ISO 21068-32024 含碳化硅、氮化硅、氮氧化硅和赛隆的原料和耐火制品的化学分析第3部分氮、氧和金属及氧化物成分的测定标准立项发展报告

含碳化硅、氮化硅、氮氧化硅和赛隆的原料和耐火制品的化学分析第3部分：氮、氧和金属及氧化物成分的测定标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:ChemicalAnalysisofRawMaterialsandRefractoryProductsContainingSilicon-Carbide,Silicon-Nitride,Silicon-OxynitrideandSialon—Part3:DeterminationofNitrogen,OxygenandMetallicandOxidicConstituents摘要随着高温工业技术的迅猛发展，含碳化硅（SiC）、氮化硅（Si₃N₄）、氮氧化硅（Si₂N₂O）及赛隆（Sialon）等非氧化物耐火材料在冶金、陶瓷、航空航天及新能源等高端应用领域的需求持续攀升。此类材料的化学组成，特别是氮、氧元素及金属与氧化物成分的精确测定，直接关系到产品质量控制、工艺优化及服役性能评价。国际标准化组织（ISO）于2024年6月10日正式发布ISO21068-3:2024标准，作为ISO21068系列标准的第3部分，系统规定了上述材料中氮、氧及金属和氧化物成分的测定方法。本报告全面梳理了该标准的立项背景、制定过程、主要技术内容及其与国内外相关标准的关系，深入分析了标准的创新性和适用性，并对标准的实施应用前景进行了展望。报告指出，ISO21068-3:2024的发布填补了国际非氧化物耐火材料化学分析方法标准的空白，对于促进全球耐火材料行业的技术进步与贸易便利化具有重要意义。关键词：耐火材料；碳化硅；氮化硅；赛隆；化学分析；国际标准；氮氧测定Keywords:Refractorymaterials;Siliconcarbide;Siliconnitride;Sialon;Chemicalanalysis;Internationalstandard;Nitrogenandoxygendetermination一、引言1.1研究背景耐火材料是支撑高温工业发展的重要基础材料，其性能优劣直接决定冶金、建材、化工等行业的工艺水平和能源效率。传统氧化物耐火材料长期占据市场主导地位，然而，随着现代工业对材料耐高温、抗热震、耐侵蚀等综合性能要求的不断提高，以碳化硅、氮化硅、氮氧化硅和赛隆为代表的非氧化物及非氧化物-氧化物复合耐火材料以其优异的力学性能、热学性能和化学稳定性，正逐步成为高温技术领域的关键材料。碳化硅耐火材料具有极高的硬度和导热系数，优异的抗热震性和抗氧化性，广泛应用于高炉炉腹、炉身下部、陶瓷窑具、热电偶保护套管等高温部件。氮化硅陶瓷材料则以其出色的力学性能、抗热震性和抗侵蚀性能著称，在冶金、化工、航空航天等领域获得日益广泛的应用。氮氧化硅和赛隆材料是氮化硅家族的重要成员，通过引入氧元素或金属离子（如铝、钇等）形成固溶体或新相，进一步改善了材料的烧结性能和高温强度。这类材料在铝电解槽内衬、连续铸钢用功能耐火材料、窑炉构件等方面展现出独特的应用优势。1.2化学分析的重要性精确的化学组成信息是保障非氧化物耐火材料质量稳定性和服役安全性的首要前提。对于含碳化硅、氮化硅等非氧化物组分的耐火材料而言，氮和氧的含量不仅直接决定物相组成和微观结构，更深刻影响材料的高温性能和使用寿命。例如，氮化硅材料中游离硅、游离碳及氧含量的微小波动，都可能导致材料高温强度、抗氧化性能和抗侵蚀性能的显著变化。因此，建立准确、可靠、可重复的化学分析方法标准，对于原料进厂检验、生产过程控制、产品质量评定及失效分析均具有不可替代的作用。然而，此类材料化学组成的测定存在诸多技术难点。碳化硅、氮化硅等物相化学惰性极强，常规的酸溶或碱熔前处理难以实现完全分解；氮、氧等轻元素的分析需要采用惰性气体熔融等专用技术手段，对仪器设备和操作条件有严格要求；材料中同时存在的多种金属氧化物组分，又增加了干扰分离和测定方法选择的复杂性。上述技术挑战亟需统一、规范的国际标准予以应对。1.3标准立项的必要性国际标准化组织ISO/TC33（耐火材料技术委员会）长期致力于耐火材料领域国际标准的制修订工作。