化學(xué)成份和鋼中氣體分析第1頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月操作方法試樣用量液體體積常量分析半微量分析微量分析超微量分析>0.1克0.01-0.1克0.1-1.0毫克<0.1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(shí)的試樣用量(3)例行分析、快速分析和仲裁分析?例行分析是指一般化驗(yàn)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(guò)程的控制。?仲裁分析是不同單位對(duì)分析結(jié)果有爭(zhēng)議時(shí)，要求有關(guān)單位用指定的方法進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，以判斷分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。(4)化學(xué)分析和儀器分析?以物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的分析方法稱(chēng)為化學(xué)分析法。?以物質(zhì)的物理和物理化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)的分析方法稱(chēng)為物理和物理化學(xué)分析法。由于這類(lèi)方法都需要較特殊的儀器，故一般又稱(chēng)為儀器分析法。第2頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

5.1.2定量分析過(guò)程

(1)定量分析步驟

1）取樣?鋼鐵或金屬試樣可使用鉆車(chē)、銑、刨、擊碎等方法制取碎屑；?爐渣可使用碎樣機(jī)搗碎，然后過(guò)篩，未通過(guò)篩子的粗顆粒應(yīng)返回重磨，不可拋棄。爐渣中如含有鐵珠，在粉碎過(guò)程中應(yīng)用磁鐵將其吸出除出。在取樣過(guò)程中，最重要的一點(diǎn)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(lèi)。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。第3頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）測(cè)定選擇化學(xué)分析或儀器分析方法進(jìn)行試樣中組元含量的測(cè)定。

4）計(jì)算分析結(jié)果根據(jù)試樣重量、測(cè)量所得數(shù)據(jù)和分析過(guò)程有關(guān)反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)樣品的分析結(jié)果或標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算試樣中有關(guān)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?jǐn)?shù)表示。這種表示結(jié)果不考慮該組分的實(shí)際存在形式（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?jǐn)?shù)（實(shí)際上，化學(xué)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(shí)，元素的氧化物存在價(jià)態(tài)不清楚（FeO、Fe2O3），則可直接用該元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示（如爐渣中的w(TFe)%）。第4頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

5.1.3化學(xué)分析法

5.1.3.1滴定分析法（容量法）滴定分析法是化學(xué)分析中基本的分析方法之一。它是將一種已知準(zhǔn)確濃度的溶液即標(biāo)準(zhǔn)溶液，從滴定管中滴加到一定量的待測(cè)物質(zhì)的溶液中，直到與等測(cè)組分反應(yīng)完全，由標(biāo)準(zhǔn)溶液的加入量，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的計(jì)量關(guān)系，算得待測(cè)組分的含量。為了確定在什么時(shí)候終止滴定，常在待測(cè)物質(zhì)的溶液中加入一種試劑即指示劑，當(dāng)?shù)味ǖ降犬?dāng)點(diǎn)附近時(shí)，指示劑的顏色發(fā)生突變，據(jù)此終止滴定（這一點(diǎn)就是滴定終點(diǎn)）。滴定分析通常適用于測(cè)定高含量或中含量組分，即待測(cè)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%以上。第5頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

5.1.3.2重量分析法在重量分析法中，一般是將被測(cè)組分與試樣中其它組分分離后，轉(zhuǎn)化為一定的稱(chēng)量形式，然后用稱(chēng)重方法測(cè)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(lèi)。沉淀法將被測(cè)組分以微溶化合物的形式沉淀出來(lái)，現(xiàn)將沉淀過(guò)濾、洗滌、烘干或灼燒，最后稱(chēng)重，計(jì)算其含量。氣化法一般是通過(guò)加熱或其它方法使試樣中的被測(cè)組成揮發(fā)逸出，然后根據(jù)試樣重量的減輕計(jì)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(chēng)重，求得其含量。第6頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.1.4儀器分析法常用的幾種儀器分析法的特點(diǎn)如表7-2所示，表中四種儀器分析法均屬于光學(xué)分析法。表7-2常用儀器分析法的特點(diǎn)方法名稱(chēng)分析原理分析用樣品要求經(jīng)常分析的樣品種類(lèi)分光光度法溶液中分子對(duì)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(duì)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（金屬本身）鋼鐵、合金第7頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

5.1.4.1分光光度法（比色法）分光光度法是基于物質(zhì)對(duì)光的吸收作用而建立起來(lái)的分析方法，它利用分光光度計(jì)來(lái)測(cè)量一系列標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，然后根據(jù)被測(cè)試液的吸光度，從標(biāo)準(zhǔn)曲線上求得其濃度或含量。分光光度法一般可測(cè)定質(zhì)量分?jǐn)?shù)1-0.001%的微量組分。常用的國(guó)產(chǎn)721型分光光度計(jì)外形示意圖如圖5-1所示第8頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(jìn)行顯色反應(yīng)，將待測(cè)組分轉(zhuǎn)變?yōu)橛猩j(luò)合物，?最后進(jìn)行比色（測(cè)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原子吸收分析示意圖第9頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

如圖所示，如果要測(cè)定試液中鎂離子的含量：?先將試液噴射成霧狀進(jìn)入原子化器內(nèi)的燃燒火焰中，這時(shí)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(zhǎng)2852?的鎂的特征譜線的光，當(dāng)穿過(guò)一定厚度的原子蒸氣時(shí)，部分光被蒸氣中基態(tài)鎂原子吸收而減弱，透過(guò)光經(jīng)單色器將被測(cè)元素的分析線與其它譜線分開(kāi)，再由檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)得鎂特征譜線減弱后的光強(qiáng)度。根據(jù)光吸收定律，吸光度大小與原子化器中待測(cè)元素原子濃度成正比的關(guān)系，即可求得鎂的含量.第10頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(lái)進(jìn)行定性及定量分析的一種方法。圖5-3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(diǎn)：（1）分析速度快?？捎媒饘僭嚇又苯幼鲭姌O進(jìn)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(shí)給出鋼中20多種元素的分析結(jié)果。第11頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

