堿熔-氟硅酸鉀容量法測定硅鐵中硅含量應用實踐

尹顯武，劉 燦

（天津天鐵冶金集團技術中心，河北涉縣056404）

1 引言

硅是鋼鐵及冶金材料中最常見而又重要的元素之一，它和氧的親和力強，硅以二氧化硅的形態存在。硅鐵合金在煉鋼生產中起到脫氧、脫硫和還原劑作用，其中硅含量的控制更是至關重要。目前硅鐵中硅的測定方法主要有重量法、硅鉬藍光度法、ICP光譜法、氟硅酸鉀堿滴定法等，但用傳統的重量法分析時間長、程序繁瑣，滿足不了實際生產需要；比色法適合低含量元素測定、誤差大，且對分光光度計設備的穩定要求高，光譜法需要每次用標樣進行標準化曲線調整，在酸性溶液中硅濃度太高易發生聚合而影響定量測定，不適合10%以上硅含量測定，而且成本大。生產中常用酸對試樣溶解，但硅酸鹽不溶于常見的酸或者溶解后（氫氟酸）呈四氟化硅揮發，導致結果偏低。本文參照中華人民共和國出入境檢驗檢疫行業標準SN/T1014.1—2001,根據氟硅酸鉀沉淀分離-酸堿滴定原理，通過改變熔樣方法、標液滴定濃度及采用不同的指示劑等，得出一種準確度高、精密度好、速度快、適合生產節奏快的測定方法——堿熔氟硅酸鉀沉淀法。此方法經過長期驗證并作為天鐵技術中心化學分析的標準方法。該方法適用于鐵礦石、巖石，礦石及冶金爐渣中，硅含量≥10%～70%的試樣（操作的溶液中含Si量在0.5～50 mg的范圍內）的測定。

2 實驗部分

2.1 方法原理

硅鐵樣品經與氫氧化鉀（固體）共熔時生成可溶性硅酸鹽，可溶性硅酸鹽在大量氯化鉀（KCl）及氟離子存在條件下生成氟硅酸鉀沉淀。氟硅酸鉀在沸水中分解析出氫氟酸（HF），用溴麝香草酚藍-酚紅指示劑，以標準氫氧化鈉溶液滴定，間接計算出硅的含量。主要反應有：

2.2 主要試劑

氫氧化鉀、鈉（固體）；

氯化鉀（固體）；

硝酸：ρ=1.42 g/ml；

鹽酸：ρ=1.19 g/ml；

尿素（5%）；

氟化鉀溶液200 g/L，在塑料器皿中配制并保存；

氯化鉀-乙醇洗液，乙醇和水的體積比為1：2，并加KCl至飽和；

溴麝香草酚藍-酚紅指示劑，各取溴麝香草酚藍和酚紅0.2 g溶解于20 ml無水乙醇中，加30 ml熱水，攪拌使完全溶解，混勻；

氫氧化鈉標準溶液（0.25 mol/L）；

中性水，將離子交換水煮沸，滴加溴麝香草酚藍指示劑數滴，滴加氫氧化鈉標準溶液1滴，煮沸呈藍綠色以除盡二氧化碳。

標定：稱取1.0000 g預先干燥過的鄰苯二甲酸氫鉀（基準試劑），置于500 ml錐形瓶中，加200 ml中性水溶解，加入5滴溴麝香草酚藍-酚紅指示劑，用氫氧化鈉標準溶液滴定至紫紅色為終點。

2.3 實驗步驟

稱取試樣0.10 g，精確至0.0001 g（隨同試樣做空白試驗），置于鉑金（鎳）坩堝中，加入4 g氫氧化鉀，在加熱板上低溫加熱驅除水分，直至氫氧化鉀熔融。移入600～650℃馬弗爐中繼續熔融10 min，取出冷卻至室溫。

用預先做好的熱蒸餾水將坩堝底擦凈，臥放于300 ml的塑料燒杯中，加入50 ml沸水緩緩搖動，待劇烈反應停止后，緩緩加入20 ml鹽酸，用鑷子取出坩堝并用熱水洗凈坩堝；向溶液中加10 ml硝酸；冷卻至室溫，逐漸地邊攪拌邊加氯化鉀粉，如果溶解則再加，直到在攪拌下有少量氯化鉀不溶解剩余下來（此時溶液已成為氯化鉀飽和溶液），約加氯化鉀粉3～5 g；加少許濾紙漿，用塑料量杯加10 ml氟化鉀溶液，以塑料棒攪拌1～2 min，放置5 min。

