钢铁中测定锰元素及锰元素的方法比对

钢铁中测定锰元素及锰元素的方法比对

梁成波

贵州航天新力科技有限公司563000

摘要：随着我国钢铁工业的不断发展，钢材中锰元素的测定已成为钢铁行业中较为关注的问题。传统的化学方法在测定钢材锰元素的过程中暴露出了一些问题。而近些年，光谱分析法在钢铁生产过程中，逐渐应用于钢材的质量控制过程中。

关键词：光谱分析　化学分析　钢铁

引言：钢是钢材含碳量在0.04％-2.3％之间的铁碳合金。为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7％。而钢含有主要元素除铁、碳外，还有硫、硅、锰、磷、鉻、钼、钒等锰元素。这些元素的含量在一定程度上影响着钢材的特性和质量。本文着重对钢材中锰元素的测定是钢材生产过程中质量控制的重要环节。对于钢材中锰元素的测定，传统的方法是通过化学方法将钢材中的锰元素消解、溶出，然后通过火焰吸收、分光光度法或者重量法等方法对锰元素加以测定。但随着我国国民经济的不断发展，钢材生产技术的也蓬勃发展，对钢材的需求越来越大，传统的化学方法在测定钢材锰元素的过程中暴露出了一些问题。而近些年，光谱分析法在钢铁生产过程中，逐渐应用于钢材的质量控制过程中。

一、钢铁中锰元素的测定实验

1.实验目的：

1.1通过实验，了解钢铁中锰的存在形式，测定意义。

1.2了解测定钢铁中锰含量的测定方法。

1.3掌握钢铁中锰含量的测定原理。

1.4熟练掌握分光光度计的使用，进一步训练移液管、容量瓶的正确使用。

1.5掌握用比色法测定钢材中锰含量的方法

2.实验原理：

2.1锰在钢铁中主要以MnC、MnS、FeMnSi或固溶体状态存在。生铁中一般含锰0.5％～6％，普通碳素钢中锰含量较低，含锰0.8％～14％的为高锰钢，含锰12％～20％的铁合金称为镜铁，含锰60％～80％的铁合金称为锰铁。

2.2锰溶于稀酸中，生成锰(Ⅱ)。锰化物也很活泼，容易溶解和氧化。在化学反应中，由于条件的不同，金属锰可部分或全部失去外层价电子，而表现出不同的价态，分析上主要有锰(Ⅱ)、锰(Ⅲ)、锰(Ⅳ)、锰(Ⅶ)，少数情况下亦有锰(Ⅵ)，这就为测定锰提供了有利条件。

2.3常用测定方法：一般碳素钢，低合金钢，生铁试样常以HNO3（1+3）或硫磷混酸溶解。难溶的高合金钢以王水溶解，加HClO4或H2SO4冒烟溶解。溶解试样的酸主要依靠H2SO4，HCl，HNO3，因H2SO4－HCl可使MnS分解。HNO3分解碳化物（Mn3C）生成CO2逸出，加磷酸可使Fe3+配合成无色而消除Fe3+的干扰。同时因为磷酸的存在，防止了MnO2沉淀的生成和HMnO4的分解。

2.4主要反应方程式：

3MnS+12HNO3=3Mn(NO3)2+6HNO3+3SO2+6H2O

3Mn3C+28HNO3=29Mn(NO3)2+3CO2+10NO+14H2O

MnS+H2SO4=MnSO4+H2S

2AgNO3+(NH4)2S2O8=Ag2S2O8+2NH4NO3

Ag2S2O8+2H2O=Ag2O2+2H2SO4

5Ag2O2+2 Mn(NO3)2+6HNO3=2HMnO4+10AgNO3+2H2O

3.实验仪器及试剂：

3.1实验仪器：721型分光光度计，分析天平，容量瓶(100mL)，移液管(1ml，2ml，3ml)，吸量管(5mL)，滴管，洗耳球，电加热板

3.2实验试剂：硝酸溶液（1:3），王水（1浓硝酸+3浓盐酸）硫磷混酸（700ml水中加入150ml磷酸及硫酸150ml，摇匀），0.5%硝酸银溶液，20%过硫酸铵溶液，5%EDTA，锰标准溶液（0.1mg/ml）

4.实验步骤：

4.1溶样：钢样0.1-0.5g于100ml容量瓶→加5mlH2O，10-15ml王水溶解，（可稍热）→2mlHClO4→加热至冒白烟2min→冷却→加硫磷混酸10ml→加热至冒白烟，除尽Cl-→冷却，容量瓶定容，摇匀、过滤备用。

4.2显色：移取试样溶液5ml   4份于4个小烧杯→加H2O5ml，硫磷混酸5ml→依次加入锰标准溶液0.00ml，1.00ml，2.00ml，3.00ml，AgNO32ml，(NH3)2S2O85.0ml→煮沸20-40s→放置1min→冷水冷却→转移定容至1000ml容量瓶。

4.3测定A：在530nm的波长下，测定溶液的吸光度，比色皿b=1cm，以水为参比溶液。

4.4实验数据处理：

Ax=KC           A=Ao+Ax=K(Co+Cx)           

Cx=Ax/(Ao-Ax)*Co          

Mn%=[0.01*Vx*1000/5.00/1000/m]%

5.实验注意事项：

5.1方法关键在于使锰(Ⅱ)完全氧化为锰(Ⅶ)，并且生成的高锰酸切勿分解。酸度过高氧化不完全，过低则硝酸银失去催化活性，易形成锰(Ⅳ)沉淀。煮沸及放置可以保证氧化完全，还可使过剩的过硫酸铵分解。

