北京科技大学 北冶生产实习 化学检测专题报告.doc

生产实习专题报告 题目：一般金属材料生产过程化学检测专题报告 学院： 材料科学与工程学院 专业： 材料科学与工程 姓名： 学号： 41130 目录1化学检测概述32化学分析32.1分析对象32.2分析方法32.2.1容量法32.2.2分光光度法42.3分析步骤43分析仪器43.1概述43.2具体仪器介绍53.2.1 X射线荧光光谱仪53.2.2火花直读光谱仪53.2.3 电感耦合等离子光谱发生仪63.2.4电感耦合等离子体质谱仪73.2.5石墨炉原子吸收光谱仪73.2.6火焰原子吸收光谱仪73.2.7红外碳硫仪73.2.8氧氮分析仪与定氢仪84总结81化学检测概述 化学检测的主要任务是对试样中的化学成分进行分析，通过分析样品中的元素种类和元素含量，以确定原材料、生产中的产品、成品的化学元素上是否达到国家标准，从而对元素的含量进行控制，对产品的化学质量进行把关。样品在生产出后的第一道关即为化学分析，之后再做力学检测，最后做物理检测。如果化学成分不合格，是需要回炉重炼的。北冶功能材料有限公司的化学检测方法多样、仪器先进。根据原理的不同主要分为原材料分析（化学滴定法）、发射光谱仪、发射质谱仪、吸收光谱仪、气体分析仪。2化学分析2.1分析对象 北冶公司化学分析为手工操作的分析方法，其分析对象主要包括熔炼所用的原材料（各种纯金属，如Fe、Mn、Co、Cu、Cr等）、原材料辅料（如脱磷、脱硫、制备坩埚所用材料等）、出钢前钢液的成分分析、成品分析。（需冷却后脱去氧化皮再进行分析）2.2分析方法化学分析时所采用的方法有容量法和分光光度法两种。2.2.1容量法当物质含量达到5%时常用容量法。容量法又称滴定法，又分直接滴定与间接滴定。 容量法利用带有颜色的元素或酸碱指示剂的变色反应，通过化学反应方程式的化学计量数进行计算，从而得出样品中元素的含量。一般在样品所配制而成的溶液中滴入已知成分与浓度的指示剂，到颜色突变时停止，得到所用指示剂的用量，通过对应化学方程式计量比关系，计算得到样品中所研究元素的含量。滴定法分析时合适指示剂的选择非常重要，对Cr元素，一般选择高硫酸做还原剂，将溶液中Cr3+、Cr6+全部氧化为Cr6+，而后滴加Fe2+溶液做还原剂，将溶液中Cr6+全部还原为Cr3+，同时Fe2+氧化为Fe3+，通过计算所用Fe2+溶液的用量得到溶液中Cr6+离子的浓度，进而得到所测样品中Cr元素的含量；对Mn元素，其化合价有+2、+3、+5、+7多种，测定时需将Mn元素全部氧化为+5价方可继续进行滴定；若找不到合适的氧化剂，则可进行间接滴定（又称反滴定），滴定时先利用络合剂与待测金属离子配位成络合物，使其过量络合，并记录所用络合剂的用量，滴定过量后返滴定络合剂至刚好反应完全，记录返滴定剂用量，通过化学方程式计量比关系计算出过量络合剂的用量，二者相减，通过化学计量关系换算得到待测金属离子的浓度，换算出待测样品中待测元素的含量，材料中Ni的测定选取EDTA做络合剂，二者1：1络合。2.2.2分光光度法当被测物浓度为15%时常用分光光度法。低于1%则通常利用仪器分析。分光光度法通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸光度或发光强度，对该物质进行定性和定量分析的方法根据朗伯-比尔定律： Alg1/TKbcA 为吸光度T 为透射比是透射光强度比上入射光强度 K 为摩尔吸收系数。它 与吸收物质的性质及入射光的波长 有关。 