冶金仪器分析技术与应用

第1章 冶金分析概述1
1.1 冶金分析的任务与对象1
1.1.1 原辅材料的分析2
1.1.2 炼铁过程的分析3
1.1.2.1 烧结工序3
1.1.2.2 焦化工序4
1.1.2.3 炼铁工序4
1.1.3 炼钢过程的分析5
1.1.3.1 铁水预处理工序5
1.1.3.2 转炉炼钢工序5
1.1.3.3 电炉炼钢工序6
1.1.3.4 钢包精炼工序7
1.1.3.5 连铸和铸锭工序8
1.1.4 轧制成品的分析8
1.1.5 仲裁分析和科研项目的分析8
1.1.6 其它9
1.2 冶金分析方法的分类与主要手段9
1.2.1 冶金分析方法分类9
1.2.2 冶金分析主要手段11
1.2.2.1 化学分析方法11
1.2.2.2 仪器分析方法12
1.2.3 冶金分析的特点和展望14
第2章 光学分析导论16
2.1 电磁辐射的基本性质16
2.1.1 电磁辐射16
2.1.2 光的波粒二象性17
2.1.3 辐射能的特性17
2.2 光谱分析的分类20
2.2.1 原子光谱20
2.2.2 分子光谱20
2.2.3 吸收光谱法21
2.2.4 发射光谱法22
2.2.5 散射光谱法22
2.2.6 非光谱法22
2.3 光谱分析法术语及仪器基本组成23
2.3.1 电磁辐射及光学性能常见的术语定义23
2.3.2 光谱分析法及光谱仪器常见的术语定义24
2.3.3 光谱分析仪器基本组成26
第3章 紫外、可见分光光度法27
3.1 概述27
3.1.1 光的互补色27
3.1.2 最大吸收波长27
3.1.3 比色和分光光度法的特点28
3.1.4 分光光度法的仪器发展概述28
3.2 基本原理30
3.2.1 定性分析原理30
3.2.2 定量分析原理30
3.2.2.1 朗伯-比尔定律30
3.2.2.2 光吸收曲线31
3.2.2.3 吸光度的加和性31
3.2.2.4 朗伯-比尔定律的适用范围及偏离32
3.3 分析方法32
3.3.1 目视比色法32
3.3.2 光电比色法33
3.3.3 分光光度法33
3.3.4 显色反应及显色体系33
3.3.5 分光光度法测定条件的选择35
3.3.5.1 分光光度计条件的选择35
3.3.5.2 显色条件的选择36
3.3.5.3 参比溶液的选择37
3.3.5.4 共存离子的干扰及其消除方法38
3.3.6 紫外分光光度法的特点39
3.3.7 分光光度法常用的定量方法39
3.3.7.1 标样换算法39
3.3.7.2 标准曲线法40
3.3.7.3 最小二乘法（线性回归法）40
3.3.7.4 标准加入法41
3.3.7.5 差示法41
3.3.7.6 导数法43
3.3.7.7 双波长分光光度法43
3.4 分光光度计的组成44
3.4.1 分光光度计的基本组成44
3.4.1.1 光源44
3.4.1.2 单色器44
3.4.1.3 吸收池45
3.4.1.4 检测器46
3.4.1.5 测量结果显示46
3.4.2 分光光度计的分类46
3.4.2.1 单光束分光光度计46
3.4.2.2 准双光束分光光度计47
3.4.2.3 双光束分光光度计48
3.4.2.4 双波长分光光度计48
3.5 分光光度计的使用与维护49
3.5.1 分光光度计的使用49
3.5.2 分光光度计的检验49
3.5.3 分光光度计的波长校正49
3.5.4 分光光度计的维护与保养50
3.6 应用技术与应用实例51
实例1 正丁醇-三氯甲烷萃取光度法测定炉渣中磷含量51
实例2 镧-茜素络合腙光度法测定铁矿石中氟含量53
实例3 Zn-EDTA铬天青S光度法测定不锈钢中铝含量56
实例4 磷钼蓝光度法测定钛铁中磷含量60
实例5 过硫酸铵氧化光度法测定普通碳素钢中锰含量62
实例6 丁二酮肟光度法测定不锈钢中高镍含量64
实例7 氯磺酚S光度法测定不锈钢中铌含量66
实例8 目视比色法测定水、废水中铁离子浓度68
第4章 原子吸收光谱法70
4.1 概述70
4.1.1 原子吸收光谱法的概念70
4.1.2 原子吸收光谱法的特点70
4.1.3 原子吸收光谱法的应用与发展概述71
4.2 基本原理71
4.2.1 原子吸收光谱的产生71
4.2.2 温度对原子光谱的影响72
4.2.3 原子谱线轮廓72
4.2.4 原子吸收光谱定量分析的原理——基本关系式74
4.2.4.1 吸收曲线的面积与吸光原子数的关系74
4.2.4.2 吸收曲线的峰值与吸光原子数的关系75
4.2.4.3 峰值吸收测量的实现75
4.2.4.4 原子吸收测量的基本关系式75
4.3 原子吸收光谱仪的组成76
4.3.1 原子吸收光谱仪的基本组成76
4.3.2 原子吸收光谱仪的工作原理及工作流程76
4.3.2.1 火焰原子吸收光谱仪77
4.3.2.2 石墨炉原子吸收光谱仪77
4.3.3 原子吸收光谱仪的基本构件77
4.3.3.1 光源77
4.3.3.2 原子化器79
4.3.3.3 光学系统84
4.3.3.4 检测系统84
4.4 分析方法86