在ISO21068系列标准制定之前，国际上尚缺乏专门针对含碳化硅、氮化硅等非氧化物耐火材料化学分析的系统性标准方法。各国在实际操作中多参考各自的国家标准或企业内部方法，导致分析结果缺乏可比性，严重制约了国际贸易和技术交流。在此背景下，制定统一的国际标准成为产业界和学术界的共同呼声。二、标准编制概况2.1编制单位与工作过程ISO21068-3:2024由国际标准化组织ISO/TC33耐火材料技术委员会（Refractories）归口管理。该标准的制定工作凝聚了全球耐火材料领域众多专家学者的智慧和经验，历经多个阶段：从工作草案（WD）的酝酿，到委员会草案（CD）的讨论，再到国际标准草案（DIS）的投票表决，最终于2024年6月10日正式出版发布，版本为第1版。2.2标准的体系位置ISO21068-3:2024是ISO21068系列标准的重要组成部分。该系列标准的整体框架涵盖含碳化硅、氮化硅、氮氧化硅和赛隆原料及耐火制品化学分析的各个方面，其中：-ISO21068-1规定了分析用的术语、规则和一般性要求；-ISO21068-2规定了碳化硅、游离碳、碳化硅和总碳的测定方法；-ISO21068-3（即本标准）规定了氮、氧和金属及氧化物成分的测定方法。通过系列标准的协同配合，构成了一套覆盖主要化学成分分析需求的完整标准体系，为全球非氧化物耐火材料的生产、贸易和应用提供了统一的技术依据。三、标准主要技术内容3.1标准的范围界定ISO21068-3:2024明确规定了以下材料中氮、氧和金属及氧化物成分的测定方法：-含碳化硅（SiC）的原料和耐火制品；-含氮化硅（Si₃N₄）的原料和耐火制品；-含氮氧化硅（Si₂N₂O）的原料和耐火制品；-含赛隆（Sialon）的原料和耐火制品。该标准主要适用于上述原料和制品的化学分析，为其质量控制和技术评价提供标准化的测试手段。3.2测定方法的类型针对不同分析对象和测定需求，本标准系统规定了多种分析方法，主要包括：（一）氮的测定对于材料中氮含量的测定，标准采用了惰性气体熔融热导法或化学法等多种技术路径。惰性气体熔融法的原理是将试样置于高温石墨坩埚中，在惰性气体（通常为氦气）气氛下熔融分解，样品中的氮以氮气形式释放，通过热导检测器进行定量分析。该方法适用于较宽范围的氮含量测定，具有灵敏度高、精度好、操作相对简便等优点。同时，标准中对试样前处理方式、熔融温度程序、标准物质校准、干扰因素消除等关键环节做了详细规定，以保证结果的准确性和可重复性。（二）氧的测定氧含量的测定同样采用惰性气体熔融红外吸收法作为主要技术手段。在惰性气氛下高温熔融样品，氧与碳反应生成一氧化碳或二氧化碳，经红外检测器定量测定。该标准对熔融温度、助熔剂选择、空白值控制及校准程序均有严格规定。由于非氧化物材料中氧的存在形态较为复杂，标准还对不同化学形态氧的区分测定提供了技术指引。（三）金属及氧化物成分的测定对于材料中铝、钙、镁、铁、钛、锆等金属元素及其氧化物组分的测定，标准纳入了多种仪器分析方法，主要包括电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）、原子吸收光谱法（AAS）和X射线荧光光谱法（XRF）等。标准对试样分解方法（酸溶法、碱熔法或微波消解法）、干扰元素的分离与掩蔽、校准曲线的建立、方法检出限和定量限等技术参数都进行了明确规定。针对不同元素及其含量范围，标准推荐了适宜的分析方法，确保方法选择的科学性和实用性。3.3关键技术指标的确定为提高分析方法的准确度和精密度，本标准在技术指标的确定上参考了大量国际实验室间联合验证（协作试验）的数据。通过对不同实验室、不同仪器条件下测试结果的统计分析，确定了各测定方法的重复性限（r）和再现性限（R），为方法的质量控制提供了量化依据。同时，标准还配套给出了典型应用场景下各元素测定的方法适用性指南，帮助使用者在实际工作中选择恰当的分析方案。四、标准的主要技术特点与创新4.1系统性与完整性ISO21068-3:2024首次在ISO层面建立了覆盖含碳化硅、氮化硅、氮氧化硅和赛隆四类关键非氧化物耐火材料中氮、氧和金属及氧化物成分测定方法的系统标准。与以往仅针对单一材料或单一成分的标准不同，该标准在适用范围、方法体系和结果表达等方面实现了全面覆盖和统一规范，填补了国际标准化的空白。4.2技术先进性与适用性并重标准的编制充分吸纳了当代分析化学领域的新技术、新方法。