稀土鎂硅鐵合金中硅含量的分析方法

姜均濤，陳祥鳳

(臨沂科技職業學院 智能制造系，山東 臨沂 276000)

稀土鎂硅鐵合金是鑄造行業里一種非常重要的合金材料，也叫做球化劑[1]，一般球化劑的含硅量在35%～47%之間，在鑄造后期加入稀土鎂硅鐵合金能顯著提高鑄鐵強度，在鋼、鐵生產中用作合金添加劑，在鑄造生產中作為球化劑。球化劑在冶金及鑄造行業中是必不可少的，其中鎂是主要的球化元素，對石墨的球化效果有直接的影響[2]。在鋼、鐵生產中用作合金添加劑，在鑄造生產中作為球化劑，可有效改善鑄鐵的組織結構和力學性能[3]。硅是其中的主要元素，含量可達到35%～47%，因此，如何快速、準確地檢測稀土鎂硅鐵合金中的硅含量具有極其重要的意義[4]。

稀土鎂硅鐵合金中硅的測定方法主要有重量法、分光光度法和酸堿滴定法。由于高氯酸脫水重量法操作起來比較復雜，分析周期長，而分光光度法偶然誤差大，受環境、溫度等因素影響較大[5]，所以本實驗室采用操作簡單、分析結果準確且重現性好的氟硅酸鉀容量法。

1 試驗材料、設備與方法

1.1 選取標準樣品

本分析方法擬選取冶金類標準樣品，列表見表1。

表1 標準樣品名稱及硅含量

1.2 試驗裝置

本文采用的試驗裝置為抽氣過濾裝置(見圖1)。

圖1 抽氣過濾裝置

1.3 化學反應機理

標準樣品使用硝酸和氫氟酸溶解，使硅轉化為硅氟酸的形式存在，氟硅絡合離子在過量K+存在的情況下，會形成氟硅酸鉀沉淀，然后沉淀以沸水水解，產生硅當量的氫氟酸[6]，此氫氟酸用標準酸堿溶液滴定，化學反應式如下：

K2SiF6+3H2O=2KF+H2SiO3+4HF

HF+NaOH=NaF+H2O

1.4 氫氧化鈉溶液的實驗室標定方法

1)方法1：用鄰苯二甲酸氫鉀進行標定。稱取2.000 0 g經105～110 ℃干燥2 h的鄰苯二甲酸氫鉀固體粉末置于250 mL錐形瓶中，加入100 mL亞沸水中溶解，在加入5滴混合指示劑，用氫氧化鈉溶液滴定，直至溶液呈現鮮明的紫色，記下所消耗標準溶液的體積V。按下述計算式計算氫氧化鈉溶液的濃度：

式中，m是鄰苯二甲酸氫鉀的質量，單位為g；V是滴定總共消耗氫氧化鈉的標準溶液體積，單位為mL。

2)方法2：用硅鐵標準試樣進行標定。計算氫氧化鈉溶液對硅的滴定度如下：

式中，T是氫氧化鈉溶液對硅的滴定度，單位為g/mL；X是硅鐵標準試樣中的硅含量；m是硅鐵標準試樣的質量，單位為g；V是滴定所耗氫氧化鈉溶液的體積，單位為mL。

2 分析方法

稱取0.100 0 g試樣(精確至0.000 2 g)，將試樣置于400 mL聚四氟乙烯燒杯中，加10 mL的HNO3，滴加5 mL的HF，用塑料棒攪拌使試樣完全溶解。用15 mL水吹洗杯壁，在攪拌下加KNO3溶液20 mL，繼續攪拌0.5 min，放置20 min，置于冷水或冰水中。試液及沉淀用中速定量濾紙于抽氣過濾裝置上抽氣過濾，用KNO3洗液洗滌燒杯和沉淀各3次，每次不超過5 mL，將沉淀連同濾紙移到原燒杯之中，加KF保護液15 mL，滴加混合指示劑10滴，用氫氧化鈉溶液中和殘余酸，邊中和邊仔細擦洗杯壁并將濾紙搗成糊狀，當用氫氧化鈉溶液中和至溶液出現鮮明紫色時[7-9]，迅速加入200 mL沸水，馬上用氫氧化鈉標準溶液進行滴定，在接近終點淡紫色時補加指示劑5滴，繼續滴定至出現鮮明紫色即為終點[10]。

3 試驗結果與討論

3.1 硅含量計算

按照上述方法1標定氫氧化鈉溶液時，計算硅含量如下：

式中，V1是滴定試樣所耗氫氧化鈉溶液的體積，單位為mL；V0是空白試驗所耗氫氧化鈉溶液的體積，單位為mL；c是氫氧化鈉溶液的濃度，單位為mol/L；0.007 023是與1.00 mL氫氧化鈉溶液[CNaOH=1.00 mol/L]相當的硅的質量，單位為g；m是試樣的質量，單位為g。

按照上述方法2標定氫氧化鈉溶液時，計算硅含量如下：

式中，T是氫氧化鈉溶液對硅的滴定度，單位為g/mL；V1是所耗氫氧化鈉溶液的體積，單位為mL；V0是空白試驗所耗氫氧化鈉溶液的體積，單位為mL；m是試樣的質量，單位為g。

3.2 氟硅酸鉀容量法測定結果

按照上述分析方法，每一個標樣分別測試3次，結果見表2。

由表2可以看出，REMg-1的偏差為-0.08%，REMg-2的偏差為-0.01%，REMg-3的偏差為+0.01%，REMg-4的偏差為-0.02%，與標準值偏差很小，都在允許的誤差范圍之內，而且3次結果也在標準值附近，準確性很高，平均值也具有很高的準確性。結果證明，本方法簡單、可靠，具有較高的準確性與重現性。

表2 試驗數據與偏差

3.3 3種分析方法結果比較

選取REMg-1標準樣品分別用高氯酸脫水重量法、分光光度法和氟硅酸鉀容量法測定，從分析時間和準確性2個方面進行對比。

由表3可以看出，高氯酸脫水重量法單次結果和平均值與標準值偏離都比較大；分光光度法雖然平均值與標準值比較一致，但是單次結果與標準值偏差比較大，可信度一般；氟硅酸鉀容量法的單次結果和平均值都與標準值一致性高，表明氟硅酸鉀容量法測定稀土鎂硅鐵合金中硅含量具有較高的準確性、重現性和時效性。

表3 3種分析方法結果比較

4 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)氟硅酸鉀容量法測定稀土鎂硅鐵合金標準試樣，與標準值基本一致，具有較高的準確性。

2)氟硅酸鉀容量法與高氯酸脫水重量法、分光光度法相比，平均時間為6 h，而且單次結果與平均值與其他2種方法相比與標準值更接近，所得結果準確，重現性高，分析時間也短，能夠快速準確地分析稀土鎂中間合金中的硅，更好地服務于生產。