¹Бруцкая Е.Е., ²Еркасов Р.Ш., ¹Масакбаева С.Р.

¹Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова, г. Павлодар.

²Евразийский национальный университет им Л.Н. Гумилёва, г. Астана.

ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ЭМИССИОННОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ С ИНДУКТИВНО СВЯЗАННОЙ ПЛАЗМОЙ ДЛЯ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ БОРА В ФЕРРОСИЛИКОМАРГАНЦЕ

Известно, что основным показателем качества ферросплавов является его химический состав и, прежде всего, содержание в нем ведущего элемента (ведущий элемент – основной компонент ферросплава). В соответствии с требованиями изготовителей стали, заинтересованных в малой массе легирующей присадки, ферросплавная промышленность выпускает преимущественно сплавы с высокой концентрацией ведущего элемента. Одним из широко применяемых эффективных легирующих добавок и раскислителей сталей является ферросиликомарганец. Ферросиликомарганец придает стали ударостойкость и ломкость при изгибе. Его используют как восстановитель в производстве ферромарганца и металлического марганца. Раскислительная способность ферросиликомарганца выше, чем при использовании марганца и кремния по отдельности. При введении в жидкую сталь, эти элементы образуют с кислородом прочные малорастворимые соединения, которые коагулируют и, обладая меньшей плотностью, всплывают в шлак [1].

В металлургии в качестве микролегирующего элемента, значительно повышающего прокаливаемость сталей, предназначенной для производства труб, строительных конструкций, коррозионно – и жаростойких деталей, применяется бор. Уникальность бора состоит в том, что всего 0,002 % могут заменить 2 % никеля или 0,3 % молибдена. Но только очень малые (гомеопатические) добавки бора дают положительные результаты. Если же содержание его превышает 0,007 %, то оно приводит к ломкости и затрудняет прокатку и ковку. Так, многие заказчики ферросиликомарганца предпочитают, чтобы содержание бора не превышало – 50 ppm. И еще одна особенность действия бора, он оказывается эффективным только в сталях, содержащих не более 0,6 % углерода [2].

Постоянно возрастает спрос на повышение качества марок специальных сталей, например, на улучшение их механических свойств или увеличение срока службы в критических условиях эксплуатации. Такие стали особенно необходимы для отраслевой промышленности [3].

В этой связи при производстве ферросиликомарганца, используемого для получения стали с гарантированными свойствами, необходимо строго контролировать некоторые легирующие элементы, прежде всего бор. Определение бора химическим методом, процесс длительный и трудоемкий, на стадии разложения анализируемого материала необходимо соблюдать особые меры предосторожности с целью предотвращения его потерь в таких операциях как выпаривание, высушивание, прокаливание, а при некоторых условиях и в процессе сплавления с карбонатами щелочных металлов. Особенно большие потери бора, обусловленные летучестью борной кислоты с водяным паром, могут быть при выпаривании кислых растворов, содержащих малые количества бора. Дополнительные трудности, возникающие при разложении анализируемого материала с малым содержанием бора, могут быть связаны с возможностью загрязнения анализируемого материала бором, содержащимся в применяемой посуде. Поэтому когда надо определить малые количества бора или требуется высокая точность, все операции необходимо проводить в платиновой или кварцевой посуде, возможно применение посуды из фторопласта, полиэтилена и других подходящих пластмассовых материалов. При разложении анализируемого материала с малым содержанием бора, еще большие трудности вызывает введение бора с применяемыми реактивами, в которых содержание бора иногда бывает довольно заметным. В этой связи применяемые реактивы всегда должны проверятся на содержание бора [2].

Залогом успешного аналитического определения элементного состава ферросиликомарганца является правильная пробоподготовка (полное вскрытие пробы). Стабильность градуировочных характеристик определяет точность проведения количественного анализа. Для того чтобы увеличить краткосрочную точность, которая существенно зависит от самого исследовательского образца, используют введение в раствор анализируемой пробы внутренний стандарт, как правило, это ионы скандия (индия), очень редко встречающихся элементов в земной коре. Долгосрочная прецизионность, влияние на которую оказывает инструментальный дрейф, проверяется при помощи стандартного раствора с известными концентрациями определяемых элементов [3].

Самым простым и быстрым методом количественного определения бора в ферросиликомарганце можно было бы назвать физический метод анализа – рентгеноспектральный флуоресцентный (РСФА), но в процессе подготовки излучателей используют подложку из борной кислоты, что ведет к загрязнению анализируемого материала бором.

