電感耦合等離子體原子發射光譜法測定保護渣中鉀、鈉、鋰

趙二敏，鄭興躍，趙炳建，，袁 輝，堯建莉，史 琦

（1.唐山鋼鐵集團有限責任公司，河北063016；2 河鋼樂亭鋼鐵有限公司，河北063600）

0 引言

連鑄保護渣是冶金生產的重要原料，具有隔熱保溫、防止二次氧化、去除夾雜、潤滑和防止坯殼粘結的作用。保護渣的成分影響其理化性能，進而影響鋼鐵產品質量，因而準確檢測保護渣的成分非常重要[1-4]。

保護渣中的鉀、鈉含量的檢測多采用YB/T 190.5-2016 火焰原子吸收法或X 射線熒光法，鋰的檢測采用YB/T 190.9-2015 火焰原子吸收法，火焰原子吸收法前處理過程均為鹽酸-硝酸-氫氟酸低溫加熱冒高氯酸煙的方法溶解樣品，操作流程較長，且樣品溶解過程易濺出，X 射線熒光法無法檢測保護渣中的鋰。實驗驗證了ICP-OES 法同時檢測保護渣中鉀、鈉、鋰的可行性，并對鹽酸-硝酸-氫氟酸加熱冒高氯酸煙和微波消解兩種溶樣方法作了比對，微波消解可顯著縮短檢測時間，減少試劑空白，方法可滿足生產科研需要。

1 實驗部分

1.1 儀器及工作參數

BSA124S 賽多利斯電子分析天平；Optima 8300電感耦合等離子體原子發射光譜儀（美國Perkin Elmer 公司ICP-OES）；WX-8000 微波消解儀（上海屹堯分析儀器公司）。

ICP-OES 工作條件：射頻功率1300 W；等離子體氣流量15 000 ml/min；輔助氣體流量200 ml/min；霧化氣體流量550 ml/min；泵進樣流量1.5 ml/min；讀數延遲45s；鈦分析譜線Ti334.940 nm，垂直觀測；釔分析譜線Y371.029 nm，垂直觀測。

微波消解儀工作條件：功率2 000 W；頻率2 450 MHz；最高壓力6 Mpa；最高溫度300 ℃。

1.2 試劑

基準碳酸鈣；鹽酸: ρ≈1.19 g/ml；氫氟酸:ρ≈1.15 g/ml；硝酸:ρ≈1.42 g/ml；高氯酸:ρ≈1.67 g/ml；鉀標準溶液：1 mg/ml，鈉標準溶液：1 mg/ml，鋰標準溶液：1 mg/ml（國家鋼鐵材料測試中心）；釔標準溶液：0.1 mg/ml。

1.3 實驗方法

1.3.1 試料分解

實驗采用酸溶加熱和微波消解兩種方法溶解樣品。

酸溶樣過程：稱取0.2500 g 試樣，加15 ml 鹽酸（ρ≈1.19 g/ml）、5 mL 硝酸（ρ≈1.42 g/mL）、1 ml 氫氟酸（ρ≈1.15g/ml，少量去離子水，加熱溶解試樣。加10ml 高氯酸（ρ≈1.67 g/ml），加熱冒高氯酸煙至溶液體積約1 ml，取下冷卻。加5 ml 鹽酸，10 ml 水，加熱溶解鹽類，取下冷卻至室溫，移入100 ml 容量瓶中，用水稀釋到刻度，混勻。

微波消解過程：稱取0.2500 g 試樣，置于微波消解罐中，少量水潤濕，加15 ml 鹽酸（ρ≈1.19g/ml）、5 mL 硝酸（ρ≈1.42 g/ml）、1 ml 氫氟酸（ρ≈1.15 g/ml）。設定升溫時間5 min，目標溫度120 ℃，保持時間5 min。消解結束后，冷卻，消解液轉入100 ml容量瓶中，用水稀釋至刻度，混勻。

1.3.2 測量溶液制備

移取20 ml 試樣分解后的溶液于100 ml 容量瓶中，加5 ml 鹽酸（ρ≈1.19 g/ml），5 ml 釔標準溶液（ρ≈0.1 mg/ml），用水稀釋至刻度，混勻。

1.3.3 空白測量溶液制備

稱取0.0500 g 基準碳酸鈣，按試料分解步驟操作制備空白底液。移取20.00 ml 空白底液于100 ml容量瓶中，加5 ml 鹽酸，用水稀釋至刻度，混勻。

1.4 工作曲線的制作

鉀、鋰標準溶液預先稀釋為0.1 mg/ml。

移取20.00 ml 空白底液于100 ml 容量瓶中，加5 ml 鹽酸（ρ≈1.19 g/ml），按表1 加入待測元素標準溶液和釔標準溶液，用水稀釋至刻度，混勻。