在金属氧化物成分测定方面，以ICP-AES和ICP-MS为代表的等离子体光谱/质谱技术已成为无机元素分析的主流手段，标准同步纳入了这些现代仪器分析方法，确保了标准的技术先进性。与此同时，考虑到全球不同地区和实验室的设备条件差异，标准也保留了经典化学分析方法和原子吸收光谱法等成熟技术路径，体现了先进性与适用性兼顾的编制原则。4.3注重方法的验证与质量控制ISO21068-3:2024高度重视分析方法的可靠性和数据的可追溯性，在多个层面强化了质量控制要求。标准明确了标准物质/标准样品的使用要求，规定了空白试验、平行测定、加标回收等方法性能验证的具体操作规范。此外，通过给出方法的精密度数据，使实验室能够有效评估自身测试能力与其目标适用性之间的匹配程度。五、与国内外相关标准的关系5.1国际标准层面ISO21068-3:2024的发布是在ISO/TC33框架下对耐火材料化学分析方法标准体系的重要补充。在此之前，国际标准中关于耐火材料化学分析的方法主要集中于氧化物系耐火材料（如ISO10058系列镁铬质耐火材料化学分析标准、ISO21587系列铝硅质耐火材料化学分析标准等），对非氧化物耐火材料元素分析的专项国际标准尚属空白。本标准的发布使ISO耐火材料化学分析方法标准覆盖面更为完整。5.2中国国内标准层面在我国，与ISO21068-3:2024相关的国家标准为GB/T16555《含碳、碳化硅、氮化物耐火材料化学分析方法》。该标准经历了2008年版的修订，目前正在开展新一轮修订工作。GB/T16555与ISO21068系列在框架设计和技术内容上存在一定差异，但随着中国耐火材料产业国际化程度的不断提升，国内标准与ISO国际标准的对接和协调日益受到重视。ISO21068-3:2024的发布，也为我国对口标准的修订提供了重要的技术参考和协调契机。六、主要起草单位介绍ISO21068-3:2024作为一项国际标准，其制定汇聚了ISO/TC33各成员体专家的共同努力。在各国标准化技术机构中，中国作为全球最大的耐火材料生产国和消费国，始终积极参与ISO/TC33的国际标准化工作，并在此标准制定过程中发挥了重要作用。以中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司为代表的中国耐火材料行业顶尖研究机构，深度参与了该系列国际标准的制定工作。该公司是中国耐火材料行业重要的综合性研究开发机构，长期承担全国耐火材料标准化技术委员会（SAC/TC193）的秘书处工作，在耐火材料标准制修订领域积累了丰富经验。多年来，该院主持或参与制修订了多项ISO国际标准、国家标准和行业标准，在非氧化物耐火材料及其化学分析领域具有深厚的技术积淀。依托其先进的检测分析平台和高水平的人才队伍，该院为ISO21068-3:2024的技术内容完善和数据验证工作提供了有力支撑，充分展现了中国耐火材料行业在国际标准化舞台上的技术实力和责任担当。此外，来自德国、日本、美国、法国等耐火材料技术强国的专家也积极参与了本标准的制定工作，通过国际实验室间联合验证和多次技术讨论，为标准技术指标的确定和文本完善作出了重要贡献。七、结论与展望7.1结论7.2展望展望未来，随着高温工业技术的持续进步和新材料研发的不断深入，非氧化物耐火材料的种类和应用领域将进一步拓展，对化学分析方法的灵敏度、准确性和效率也将提出更高要求。建议相关各方持续关注标准实施过程中反馈的技术问题，适时开展修订和完善工作；同时，加强ISO21068系列标准在各成员国的转化应用和宣贯培训，提高标准在全球范围内的实施效果。中国作为耐火材料生产和出口大国，也应加快推进与ISO21068-3:2024的对接，适时修订完善我国相关国家标准，促进国内外标准体系的协调发展，为提升我国耐火材料行业整体技术水平和国际竞争力提供有力支撑。参考文献[1]ISO21068-3:2024,Chemicalanalysisofrawmaterialsandrefractoryproductscontainingsilicon-carbide,silicon-nitride,silicon-oxynitrideandsialon—Part3:Determinationofnitrogen,oxygenandmetallicandoxidicconstituents[S].Gen