Исходя из того, что для определения бора в ферросиликомарганце стандартные методики отсутствуют, нами апробирована методика количественного определения бора методом оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ОЭС – ИСП). Это современный метод, применяемый в металлургии, он надежный и эффективный. Трудность, связанная с анализом металлов этим методом, состоит в большом числе ожидаемых спектральных помех, так как многие металлы обладают сложными спектрами эмиссии. В анализе металлов и родственных материалов ИСП – ОЭС часто требуется использование спектрометров с высоким разрешением и методов коррекции спектральных помех [4, 5].

Экспериментальная часть

Для определения примесей в ферросиликомарганце методом ОЭС – ИСП выбрана проба ферросиликомарганца марки FeMnSi18LP. Проба подготовлена в виде порошка с размером частиц, проходящих через сито с сеткой № 008.

Навеску ферросиликомарганца массой 0,2 г помещают в платиновую чашку, приливают 10 мл азотной кислоты, 10 мл плавиковой кислоты и 10 мл серной кислоты разбавленной 1:1. Нагрев чашки проводят до паров серной кислоты, далее охлаждают ее и переводят в полипропиленовую мерную колбу на 100 мл.

Отдельная работа по определению массовой доли бора в ферросиликомарганце проводилась методом добавок. Для работы выбран стандартный образец ГСЗУ 3-182-2010, ориентировочное содержание в нем бора ~ 0,009%. Для анализа были выбраны пробы ферросиликомарганца 12-1012, 13-1072 и 14-960, в которые вводилась 0,005 % добавка калибровочного стандарта Perkin Elmer Quality Control Standard 7А с концентрацией 100 мг/л.

Градуировка прибора проводилась с использованием стандарта Perkin Elmer Quality Control Standard 7А с концентрацией 100 мг/л (точки 0,05 мг/л и 5 мг/л).

Навеску ферросиликомарганца массой 0,1 (0,2) г отбирают в стеклоуглеродный тигель, к ней присыпают 2 г КОН и сплавляют в муфельной печи при температуре 650 °С, плав охлаждают, выщелачивают в 20 мл соляной кислоты в кварцевый стакан, тигель ополаскивают бидистиллированной водой, добавляют 2-3 капли пероксида водорода и кипятят в течении 5-10 мин. После охлаждения раствор переводят в полипропиленовую колбу на 100 мл и доводят до метки бидистиллированной водой.

Исследуемый образец впрыскивался в горячую плазму в виде раствора, переносимого потоком аргона при помощи перистальтического насоса.

Первоначально полученные результаты указали на необходимость разбавления растворов, вследствие их засоленности. Для учета полученного результата нами в дальнейшем были разложены пробы с навеской 0,25 г для проб и ГСЗУ – 0,1 г, количество плавня без изменений, разведение раствора до объема 200 мл. Введенная добавка составляла 0,004 % бора. Измерения проводились на четырех длинах волн при аксиальном обзоре.

Установлено, что при длинах волн 208,889 нм и 182,528 нм нет четко выраженных пиков, на спектрах наблюдаются эмиссии различных элементов с большей интенсивностью эмиссии, чем у бора, которые сложно откорректировать. На длине волны 249,772 нм наблюдается наложение эмиссий железа, алюминия и хрома.

Следовательно, можно сделать вывод, что для анализа бора более целесообразно использование одной длины волны: 249,677 нм, на которой, существенных помех других элементов не наблюдается, а измерения хрома, алюминия, меди, кобальта, никеля, титана, проводить по ранее принятой схеме.

Литература:

1. Кудрин В.А. Теория и технология производства стали. М.: Мир: АСТ, 2003.-525 с.

2. Самсонов Г.В., Марковский Л.Я., Жигач А.Ф., Валяшко М.Г. Бор, его соединения и сплавы /Под редакцией Г.В. Самсонова. – Киев: Издательство АН Украинской ССР, 1960. – 591 с.

3. Jean-Marc Böhlen, Ravі Yeilepeddi, Ihermo Fisher Scientific. Применение оптической эмиссионной спектрометрии для комбинированного количественного анализа и сверхскоростного анализа неметаллических включений в металлургии. // Литье и металлургия. – Минск: Белорусский национальный технический университет. – 2012 №01 (64). – 129 с.

4. Босс Ч.Б., Фридин К.Дж. Понятия, средства приборного обеспечения и методы в оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой 2-е изд. – PerkinElmer, 1997. – 116 с.

5. Колмыков Р.П., Созинов С.А. Оптико – эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой в археологии для анализа древних металлических изделий на основе меди // Успехи современного естествознания. – 2016. – № 11-2. – С. 226-231