2 結果與討論

表1 試液分取量、待測元素標準溶液、釔標準溶液加入量

2.1 溶樣方法的選擇

實驗用的保護渣的碳含量約1.6%，硅含量約14%，樣品酸溶解過程中需要充分考慮碳和硅的溶解，因此需要加入一定量的氫氟酸，加熱過程中應避免溫度過高，不斷補水以避免硅沉淀析出。為避免加入氫氟酸后形成的SiF4揮發，應在每次加酸后稍加冷卻。實驗最初選用鹽酸-硝酸-氫氟酸加熱溶解樣品，溶解液含有少量懸浮黑渣，為沒能溶解完全的碳，碳渣有較強的吸附性，不可避免地吸附溶解初期的樣品小顆粒，造成結果偏低。經過多次實驗驗證，最終采用鹽酸-硝酸-氫氟酸，加熱冒高氯酸煙的方法，樣品溶解液澄清，無可見懸浮物。

微波消解是一種高效的樣品溶解手段，在ICPOES 樣品前處理過程中得到了廣泛的應用[5-8]。相比于傳統溶樣方法，微波消解具有溶樣速度快、污染少、試劑加入量少、清潔高效等特點。

兩種溶樣方法的比對結果如表2 所示，相比酸溶法，微波消解大幅縮短了溶樣時間。而且，微波消解樣品檢測結果的極差較小，原因是密閉的溶樣系統避免了樣品加熱過程中的濺出。

表2 不同溶樣方法對比

2.2 分析譜線

ICP-OES 法譜線的選擇，一般按以下原則，譜線強度高、干擾少、穩定性好[9-13]。

實驗所用的Optima 8300 ICP-OES 為全譜直讀儀器，即每個元素提供多條特征譜線可供選擇。鉀、鈉、鋰元素均選取最常用的3 條譜線，查元素譜線表，剔除元素之間相互干擾的譜線，最終選擇K317.933 nm、Na589.592 nm、Li670.784 nm 為分析譜線。以上三條譜線距離其干擾元素譜線相隔均在0.1 nm 以上，干擾可忽略、信背比較高、信號強度適中，為理想的分析譜線。

2.3 工作曲線和基體效應

在儀器最優條件下，對配制的標準溶液進行測定，以測定的鉀、鈉、鋰的強度為縱坐標，質量分數為橫坐標，繪制工作曲線，三條曲線的線性相關系數均超過了0.999。空白溶液連續測定10 次，測定結果標準偏差的3 倍計算出各元素的檢出限分別為：K0.0003%，Na0.0023%，Li0.0008%。曲線相關系數和檢出限均能滿足檢測要求。

保護渣中鈣含量超過30%，實驗中采用同樣的樣品溶解方法溶解0.0500 克碳酸鈣，分取后加入到工作曲線和空白溶液中，以減少鈣的基體效應的影響。

表3 精密度和準確度測試結果（n=5）

2.4 精密度和準確度

實驗選取了E02、D03 兩個樣品，采用ICP-OES法檢測。按1.3 的測試過程進行了4 次平行測定，工作曲線的線性相關系數均大于0.999，檢測結果與火焰原子吸收光譜法進行了比對，結果如表3 所示。ICP-OES 法測定保護渣中鉀的含量相對標準偏差5.66～6.08%，測定鈉的含量相對標準偏差2.19～2.43%，測定鋰的含量相對標準偏差4.35～4.50%，略低于火焰原子吸收光譜法，兩種方法檢測結果之差未超過標準YB/T190.5 和YB/T190.9 中的實驗室間允許差，證實了檢測方法的可靠性。

3 結語

實驗研究了ICP-OES 法檢測保護渣中鉀、鈉、鋰的可行性。采用鹽酸-硝酸-氫氟酸加熱冒高氯酸煙的方法和微波消解的溶樣方法，均可較徹底地溶解樣品，但微波消解大幅地縮短了檢測時間；采用釔作為內標元素，有效減少儀器波動的影響；實驗選擇K317.933 nm、Na589.592 nm、Li670.784 nm 為分析譜線。通過ICP-OES 法與原子吸收光譜法檢測結果作對比，未超過實驗室間允許差。檢測結果表明其準確度和精密度比較可靠，可用于實際生產和科研檢測。