c 为吸光物质的浓度 b 为吸 收层厚度物理意义是当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时其吸光度A 与吸光物质的浓度 c 及吸收层厚度 b 成正比。通过测量吸光度便可获得其物质的含量。分光光度法所使用的设备为分光光度计，钨光光源透过光栅分出不同波长的光，选择研究元素吸收的特定光线，使其通过狭缝照射待测样品所配置的溶液，测定最大吸收峰处的吸光度，吸光度正比于溶液中研究元素离子的浓度，测定时需配置3份以上溶液，并且有一组已知浓度的标准溶液，由标准溶液作出AC标准曲线，进行对比，得出所研究元素离子的浓度。2.3分析步骤 化学分析时具体操作有：称样、溶解、分析。由于对样品的质量有较高要求，称样时需要采用分析天平或电子天平（精度均为万分之一克）进行称取；溶液溶解时，若溶解速度较慢，可用电炉丝对溶液进行加热以加速溶解；溶解后便可选择上述方法进行分析。3分析仪器3.1概述 化学分析时，按照所分析元素的含量，可分为常量分析（被测成分含量1%）、微量分析（被测成分含量在0.01%1%之间）、痕量分析（被测成分含量0.01%）。按照分析时材料在生产流程中所处的位置，可分为炉前检验、过程检验和成品检验。对于北冶公司的高温合金产品，要求其中低熔点元素（如As、Sb、Sn、Pb、Bi等）尽可能少，在熔炼前便需对原材料进行检验（比如要求原材料中Pb含量10ppm，Bi含1ppm）符合条件时方可进行熔炼；而在钢液熔炼过程中，也需对钢液成分进行测定；制得成品后，根据用户的要求，需检测成品中制定元素的含量。分析时所用到的仪器有：电感耦合等离子体质谱仪（ICR-MS）、石墨炉原子吸收光谱仪（GF-AAS）、火焰原子吸收光谱仪、电感耦合等离子发射光谱仪（ICP）、碳硫仪、氮氧仪、X射线荧光光谱仪（XRF）、直读光谱仪等。3.2具体仪器介绍3.2.1 X射线荧光光谱仪 光电子能谱仪的基本测试原理：用X射线照射固体时，由于光电效应，原子的某一能级的电子被击出物体之外，此电子称为光电子。如果X射线光子的能量为h，电子在该能级上的结合能为Eb，射出固体后的动能为Ec，则它们之间的关系为： h=Eb+Ec+Ws 式中Ws为功函数，它表示固体中的束缚电子除克服各别原子核对它的吸引外，还必须克服整个晶体对它的吸引才能逸出样品表面，即电子逸出表面所做的功。上式可另表示为： Ebh-Ec-Ws 可见，当入射X射线能量一定后，若测出功函数和电子的动能，即可求出电子的结合能。由于只有表面处的光电子才能从固体中逸出，因而测得的电子结合能必然反应了表面化学成份的情况。 值得指出的是，X射线荧光光谱仪在样品制作时，精度要求可略低，一般指用120#砂纸打磨即可，在样品形状方面也限制较宽松，薄片、粉末样品压片等具有一定面积的试样均可测试。样品可薄可厚，装样时需用留有一定直径圆孔（如10、30等）的罩壳将样品罩住，此设备最多可装12个样轮流进行检测，由于检测时射线强度随样品与探针之间距离的变化而强烈变化，装样时需将样品通过限高器以保证期高度。7北冶公司的X射线荧光光谱仪主要用于厂内纯金属、精密合金、高温合金、不锈钢等产品的炉前快速分析以及产品的成分分析，从元素含量来说，X射线荧光光谱仪主要用于分析合金中含量较高的元素，并不使用于微量元素分析。优缺点：优点: A) 元素测量范围广，从氟到铀。B) 分析含量范围广由1PPM到100%。C) 制样简单，固体、粉末、液体样品等都可以进行分析。X射线荧光光谱跟样品的化学结合状态无关，而且跟固体、粉末、液体及晶质、非晶质等物质的状态也基本上没有关系。