5.2如若遇到碳含量较高的试样，加硫磷混酸后，应该蒸发至冒白烟，以破坏碳化合物，或者接近冒烟时滴加硝酸破坏碳化物。

6.实验数据及数据处理：

6.1实验原始数据：

6.2实验数据处理：

相关公式：Ax=KC           A=Ao+Ax=K(Co+Cx)           

Cx=Ax/(Ao-Ax)*Co          

Mn%=[0.01*Vx*100/5.00/1000/m]%

7.实验结果计算：

由图像的相关线性关系为y = 0.0227x + 0.0557由标准加入法的计算得知：外延直线与x轴的相交即相应于原点与交点的距离，即为所求的待测元素浓度Cx。在此实验中对应的为Vx。所以：y = 0.0227x + 0.0557，解知：Vx=2.45ml

Mn%=[0.01*Vx*100/5.00/1000/m]%

           =[0.01*2.45*100/5.00/1000/0.2654]% =0.92%

8.实验总结

8.1加HNO3破坏碳化物后，必须将氮氧化物NO除尽，否则会使Mn（Ⅶ）还原，结果偏低。

8.2混酸中的磷酸可以增加高锰酸的稳定性，防止二氧化锰的生成，并且磷酸与三价铁生

成无色配合物，终点易于控制。当试样中含钨量高时，磷酸还可与钨配合生成易溶性磷钨酸，避免生成黄色的钨酸沉淀影响观察终点，硝酸可使碳化物氧化生成二氧化碳而逸出。

8.3实验出现操作性失误，将最大吸收波长调制在580nm测定的吸光度，导致实验结果测

定的A偏小。

8.4发烟时间不宜过长，否则会有焦磷酸盐粘于瓶底不易溶解，使分析无法进行，一定要

掌握好；如果发烟时间太长，易析出焦磷酸盐，对结果有影响。

9.实验结果分析：

9.1实验过程出现理论性失误，测定波长设置成了580nm，导致测的的吸光度偏小，进而

计算求得的含量偏高。

9.2实验过程中的溶液的转移配置过程中由于操作失误，在三号瓶加入锰标准溶液时，移

液管中液体滴至烧杯外边，导致含量偏小，在绘图之后导致吸光度偏低。

9.3实验还存在由于操作人员定容带来的偶然误差。

二、钢铁中锰元素的方法比对

1.电感耦合等离子体发射光谱仪工作原理

电感耦合等离子体发射光谱仪是由高频电流经感觉线圈产生高频电磁场，使工作

气体（Ar）电离形成火始状放电高温等离子体，等离子体的最高温度10000K。试

样溶液经过进样毛细管经蠕动泵作用进入罗化器零化形成气溶胶，由载气引入高温

等离子体，进行蒸发、原子化、激发、电离，并产生辐射，光源经过采光管

进入狭缝、反光镜、校镜、中阶梯光栅、准直镜形成一维光谱，谱线以光斑形式落

在540×540个像素的CID检测器上，每个光斑覆盖几个像素，光谱仪经过丈量

落在像素上的光量子数来丈量元素浓度。光量子数信号经过电路变换为数字信号

经过电脑显示和打印机打印出结果。

1.1主要仪器与试剂

光谱仪：美国热电公司iCAP6300电感耦合等离子体发射光谱仪，盐酸、硝酸、氢氟酸均为优级纯（1+1）盐酸（1+1）硝酸=3:1；Fe、Si、Cu、Mn、Zn标准容易1mg/mL。

1.2实验方法

取0.2000g铝样放入聚四氟烧杯中，加入10ml的盐酸和硝酸配制的混液，盖上表面皿，待反应不剧烈后，放在低温电加热板上加热，使之溶解完全。取下烧杯，用水冲洗表面皿，加入1mlHF，用于电炉上加热两分钟，之后取下冷却，用塑料容量瓶定容100ml摇匀，随样品进行试剂空白实验。

2.化学方法测定钢材中锰元素

针对钢铁的锰元素，将所测元素锰在适宜的酸度下溶解，硝酸银作催化剂，用过硫酸铵将锰氧化为紫红色的七价锰，然后通过分光光度计测其吸光度；磷在氧化剂过硫酸钾存在的情况下，通过高温消解将磷氧化为正磷酸盐，磷酸与钼酸铵在适宜的酸度条件下生成黄色的络合物，在催化剂硝酸铋存在的情况下，用抗坏血酸将磷钼黄络合物还原为磷钼蓝络合物，用分光光度计测其吸光度；硅用稀酸溶解试样，使硅转化为可溶性的硅酸，将硅酸放于微酸性溶液中与钼酸铵结合成具有黄色的硅钼杂多酸。最后加入草酸破坏磷、砷等元素与钼酸生成的杂多酸，随即加入硫酸亚铁铵，将硅钼黄还原为硅钼蓝，用分光光度计测其吸光度。

结语：本文通过对光谱分析和化学分析方法的对比，通过了解其工作原理，尽管光谱分析方法和化学分析方法各有利弊，但是随着钢铁工业的不断发展，大规模的元素分析是钢铁生产企业提高核心竞争力的重要手段，光谱分析方法比较适用于大规模快速的元素分析，必将成为今后钢铁企业分析的重要手段。

参考文献：

[1]粟智钢铁中锰元素光电直读光谱法测定研究[J].新疆有色金属2016(09)

[2]李项军，张向英.分光光度法在钢铁元素分析中的应用[J].科技资讯,2019,(27)