在塑料漏斗上用氯化鉀-乙醇洗液將事先疊好的定量中速濾紙調好，過濾，當溶液過濾完后，用氯化鉀—乙醇洗液洗塑料燒杯5次，洗濾紙上沉淀5次，洗去絕大部分游離酸（可用甲基橙指示劑檢驗是否含有氫氟酸）。待過濾完后，將濾紙連同沉淀放入原燒杯中，加入10 ml氯化鉀-乙醇洗液。

加入1～2 ml溴麝香草酚藍-酚紅指示劑，用氫氧化鈉標準溶液滴定中和殘余的游離酸至紫紅色，為第一終點（可不計數）。加入150 ml沸騰的蒸餾水，攪拌使氟硅酸鉀分解析出游離酸（氫氟酸），然后用氫氧化鈉標準溶液滴定至紫紅色，為第二終點，記下消耗的氫氧化鈉標準溶液體積。

2.4 結果計算

式中：c——氫氧化鈉標準滴定濃度，mol/L；

V1——滴定試樣所消耗氫氧化鈉標準溶液的體積，ml；

V2——滴定空白所消耗氫氧化鈉標準溶液的體積，ml；

m——試料量，g；

0.007023 ——硅換算因子。

3 實驗條件選擇與數據處理

3.1 熔樣方法（堿熔）

通過長時間對比實驗證明，硅鐵合金中有少部分硅不溶于酸（硝酸及氫氟酸），致使結果普遍偏低，用硝酸處理樣品（破壞試樣中碳氮分子結構），一般還要加氫氟酸共同分解樣品，對于硅系列的鐵合金，由于硅及其他主要成分呈單體狀態存在，與氫氟酸加硝酸溶解反應劇烈，往往還要冷卻，否則會有部分硅散失不能用酸分解，需要用氫氧化鉀（堿熔）熔融且速度較快，使含氟較高的試樣中的硅不致呈四氟化硅揮發損失。一方面，用它可以提供更多的鉀離子，還可以排除鋁、鈦元素的干擾；另一方面，制成的試液清澈，便于觀察。一般樣品熔融不加過氧化鈉。只有樣品不能被氫氧化鉀完全分解時。可在加入氫氧化鉀的同時加入少量過氧化鈉助熔。用堿熔分析方法結果數據和重量法分析方法結果比較接近，并且接近真值，所以采用堿熔方法比較適合。

3.2 滴定NaOH濃度的影響

試驗中分別選取 0.50、0.3、0.25、0.20 和 0.005 mol/L的NaOH濃度進行滴定，試驗證明濃度越大，滴定消耗體積越小，產生誤差也比較大，終點不易控制，滴定濃度越小，消耗體積越大，滴定終點比較冗長。本方法采用濃度為0.25 mol/L的氫氧化鈉，消耗體積在50 ml以內（標準要求），減少了系統誤差，終點顏色較易觀察。

3.3 實驗溫度的影響

實驗室溫度按要求一般控制在25℃左右比較合適，準確稱取試樣于燒杯中，在水浴中緩慢加入HF，加入5 ml尿素（5%），再加入2 g固體硝酸鉀，放入水中靜止30 min，用硝酸鉀洗液（15%）分別清洗燒杯和濾紙上的沉淀各5次，加入20 ml無水乙醇，用標定好的NaOH（0.25 mol/L）進行滴定，結果見表1。

表1 溫度對分析結果的影響

由表1中的數據可知，當溫度控制在10℃時，實際硅含量與標樣中硅含量相比，普遍偏高，可能是由于溫度較低時有磷等元素干擾所致；當溫度控制在20℃時，實際硅含量比較接近定值硅的含量，說明在此溫度下偏差比較小；當溫度在30℃時，硅的實際值普遍偏低，說明在相對溫高時，沉淀溶解度增大，有一部分沉淀損失所致，相比之下，選擇溫度在20℃時，測定結果比較理想。

3.4 指示劑的選擇

氟硅酸鉀水解產生兩種酸的離解常數相差大，用氫氧化鈉標準溶液滴定時，氫氟酸先被滴定，終點的pH值7.5～8.3。滴定時用溴麝香草酚藍-酚紅指示劑（變色點pH值7.5），溶液pH值為中性，終點時試液由黃色變為紫紅色，色澤變化敏銳清晰，常規用酚酞指示劑，但pH變色8.6～10，試液呈堿性，滴定體積比實際大，不穩定，結果偏高，所以選用溴麝香草酚藍-酚紅指示劑比較好。