（气体密封在容器内也可分析）但是在高分辨率的精密测定中却可看到有波长变化等现象。特别是在超软X射线范围内，这种效应更为显著。波长变化用于化学位的测定。D) 自动化程度高导致分析速度高。测定用时与测定精密度有关，但一般都很短，25分钟就可以测完样品中的全部待测元素。E) 稳定性好重复性好。非破坏分析。在测定中不会引起化学状态的改变，也不会出现试样飞散现象。同一试样可反复多次测量，结果重现性好F) 谱线简单干扰量少。 缺点：A) 由于砂纸含铝量高故无法测量铝含量。B) 难于作绝对分析，故定量分析需要标样。C) 对轻元素的灵敏度要低一些。3.2.2火花直读光谱仪 火花直读光谱仪原理： 在日常生活中，可以见到各种不同的，如红、黄、兰、白色光。太阳光经三棱镜后，会产生红、橙、黄、绿、青、兰，紫排列的色带，还有人们肉眼所看不见的光如紫外线，红外线，射线等。从光谱分析的观点重要的谱线波长是在10012000*10-1nm之间，这个区间又分为几个光谱范围。光电直读光谱分析应用的元素波长，大部分在真空紫外区和近紫外区最多。我们通常所讲到光谱仅指光学光谱而言，从物质(固、液、气)加热或用光或用电激发射光谱时得到三种类型的光谱。线光谱是由气体状态下的原子或离子经激发而得到的，通常呈现分立的线状所以称线光线，就其产生方式而言又可分为发射光谱(明线)和吸收光谱(暗线)两种，因此光谱分析又分为发射光谱分析和原子吸收光谱分析。如果是原子激发产生的光谱，称原子光谱，如果离子激发所产生的光谱称离子光谱。带状光谱是原子结合成分子中发出的或两个以上原子的集团发出的，通常呈带状分布，是分子光谱产生，如在光谱分析中采用炭电极，在高温时，炭与空气中氮化合生成氰带(CN)分子，当氰分子在电弧中激发时产生的光谱，称氰带。连续光谱是从白热的固体中发出的，是特定的状态下原子分子中发出来的，所以连续光谱是无限数的线光谱或带光谱集合体。 我们通常讲的光谱分析，一般是指“原子发射光谱分析”，光电光谱分析中元素波长都是元素的原子光谱和离子光谱。 现在光电光谱仪主要分为两大类。非真空型的光电光谱仪的工作波长范围在近紫外区和可见光区。真空光电光谱仪工作波长扩展到远真空紫外1200nm，因而利用这个波段中氮、碳、磷、硫等谱线的灵敏度来分析钢中的重要元素。北冶实际炼钢生产中，此仪器仅用来测量铝含量，因为上述X射线荧光光谱仪无法准确测量铝含量。注意事项：开机前检查电压及是否漏气（利用肥皂水）开机一小时后才能使用，气氛为高纯氩气99.99%。3.2.3 电感耦合等离子光谱发生仪 原理：高频振荡器发生的高频电流，经过耦合系统连接在位于等离子体发生管上端，铜制内部用水冷却的管状线圈上。石英制成的等离子体发生管内有三个同轴氢气流经通道。冷却气(Ar)通过外部及中间的通道，环绕等离子体起稳定等离子体炬及冷却石英管壁，防止管壁受热熔化的作用。工作气体(Ar)则由中部的石英管道引入，开始工作时启动高压放电装置让工作气体发生电离，被电离的气体经过环绕石英管顶部的高频感应圈时，线圈产生的巨大热能和交变磁场，使电离气体的电子、离子和处于基态的氖原子发生反复猛烈的碰撞，各种粒子的高速运动，导致气体完全电离形成一个类似线圈状的等离子体炬区面，此处温度高达6000一10000摄氏度。样品经处理制成溶液后，由超雾化装置变成全溶胶由底部导入管内，经轴心的石英管从喷咀喷入等离子体炬内。样品气溶胶进入等离子体焰时，绝大部分立即分解成激发态的原子、离子状态。