中各元素3個梯度含量,并進行精密度(n=5)實驗，結(jié)果見表3。從表3可以看出，相對標準偏差滿足硅沙中各元素測定的要求，說明該方法穩(wěn)定性較好，滿足檢測要求。

表3 精密度實驗

2.6 準確度實驗

按照實驗方法測定硅砂標準物質(zhì)中各元素的含量，結(jié)果見表4。元素含量可以根據(jù)各元素氧化物換算系數(shù)換算成氧化物的含量。從表4可知，方法準確、可靠。

3 結(jié)論

采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法同時測定硅砂中的Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O、CaO。研究結(jié)果表明，方法快速，簡便，且精密度和準確度較好，能夠滿足日常硅砂的質(zhì)量控制。

表4 準確度實驗