鈮鐵中鈮、鉭含量檢測方法改進研究

徐 鵬，黃繼發，劉 巍

(方大特鋼科技股份有限公司，江西 南昌 330012)

鈮鐵[2]主要用于冶煉高溫（耐熱）合金，不銹鋼和高強度低合金鋼。鈮均勻地分布在鋼的晶粒邊界，防止高溫下鋼的晶粒長大，對鋼的組織起細化作用，可提高鋼的強度、韌性和蠕變性能。鋼中的鈮與氮生成穩定的氮化鈮，提高了鋼的表層抗腐蝕能力。鋼中的鈮與氧生成穩定的氧化鈮，使鋼的表面形成氧化鈮薄膜，可阻止氧向內部擴散而起抗氧化作用。鑄鐵中加入鈮，有助于球化和珠光體組織的形成。

鈮鐵是主成分為鈮和鐵的鐵合金，是煉鋼的重要原料，鋼中添加鈮元素具有能夠細化鋼的組織，改善鋼的焊接性能，提高鋼的強度、可塑性和抗腐蝕性等優點。隨著螺紋鋼新國標的實施，煉鋼企業將加大對鈮鐵采購量，且鈮鐵為貴重金屬合金，采購價格較為昂貴，其結算依據主要參考鈮鐵中鈮、鉭含量。因此快速準確地分析鈮鐵中鈮、鉭含量，對煉鋼生產及采購部門采購具有重要的指導意義，采用傳統的分析方法[1-3]測定鈮鐵中鈮、鉭含量，操作繁雜，檢驗周期長，不能滿足現代科研生產的實際需求。目前，采用電感耦合等離子體院子發射光譜法（ICP-AES）[4-7]及離心澆鑄X射線熒光光譜法（XRF）[8，9]測定鈮鐵中成分也有報道。本文通過對鈮鐵中沉淀物中的殘余元素進行ICP-AES檢測扣除，得到準確的鈮、鉭含量，進而使煉鋼生產、采購部門采購的更具有指導意義。

1 國標方法對鈮鐵中鈮、鉭含量檢測結果影響

選取不同含量梯度的鈮鐵標準樣品，參照國標GB3654.1檢測方法試驗：試樣用氫氟酸硝酸溶解后，加硫酸蒸發冒煙，在稀鹽酸介質中，在丹寧酸的作用下使鈮、鉭完全水解沉淀。經過濾、洗滌、灼燒得到鈮、鉭的氧化物后稱重，最后計算鈮、鉭總量。檢測結果見表1。

表1 改進前檢測方式測得的鈮鐵中鈮、鉭含量單位：質量百分比/%

從表1可以看出，使用國標GB3654.1檢測，檢測結果系統比標準值偏高，主要體現在沉淀時鋁、鐵、鈦離子被沉淀后，洗滌不完全造成，如過度洗滌又會導致少量的鈮、鉭水解，因此如何快速判別出沉淀雜質含量，對鈮鐵中鈮、鉭真實含量的確定有好處。

2 分析方法改進

針對沉淀雜質會對結果的影響，為此對沉淀中的Al、Ti、Fe離子進行了成分研究。由于含量偏低，因此采用ICP-AES方法進行沉淀雜質含量檢測。

2.1 不純沉淀物質制備

稱取0.2500g試樣于“塑料王”燒杯中，加入5ml氫氟酸，滴加硝酸（約5ml）使試樣全部溶解，放置稍冷后慢慢加入5ml濃硫酸，加熱蒸發冒硫酸煙（濃白煙）2min～3min，取下稍冷，加入10ml鹽酸、20ml飽和硼酸溶液，轉入400ml玻璃燒杯中，加水稀釋至250ml左右，加熱至70℃～80℃，加入2g丹寧酸固體，煮沸5min～10min完全水解（有大量鈮酸沉淀），靜置55min～60min（不要超過70min）。以定量濾紙加少量紙漿過濾。沉淀用丹寧酸-鹽酸洗液(0.5g丹寧酸溶于100ml鹽酸（8+92）中)洗至無鐵離子為止（約7～10次），沉淀烘干灰化，在900℃的高溫爐中灼燒至垣重（約60min），冷卻，稱重。

