第十章 轻金属冶金分析

第十章轻金属分析定义一性质和用途二轻金属检测方法三内容概要一.定义轻金属：轻金属的共同特点是密度小于4.5克/立方厘米。铝、镁、锂、钠、钾、钙、锶、钡、铷、硅、铯二.性质和用途铝：2.702克/立方厘米，熔点为660.37℃，沸点为2467℃。具有良好的导热性、导电性和延展性。铝的活泼性强，不易被还原，在空气中易钝化，形成致密的氧化膜。铝合金广泛应用于飞机、汽车、火车、船舶等制造工业。此外，宇宙火箭、航天飞机、人造卫星也使用大量的铝及其铝合金。铝在电器制造工业、电线电缆工业和无线电工业中有广泛的用途。铝导电率只有铜的2/3，但密度只有铜的1/3，所以输送同量的电，铝线的质量只有铜线的一半。铝表面的氧化膜不仅有耐腐蚀的能力，而且有一定的绝缘性。镁镁：密度1.738克/厘米3，熔点648.9℃，沸点1090℃，具有展性，无磁性，有良好的热消散性。镁常用做还原剂，去置换钛、锆、铀、铍等金属，脱硫剂，脱氢和格氏试剂。用于制造球墨铸铁，也能用于制烟火、闪光粉、镁盐等。镁合金是航空工业的重要材料，镁合金用于制造飞机发动机零件等；镁合金作为笔记本电脑的外壳；镁还用来制造光学仪器零件等。镁在汽油燃点可燃在铸铁中添加镁，得到石墨呈球形的铸铁。球状石墨对金属基体的割裂作用比片状石墨小，改善铸铁抗拉强度，韧性锂锂：高的比热和电导率，它的密度是0.53克/厘米3，是目前所知元素中最轻的一种，在原子能、热核反应、导弹、航天、新型电池等领域都有应用。其合金也被大量用于卫星、飞机等的材料构件，锂盐在农业和电池行业也有广泛应用。钠：密度是0.97g/cm3，比水的密度小，钠的熔点是97.81℃，沸点是882.9℃。钠的化合物可以应用在医药、农业和摄影器材中。液态的钠有时用于冷却核反应堆，钠钾合金在室温下呈液态，是核反应堆的导热剂，起把反应堆产生的热量传导给蒸气轮机的作用。金属钠主要用于制造车用汽油的抗暴剂。钾：熔点63.25℃，沸点760℃，密度0.97g/cm3。用来制造钾钠合金；在有机合成中用作还原剂；也用于制光电管等。钾的化合物在工业上用途很广：钾盐可以用于制造化肥及肥皂、医药、兽药。农业用途：肥料。钙：密度1.54克/厘米3。熔点839±2℃。沸点1484℃。可用于合金的脱氧剂、油类的脱水剂、冶金的还原剂、铁和铁合金的脱硫与脱碳剂以及电子管中的吸气剂等。锶：密度2.6克/厘米3。熔点769℃。沸点1384℃。用于制造合金、光电管，烟火等。锶由于其很强的吸收X射线辐射功能和独特的物理化学性能，而被广泛应用于电子、化工、冶金、军工、轻工、医药和光学等各个领域。钡：密度3.51克/厘米3。熔点725℃。沸点1640℃。金属钡用作消气剂，除去真空管和显像管中的痕量气体，还用作球墨铸铁的球化剂，还是轴承合金的组分。锌钡白用作白漆颜料，碳酸钡用作陶器釉料，硝酸钡用于制造焰火和信号弹，重晶石用于石油钻井，钛酸钡是压电陶瓷，用于制造电容器。铷铷：银白色蜡状金属，有放射性，有导电性和延展性。是制造电子器件（光电倍增管光电管）、分光光度计、雷达、激光器以及玻璃、陶瓷、电子钟等的重要原料；在空间技术方面，离子推进器和热离子能转换器需要大量的铷；铷的氢化物和硼化物可作高能固体燃料；放射性铷可测定矿物年龄。作为真空系统的吸气剂，可去除可能会污染系统的多余气体。硅：硅在所有元素中居第二位，与地壳中含量最多的氧元素结合形成氧化硅，占地壳总质量的87%，多晶硅可作为拉制单晶硅的原料，也是有机硅化合物的主要原料。单晶硅是电子计算机、自动控制系统、信息产业等现代化科学技术中不可缺少的基本材料。铯：银白色金属。用于制作最准确的计时仪器。二冶金分析常用设备常用光谱分析仪器紫外-可见分光光度计原子吸收分光光度计红外光谱仪原子发射光谱仪荧光分析仪原子荧光分析仪等X射线荧光光谱仪2.1原子荧光光谱仪原子荧光光谱分析法（XRF）：利用原子荧光谱线的波长和强度进行物质的定性与定量分析的方法。