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(yè)學(xué)院 智能制造系，山東 臨沂 276000)

稀土鎂硅鐵合金是鑄造行業(yè)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(qiáng)度，在鋼、鐵生產(chǎn)中用作合金添加劑，在鑄造生產(chǎn)中作為球化劑。球化劑在冶金及鑄造行業(yè)中是必不可少的，其中鎂是主要的球化元素，對(duì)石墨的球化效果有直接的影響[2]。在鋼、鐵生產(chǎn)中用作合金添加劑，在鑄造生產(chǎn)中作為球化劑，可有效改善鑄鐵的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能[3]。硅是其中的主要元素，含量可達(dá)到35%～47%，因此，如何快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)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(cè)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(fù)雜，分析周期長，而分光光度法偶然誤差大，受環(huán)境、溫度等因素影響較大[5]，所以本實(shí)驗(yàn)室采用操作簡(jiǎn)單、分析結(jié)果準(zhǔn)確且重現(xiàn)性好的氟硅酸鉀容量法。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備與方法

1.1 選取標(biāo)準(zhǔn)樣品

本分析方法擬選取冶金類標(biāo)準(zhǔn)樣品，列表見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)樣品名稱及硅含量

1.2 試驗(yàn)裝置

本文采用的試驗(yàn)裝置為抽氣過濾裝置(見圖1)。

圖1 抽氣過濾裝置

1.3 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

標(biāo)準(zhǔn)樣品使用硝酸和氫氟酸溶解，使硅轉(zhuǎn)化為硅氟酸的形式存在，氟硅絡(luò)合離子在過量K+存在的情況下，會(huì)形成氟硅酸鉀沉淀，然后沉淀以沸水水解，產(chǎn)生硅當(dāng)量的氫氟酸[6]，此氫氟酸用標(biāo)準(zhǔn)酸堿溶液滴定，化學(xué)反應(yīng)式如下：

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

HF+NaOH=NaF+H2O

1.4 氫氧化鈉溶液的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定方法

1)方法1：用鄰苯二甲酸氫鉀進(jìn)行標(biāo)定。稱取2.000 0 g經(jīng)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(xiàn)鮮明的紫色，記下所消耗標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積V。按下述計(jì)算式計(jì)算氫氧化鈉溶液的濃度：

式中，m是鄰苯二甲酸氫鉀的質(zhì)量，單位為g；V是滴定總共消耗氫氧化鈉的標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，單位為mL。

2)方法2：用硅鐵標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行標(biāo)定。計(jì)算氫氧化鈉溶液對(duì)硅的滴定度如下：

式中，T是氫氧化鈉溶液對(duì)硅的滴定度，單位為g/mL；X是硅鐵標(biāo)準(zhǔn)試樣中的硅含量；m是硅鐵標(biāo)準(zhǔn)試樣的質(zhì)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(xù)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(hù)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(xì)擦洗杯壁并將濾紙搗成糊狀，當(dāng)用氫氧化鈉溶液中和至溶液出現(xiàn)鮮明紫色時(shí)[7-9]，迅速加入200 mL沸水，馬上用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定，在接近終點(diǎn)淡紫色時(shí)補(bǔ)加指示劑5滴，繼續(xù)滴定至出現(xiàn)鮮明紫色即為終點(diǎn)[10]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 硅含量計(jì)算

按照上述方法1標(biāo)定氫氧化鈉溶液時(shí)，計(jì)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(yàn)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(dāng)?shù)墓璧馁|(zhì)量，單位為g；m是試樣的質(zhì)量，單位為g。

按照上述方法2標(biāo)定氫氧化鈉溶液時(shí)，計(jì)算硅含量如下：

式中，T是氫氧化鈉溶液對(duì)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(yàn)所耗氫氧化鈉溶液的體積，單位為mL；m是試樣的質(zhì)量，單位為g。

3.2 氟硅酸鉀容量法測(cè)定結(jié)果

按照上述分析方法，每一個(gè)標(biāo)樣分別測(cè)試3次，結(jié)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(biāo)準(zhǔn)值偏差很小，都在允許的誤差范圍之內(nèi)，而且3次結(jié)果也在標(biāo)準(zhǔn)值附近，準(zhǔn)確性很高，平均值也具有很高的準(zhǔn)確性。結(jié)果證明，本方法簡(jiǎn)單、可靠，具有較高的準(zhǔn)確性與重現(xiàn)性。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與偏差

3.3 3種分析方法結(jié)果比較

選取REMg-1標(biāo)準(zhǔn)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(cè)定，從分析時(shí)間和準(zhǔn)確性2個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比。

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

表3 3種分析方法結(jié)果比較

4 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)氟硅酸鉀容量法測(cè)定稀土鎂硅鐵合金標(biāo)準(zhǔn)試樣，與標(biāo)準(zhǔn)值基本一致，具有較高的準(zhǔn)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(shí)間為6 h，而且單次結(jié)果與平均值與其他2種方法相比與標(biāo)準(zhǔn)值更接近，所得結(jié)果準(zhǔn)確，重現(xiàn)性高，分析時(shí)間也短，能夠快速準(zhǔn)確地分析稀土鎂中間合金中的硅，更好地服務(wù)于生產(chǎn)。