当这些激，发态的粒子回收到稳定的基态时要放出一定的能量(表现为一定波长的光谱)，测定每种元素特有的谱线和强度，和标准溶液相比，就可以知道样品中所含元素的种类和含量。 北冶公司流程：将待测物质用酸溶于液体中，通过液体进料，利用电感耦合使电离氩气处于等离子状态，进而电离待测物质，通过测量质核比获得其成分及含量。主要测量含量小于 0.01的衡量元素，如 Cr、Ni、Co、Ga、In、Ta 以及五害元素等。北冶公司的仪器由美国热电公司生产。其分析速度较快，但对待测物质的含量有限制，必须小于 0.1。北冶公司的电感耦合等离子发射光谱仪承担着北冶公司近50%的分析任务，主要用于分析不锈钢、原材料等，它分析范围广，对成分含量的分析可从0.01%20%，对元素种类的分析可从元素光谱200nm400nm之间，并且能够同时测定多种元素的含量。（最多可同时测定16种）其工作原理为测定含量时依据特定元素激发的特征谱线的强度来测量含量。3.2.4电感耦合等离子体质谱仪 原理：测定超痕量元素和同位素比值的仪器。由等离子体发生器，雾化室，炬管，四极质谱仪和一个快速通道电子倍增管（称为离子探测器或收集器）组成。其工作原理是：首先将待测样品用王水溶解（若王水都溶解不了的元素，则可用氢氟酸溶解，但对应的容器必须换为聚四氟乙烯材料），配制成定量的溶液，雾化器将溶液样品送入等离子体光源，在高温下汽化,解离出离子化气体,通过铜或镍取样锥收集的离子,在低真空约133.322帕压力下形成分子束,再通过12毫米直径的截取板进入四极质谱分析器，经滤质器质量分离后，到达离子探测器，根据探测器的计数与浓度的比例关系,可测出元素的含量或同位素比值。 在北冶公司的检测中，电感耦合等离子体质谱仪主要用于痕量及超痕量多元素分析用。电感耦合等离子体质谱仪由样品引入系统、电感耦合等离子体(ICP)离子源、接口、离子透镜系统、四极杆质量分析器、检测器等构成，其他支持系统有真空系统、冷却系统，气体控制系统，计算机控制及数据处理系统等。 工作时，管内通入大量氩气，氩气承担着工作气（氩气工作时典礼为一价等离子体）和保护气（整个检测过程需在隔绝空气的环境中进行，由氩气填充）的作用。 其突出有点为可同时检测多种元素，检测效率高，仪器灵敏度高，可检测出痕量元素（PPM级至十亿分之一）；不足之处是仪器购买费用较贵，而且在后续使用中，其配套耗材价格也较贵。国外检测多用质谱仪。3.2.5石墨炉原子吸收光谱仪石墨炉原子吸收同电感耦合等离子光谱发生仪一样都是测量 0.01的痕量元素，均以液体作为样品分析。二者分析方法完全相同，但是原理不同。石墨炉原子吸收仪是利用上述原子吸收光谱的原理进行化学成分检测。测得吸收的光谱及吸收的含量就可以得知物质及其含量。其测量速度较慢，但成本低。 每种元素都有特定的吸收谱线，检测时根据欲检测的元素选择特定光源，照射事先配制好的溶液汽化后的气体，测定其吸收量，利用吸收量与浓度的比值得到所测定元素的含量。与电感耦合等离子体质谱仪相比，石墨炉原子吸收光谱仪灵敏度较低，检测效率低，但成本也相对便宜。由于成本问题，国内多用石墨炉。3.2.6火焰原子吸收光谱仪 火焰原子吸收光谱仪分为四个部分：箱体（提供空气与乙炔，通入时，一般控制空气与乙炔比为1.5:1）、光源（由空心阴极灯发射特征光谱，光源根据所检测的元素不同而换不同的阴极灯）、雾化室（将雾化的溶液、空气、乙炔同时通入室内，使燃烧）、吸收与检测（乙炔燃烧后，特定元素对乙炔会有特征的吸收，吸收光谱的强度反馈到电脑数据库中，由数据处理软件处理，最后显示待测元素的含量）。 火焰原子吸收光谱仪用于测量高温合金中Mn