（2）需要用一套標(biāo)準(zhǔn)樣品對(duì)照，往往由于試樣組成的變化，以及標(biāo)準(zhǔn)樣品的不易配制，給光譜定量分析造成困難。

5.1.4.4X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(shí)，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(zhǎng)，可以進(jìn)行定性分析；根據(jù)譜線的強(qiáng)度，可以進(jìn)行定量分析。X射線螢光光譜儀如圖5-4所示圖5-4X射線螢光光譜分析儀示意圖第12頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

X射線螢光光譜法適用于測(cè)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(cè)定，也適用于高至質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%左右的高含量組分的測(cè)定。特別是對(duì)于高含量組分的測(cè)定，本方法還具有相當(dāng)高的準(zhǔn)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(duì)鋼的性能和質(zhì)量都有很大影響。因此對(duì)鋼中氣體進(jìn)行分析，了解鋼中氣體的含量是很有必要的。第13頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.2.1鋼中氮的化學(xué)分析法(1)基本原理化學(xué)定氮的反應(yīng)原理如下。試樣分解：2Fe4N+18HCl=3FeCl2+2NH4Cl+5H22FeN+4H2SO4=Fe2(SO4)3+(NH4)2SO4Mn3N2+4H2SO4=(NH4)2SO4+3MnSO4蒸餾過(guò)程：NH4Cl+NaOH=NaCl+NH3+H2O(NH4)2SO4+2NaOH=Na2SO4+2NH3+2H2O逸出的氨和水蒸氣冷卻成NH3·H2O被H3BO3溶液吸收：

NH3·H2O+H3BO3=(NH4)H2BO3+H2O滴定過(guò)程：2(NH4)H2BO3+H2SO4=2H3BO3+(NH4)2SO4測(cè)定范圍：容量法0.05-0.40質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；吸光光度法0.002-0.30質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。第14頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)儀器設(shè)備蒸餾分離定氮時(shí)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(chēng)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0.5～1mLH2O2破壞碳化物，煮沸，取下冷卻。檢查儀器空白，待正常后，將50mLNaOH溶液加入蒸餾瓶中，通蒸氣蒸餾。第15頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(4)容量法測(cè)定餾出液用盛有10mLH3BO3吸收溶液的250mL錐形瓶吸收，當(dāng)體積達(dá)100～120mL時(shí)取下，加3滴甲基紅一次甲基藍(lán)混合指示劑，用H2SO4標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至微紅為終點(diǎn)。氮的百分含量按下式計(jì)算：

(V–V0)·N0·14.01N%=×100W·1000

式中：V—滴定試液時(shí)消耗H2SO4標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；

V0—滴定試劑空白所消耗H2SO4標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，mL；

N0—H2SO4標(biāo)準(zhǔn)溶液的當(dāng)量濃度；

14.01—氮的當(dāng)量；

W—稱(chēng)樣量，g。第16頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.2.2真空加熱微壓法測(cè)定鋼中氫

(1)測(cè)定原理氫在金屬中的溶解符合平方根定律

[H]=K

式中[H]

氫在金屬中的溶解度；

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(kuò)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?zhǔn)嫌?jì)測(cè)其壓力。第17頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

將氣體通過(guò)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(yīng)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(cè)量壓力。根據(jù)兩次壓力差，換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫的含量。所測(cè)得的兩次壓力差(P1-P2)，即為真空熱提取測(cè)得的氫的壓力PH2，然后用下式換算出標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，每100g試樣中氫的毫升數(shù)。

PH2

KH2(ml)/100g=──────100G

式中K

容積常數(shù)，

G

試樣克數(shù)。第18頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.2.3脈沖加熱紅外線法測(cè)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(lái)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(zhǎng)，根據(jù)吸收程度大小來(lái)測(cè)定該氣體含量的多少。

(2)應(yīng)用實(shí)例紅外線氣體分析儀測(cè)定金屬中氧含量的過(guò)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(10～12V)，大電流(600～1000A)，瞬時(shí)(3～4s)通過(guò)夾在兩個(gè)銅電極間的石墨坩堝而獲得2700-3000℃的高溫，此時(shí)樣品迅速熔化。第19頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月?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(guò)薄膜微音器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，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)示意圖第20頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

5.2.4氣相色譜法測(cè)定鋼中氮、氫、氧

(1)氣相色譜法基本知識(shí)色譜法是一種分離技術(shù)，這種技術(shù)應(yīng)用于分析化學(xué)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(jìn)行分配，其中一相是不動(dòng)的，稱(chēng)為固定相；另一相是攜帶混合物通過(guò)此固定相的流體，稱(chēng)為流動(dòng)相。當(dāng)流動(dòng)相中所含混合物經(jīng)過(guò)固定相時(shí)，就會(huì)與固定相發(fā)生作用。不同組成在固定相中的滯留時(shí)間有長(zhǎng)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(shù)，稱(chēng)為色譜分離技術(shù)或色譜法。

第21頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣相色譜法是采用氣體一作為流動(dòng)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(guò)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100～1000㎡/g），且對(duì)不同組分的吸附能力不一樣，因此可根據(jù)被分析對(duì)象來(lái)選用最合適的吸附劑。第22頁(yè)，課件共25頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)脈沖加熱氣相色譜法測(cè)定鋼中氮、氫、氧