在一定实验条件下，被测元素的浓度与荧光强度成正比，据此可对物质进行定量分析。特点：设备简单、灵敏度高、光谱干扰少，工作曲线线性范围宽，可以进行多元素测定，应用广泛。原子荧光光谱仪分类色散型原子荧光光谱仪非色散型原子荧光光谱仪两类仪器的结构基本相似，差别在于非色散型仪器不用单色器。色散型原子荧光光谱仪结构特点光谱仪由辐射光源、单色器、原子化器、检测器、显示和记录装置组成。辐射光源用来激发原子使其产生原子荧光；单色器用来选择所需的荧光谱线，排除其他光谱线的干扰；原子化器用来将被测元素转化为原子蒸气；检测器用来检测光信号并转换为电信号，常用光电倍增管；显示和记录装置则用来显示和记录测量结果，包括了电表、数字表、记录仪等。AF-630环保型原子荧光光谱仪AF-630环保型原子荧光光谱仪是世界上第一台三通道环保型原子荧光光谱仪，实现了世界首创的“高效除汞技术”，有效解决了汞污染。原子光谱分析仪的新进展全谱直读功能智能化、小型化、实用化、低分析成本2.1.2原子光谱分析仪的新进展及在临床检验中的应用全谱直读等离子体发射光谱仪便携式光谱仪火花源发射光谱：分析广泛用于金属和合金的直接分析。常规的ICP发射光谱：一种理想的溶液样品分析技术，它可以分析任何能制成溶液的样品，其应用领域非常广泛，包括石油化工、冶金、地质、环境、生物和临床医学、农业和食品安全、难熔和高纯材料等。通过采用合适的试样引入技术，如试样直接插入、电弧和火花熔融法、电热蒸发、激光熔融法等，ICP发射光谱法还可以用于固体样品直接分析。2.1.3原子光谱分析仪在有色金属分析中的应用1、ICP-AES法测定锌及锌合金中杂质元素铅、镉、铁、铜、砷、锡、锑、铝、镁方法的研究；2、ICP-AES法测定锡铅焊料中的砷元素；3、用ICP-AES法测定纯铅中痕量杂质元素；4、ICP-AES测定铝钛硼合金中10种元素，等等。2.2X射线荧光分析法（X-RayFluorescence，XRF）X射线荧光分析法（X-RayFluorescence，XRF）是一种利用原级X射线光子或其他微观粒子激发待测物质中的原子，使之产生荧光（次级X射线）而进行物质成分分析和化学态研究的方法。X射线荧光分析法的历史进展1895年，德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现了x-射线。20世纪20年代瑞典的G.C.de赫维西和R.格洛克尔曾先后试图应用此法从事定量分析。1948年H.弗里德曼和L.S.伯克斯制成了一台波长色散的X射线荧光分析仪。经过近一个世纪的发展，X射线荧光光谱分析技术经历了三次发展高潮。第一次是1948年X光谱仪的诞生。第二次是上世纪八十年代的计算机化。第三次是最近几年来各种新器件、新技术的产生。使得X射线荧光光谱分析技术已在各种科研和工业领域得到了广泛的应用，而且正在向更深的领域发展。2.2.1X射线荧光分析法的原理通常把X射线照射在物质上而产生的次级X射线叫X射线荧光，而把用来照射的X射线叫原级X射线，通过分析次级X射线的方法叫做X射线荧光光谱分析。当原子受到X射线光子(原级X射线)或其他微观粒子的激发使原子内层电子电离而出现空位，原子内层电子重新配位，较外层的电子跃迁到内层电子空位，并同时放射出次级X射线光子，此即X射线荧光。较外层电子跃迁到内层电子空位所释放的能量等于两电子能级的能量差，因此，X射线荧光的波长对不同元素是特征的。2.2.2X射线荧光分析法的种类X射线荧光光谱法利用初级X射线光子或其他微观离子激发待测物质中的原子，使之产生荧光(次级X射线)而进行物质成分分析和化学态研究的方法。X射线荧光光谱法按激发、色散和探测方法的不同，分为X射线光谱法(波长色散)和X射线能谱法(能量色散)。X射线光谱法X射线荧光光谱仪和X射线荧光能谱仪各有优缺点。X射线荧光光谱仪分辨率高，对轻、重元素测定的适应性广。对高低含量的元素测定灵敏度均能满足要求。X射线能谱法X射线能谱法的X射线探测的几何效率可提高2-3数量级，灵敏度高。