2.2 標準溶液配制

（1）鈦標準溶液的配制：吸取鈦母液體標樣（1000ug/mL）5.0mL于250mL容量瓶中，用水稀到至250mL，搖勻。此鈦標準溶液濃度為20ug/mL。

（2）鋁標準溶液的配制：吸取鋁母液體標樣（1000ug/mL）5.0mL于250mL容量瓶中，用水稀到至250mL，搖勻。此鋁標準溶液濃度為20ug/mL。

（3）硼標準溶液的配制：吸取硼母液體標樣（1000ug/mL）5.0mL于250mL容量瓶中，用水稀到至250mL，搖勻。此硼標準溶液濃度為20ug/mL。

（4）鐵標準溶液的配制：吸取鐵母液體標樣（1000ug/mL）5.0mL于250mL容量瓶中，用水稀到至250mL，搖勻。此鐵標準溶液濃度為20ug/mL。

2.3 ICP工作曲線繪制

在4個50ml鉑 坩 堝 中，分 別 加 入5g焦 硫 酸 鉀，于600℃～650℃的馬弗爐中熔融10min至熔融物透亮，取出自然冷卻，用酒石酸水溶液(30%)70mL在玻璃燒杯中加熱浸取，取下自然冷卻后加入體積比為1：1的硫酸水溶液20mL，轉移至250mL容量瓶中，分別按表2移取標準溶液，用水稀至刻度，混勻。在ICP-AES繪制工作曲線，工作曲線見圖1的相關系數在0.995以上，說明線性滿足檢測要求。

表2 ICP-AES分析標準溶液

圖1 鈮鐵殘渣中Ti 工作曲線

2.4 沉淀物質中鈦、鋁、硼和鐵檢測

準確稱取0.2000g不純的五氧化二鈮，將其置于50mL鉑坩堝中，加入5g焦硫酸鉀于600℃～650℃的馬弗爐中熔融10min至熔融物透亮，取出自然冷卻，用酒石酸水溶液(30%)70mL在玻璃燒杯中加熱浸取，取下自然冷卻后加入體積比為1：1的硫酸水溶液20mL，轉移至250mL容量瓶中，用去離子水稀釋至刻度搖勻，用于沉淀不純五氧化二鈮中雜質檢測用。用ICP-AES檢測Ti、Al、B、Fe四個元素百分含量[3]。

2.5 鈮鐵中鈮、鉭含量計算

Nb+Ta（%）=【0.699*m1*(100—1.89Al—1.70Ti—3.22B—1.43Fe)/m0】*100

式中：

m1——灼燒后沉淀的質量，g；

m0——試樣稱樣量，g；

Al——ICP檢測出的鋁含量，%；

Ti——ICP檢測出的鈦含量，%；

B——ICP檢測出的硼含量，%；

Fe——ICP檢測出的鐵含量，%；

3 準確度試驗

仍采用不同梯度的鈮鐵標準樣品按照改進后方法，進行試驗來驗證方法的準確度。測定結果見表3。

從表3中數據可知，各樣品的偏差均在±0.50%范圍內，滿足GB3654.1誤差要求，證明改進后方法是可行的。

表3 方法的準確度試驗結果 單位：質量百分比/%

4 精密度試驗

為了驗證本方法的穩定性，隨機抽取一個鈮鐵標準物質進行連續6次平行試驗測定，結果見表4。

表4 方法精密度試驗結果 單位：質量百分比/%

從表4中數據可知， 改進后方法有較好的重復性，且每次偏差均能滿足GB3654.1誤差要求，證明方法精密度好。

5 結論

（1）化學分析方法對鈮鐵中鈮（鉭）進行重量法沉淀分析，會存在雜質（Ti、Al、B、Fe）干擾，最終導致結果偏高。同時由于操作人員水平的不一致，會導致偏高值不恒定，使得鈮（鉭）含量無法經驗系數手段進行扣除。最終會導致煉鋼生產時，無法準確的進行鈮鐵量添加，會出現廢鋼現象。

（2）本文對化學分析沉淀物中雜質元素利用ICP-AES進行含量分析，并最終扣除雜質含量，得到真實的鈮（鉭）含量。提升了鈮鐵中鈮（鉭）含量檢測準確性，大大降低傳統方法可能帶來的偏差，能更好指導生產及采購。