3.5 生成氟硅酸鉀沉淀的最佳條件

沉淀的介質和酸度：介質可以是鹽酸、硝酸或鹽酸和硝酸的混合酸。在鹽酸的介質中沉淀時，鋁、鈦允許量較小，沉淀速度較慢。但可允許大量鐵、鈣、鎂共存；在硝酸介質中沉淀，鋁鈦生成的氟鋁酸鉀和氟鈦酸鉀的溶解度比在鹽酸中大，因此減少鋁鈦的干擾，但如果同時有大量鈣存在時有影響。所以樣品中含鈣、鈦、鋁均高時采用鹽酸硝酸混合酸較好。所以一般情況使用純硝酸或鹽酸硝酸混合酸結果較好，氟硅酸鉀沉淀可以完全，一般酸度在3～4 mol/L介質中進行。由于F-與玻璃生成硅氟化合物，使用的燒杯、漏斗、攪棒及裝氟化鉀溶液的瓶子等器皿，均應是不被HF腐蝕的聚乙烯、聚四氟乙烯或其他塑料制成品。

3.6 滴定方式

第一終點即氟硅酸鉀沉淀及濾紙上洗滌后少量的殘余酸（氫氟酸），用氫氧化鈉標準溶液滴定至終點（控制滴定速度）；第二終點是滴定（第一終點后加入中和水）氟硅酸鉀水解生成的H+。第二終點可以有兩種方法確定：一為返滴定，加過量的氫氧化鈉溶液，再用酸標準溶液滴定過量的氫氧化鈉標準溶液，終點時溶液由藍紫色變為黃色；另一種為直接滴定。

3.7 氟硅酸鉀滴定法測定硅方法過程注意事項

首先，要使氟硅酸鉀沉淀完全；沉淀條件為強酸度>3～7.5 mol/L硝鹽混酸；氯化鉀飽和操作溶液，氟化鉀濃度>10 g/L；室溫低于35℃；攪拌2 min，放置片刻（＜10 min）；濾紙必須用洗液洗滌平衡。以上條件缺一不可，條件完全符合時，試樣溶液中硅酸的Si才能完全轉化為氟硅酸鉀沉淀。

其次，使氟硅酸鉀純凈又沒有損失：洗滌氟硅酸鉀沉淀時要洗凈，還要保證氟硅酸鉀沉淀不溶解。一般用50%乙醇-氯化鉀飽和溶液（飽和硝酸鉀溶液或氯化鉀50 g/L-50%乙醇溶液）洗滌氟硅酸鉀沉淀7～8次，將濾紙取下于原燒杯中，以氫氧化鈉標準溶液中和殘余酸，即可得到純凈的氟硅酸鉀。

第三，使氟硅酸鉀水解完全：氟硅酸鉀水解是吸熱反應，為防止蒸餾水中 CO2及酸度的影響，使用一定體積（150 ml左右）的沸騰中和水，使氟硅酸鉀沉淀完全溶解。滴定時再注意觀察終點顏色變化，就可得到測定硅的正確結果。

3.8 實驗結果數據處理

采用t檢法和F檢驗法，對上述條件下使用YSBC19601-90、YSBC19603-90和 YSBC25611-93三種標準樣品進行測定，并采用經典的重量法、酸熔法和堿熔法測定硅鐵中的硅進行對比，結果數據見表2。

表2 準確度精密度對比試驗

計算分析結果的精密度和準確度。

4 試驗結果

由表2可知，重量法測定的數值和真值比較接近，準確度和精密度都高，但重量法操作復雜，且耗時太大，不適合批量數據的測定。酸溶法測定的準確度普遍偏低，準確度和精密度不好。采用堿熔法測得的數值和真值最接近，而且和重量法對比，基本平行，精密度和準確度都非常好，說明本方法在實際生產中可以代替重量法。此方法有以下特點：

（1）速率快，操作方便，可以大批量進行試驗數據測定。

（2）精密度和準確度好，系統誤差很小。

（3）分析時不需要特殊的設備，使用藥品均為常用實驗室藥品，經濟實用。

（4）試驗周期短，測定元素數據輸出快。

本方法參照國標并進行了相應的改進，很好地解決了實際生產中的各種難題，并最終確定用堿熔-氟硅酸鉀容量法測定硅鐵中的硅是較為理想的方法，為生產提供了有力的精確數據。

[1]GB/T5686.2—2008，錳鐵、硅錳合金硅的測定[S].中國國家標準化管理文員會，2008.

[2]夏玉宇.化驗員實用手冊[M].2版.北京：化學工業出版社，2005.

[3]曹宏燕.冶金材料分析技術與應用[M].北京：冶金工業出版社，2008.