可以对能量范围很宽的X射线同时进行能量分辨(定性分析)和定量测定。对于能量小于2万电子伏特左右的能谱的分辨率差。2.2.3X射线荧光分析法的技术特点X射线的特征谱线来自原子内层电子的跃迁，谱线数目较光学光谱的少，一般来说又与元素的化学状态无关，故分析简便。不破坏样品，试样形状可多样性（固块、粉粒或液体），一般情况下，样品制备简单。测定元素范围广，可对从铍到铀之间的元素进行定性、半定量及定量分析。分析浓度范围广，自常量至痕量浓度均可分析。自动化程度高，在安装了多通道的情况下，可同时快速分析多个元素，在数分钟内直接得出元素定量分析的结果。测定精度高，重现性好。使用方法灵活，可用于室内或野外分析，也可用于生产直接在线分析。X射线荧光分析法存在的问题及局限性由于XRF分析法是一种相对分析方法，故对标样的要求严格。分析轻元素的困难较多。分析结果受样品的表面物理状况、组成一致性等影响较大，故对每种制样方法要求都很严格。仪器价格昂贵，且对安装条件要求很高，并要防止辐射危害。X射线荧光分析仪的主要应用领域地矿领域工业领域环保领域电子行业土壤监测考古学和文物保护等领域三.轻金属检测方法铝镁锂3.1铝的冶金分析3.1.1铝土矿的分析3.1.2铝酸钠溶液的分析3.1.3氧化铝的分析3.1.4氟化盐、铝电解质的分析3.1.5铝用碳素材料的检测3.1.6铝及铝合金的分析铝酸钠溶液是氧化铝产品生产的中间产品铝土矿是氧化铝生产的重要原料铝用碳素材料主要包括铝电解用阳极材料、侧部炭块和阴极材料用于电解铝的生产电解铝生产1.1铝土矿的分析铝土矿是氧化铝生产的重要原料，铝土矿的主要成分是Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、还有少量的K2O、Na2O、CaO、MgO、P2O5、V2O5、硫化物和C,以及微量的Mn、Sr、Zr、Ga、Cr、Li的氧化物。铝土矿中Al2O3的含量一般为40%-80%，常采用EDTA滴定法滴定。EDTA滴定法有EDTA-金属盐返滴定法和EDTA-氟盐置换法。返滴定法用于生产控制；氟盐置换滴定法具有较高的选择性，准确度高。消除干扰常用的方法有沉淀分离法、有机溶剂萃取法和掩蔽法。其他分析项目及方法见表11.1铝土矿的分析分析项目分析方法SiO2含量一般在0.5%-30%，采用钼蓝分光光度法和重量-钼蓝分光光度法（pH=0.7-1.4）Fe2O3、含量在0.5%-40%，采用邻二氮杂菲分光光度法和重铬酸钾滴定法（二价铁，pH=4.0）TiO2含量一般不大于8%，测定方法有过氧化氢吸光光度法和二安替吡啉甲烷光度法K2O、Na2O含量一般在0.01%-1.0%，采用火焰原子吸收光谱法和火焰原子发射光谱法CaO含量一般为0.01%-3%，采用EDTA滴定法和火焰原子吸收光谱法MgO含量一般为0.01%-1.0%，采用二甲苯胺蓝I-CTMAB分光光度法和火焰原子吸收光谱法ZnO含量一般为0.001%-0.1%，主要采用火焰原子吸收光谱法表1铝土矿的分析项目及方法1.1铝土矿的分析分析项目分析方法Ga2O3含量一般为0.001%-0.05%，采用罗丹明B分光光度法MnO含量一般为0.01%-1.0%，采用高锰酸钾分光光度法和原子吸收光谱法Cr2O3含量一般为0.001%-2.0%，采用二苯基碳酰二肼分光光度法和原子吸收光谱法Li2O含量一般为0.01%--1.0%,采用原子吸收光谱V2O5含量一般为0.01%-0.4%，采用苯甲酰苯胲分光光度法P2O5含量一般为0.01%-1.0%，采用磷钼蓝分光光度法总碳高频感应炉燃烧红外吸收法，非水滴定法硫总含量一般为0.01%-3%，燃烧-碘量法和高频感应炉红外吸收法1.2铝酸钠溶液的分析铝酸钠溶液是氧化铝产品生产的中间产品之一。用碱液在高温溶出铝土矿时，氧化铝以Al(OH)4-形式进入溶液，即铝酸钠溶液。铝酸钠溶液测定的主要成分是氧化铝、苛性碱和全碱，除此外还需要