4.4.1 溶解样品的基本要求86
4.4.2 原子吸收定量分析方法86
4.4.2.1 标准曲线法86
4.4.2.2 标准加入法87
4.4.2.3 浓度直读法87
4.4.2.4 间接测定法88
4.4.3 原子吸收光谱分析干扰及消除方法88
4.4.3.1 常见干扰88
4.4.3.2 常见干扰的消除89
4.4.4 原子吸收分析最佳条件的选择90
4.4.4.1 火焰原子吸收光谱分析最佳条件的选择90
4.4.4.2 石墨炉原子吸收光谱分析最佳条件的选择91
4.4.5 原子吸收光谱分析中的几种技术92
4.4.5.1 背景校正技术92
4.4.5.2 进样技术94
4.4.5.3 原子化技术95
4.4.5.4 原子捕集技术95
4.4.5.5 增感技术95
4.4.5.6 石墨管改性技术96
4.4.5.7 化学改进技术96
4.4.5.8 联用技术96
4.5 仪器的维护和保养97
4.5.1 仪器安装要求97
4.5.2 一般的维护要求98
4.5.3 维护技术与技巧98
4.5.3.1 仪器基本性能的测试98
4.5.3.2 灯的使用与维护99
4.5.3.3 气体的使用与维护100
4.5.3.4 原子化器的使用与维护100
4.5.3.5 光电倍增管的使用与维护101
4.5.4 常见故障与排除101
4.6 应用技术与应用实例103
实例1 碳钢和低合金钢中五害元素的分析103
实例2 石墨炉原子吸收光谱法测定钢铁中的锡103
实例3 氢化物发生-原子吸收光谱法测定生铁、碳钢和低合金钢中的砷、锑、铋106
实例4 平台石墨炉原子吸收光谱法测定电解锰粉中痕量硒109
实例5 铸铁、碳钢、低合金钢、高温合金中痕量钙的分析111
实例6 火焰原子吸收法测合金钢及不锈钢中高含量镍113
实例7火焰原子吸收光谱法测定炼铁炉料用含铁尘泥中钠、钾、铅、锌的含量115
实例8 工业废水中痕量镉的测定119
第5章 原子荧光光谱法122
5.1 概述122
5.1.1 原子荧光光谱法的概念122
5.1.2 原子荧光光谱法的特点122
5.1.3 原子荧光光谱法的应用与发展概述123
5.2 基本原理123
5.2.1 原子荧光光谱的产生123
5.2.2 原子荧光的类型123
5.2.2.1 共振原子荧光123
5.2.2.2 非共振原子荧光123
5.2.2.3 敏化原子荧光124
5.2.3 原子荧光光谱定量分析的原理124
5.2.3.1 荧光强度与被测物浓度之间的关系124
5.2.3.2 荧光猝灭与荧光量子产率125
5.2.4 氢化物发生方法简介126
5.2.5 冷蒸气法126
5.3 原子荧光光谱仪的组成127
5.3.1 原子荧光光谱仪的组成原理及工作流程127
5.3.2 原子荧光光谱仪的基本构件127
5.4 分析方法128
5.4.1 溶解样品的基本要求128
5.4.2 原子荧光定量分析方法129
5.4.3 原子荧光光谱分析中的干扰及校正129
5.4.4 原子荧光分析最佳条件的选择129
5.4.5 仪器联用技术130
5.5 仪器的维护和保养130
5.5.1 仪器的安装要求130
5.5.2 一般的维护要求130
5.5.3 维护技术与技巧131
5.5.4 故障的检查与排除131
5.6 应用技术与应用实例132
实例1 氢化物发生-原子荧光光谱法测定钢铁中的砷、铋、锑132
实例2 氢化物发生-原子荧光光谱法测定钢铁及合金中硒含量135
实例3 冷原子荧光法测定工业废水中的汞138
第6章 火花源原子发射光谱法141
6.1 概述141
6.1.1 原子发射光谱的概念141
6.1.2 火花源原子发射光谱分析的特点142
6.1.3 在冶金分析中的应用概述142
6.2 原子发射光谱分析的基本原理143
6.2.1 原子发射光谱的产生143
6.2.2 谱线强度表示143
6.2.3 谱线的自吸收和自蚀144
6.3 火花源原子发射光谱仪的组成144
6.3.1 光源系统145
6.3.1.1 直流电弧光源145
6.3.1.2 交流电弧光源145
6.3.1.3 电火花光源145
6.3.2 分光系统147
6.3.2.1 聚光镜148
6.3.2.2 入射狭缝和出射狭缝148
6.3.2.3 光栅148
6.3.3 检测系统150
6.3.3.1 滤光片150
6.3.3.2 测光装置150
6.3.3.3 信号处理150
6.4 分析方法151
6.4.1 定性分析151
6.4.2 半定量分析151
6.4.3 定量分析152
6.4.3.1 谱线强度和试样浓度的关系152
6.4.3.2 内标法定量分析152
6.4.4 分析程序的建立153
6.4.4.1 样品制备153
6.4.4.2 干扰校正154
6.4.4.3 回归计算155
6.4.5 曲线标准化156
6.4.6 类型标准化157
6.5 仪器的维护和保养157
6.5.1 安装157
6.5.2 日常维护158
6.5.3 设备检修维护159
6.6 应用技术与应用实例160
实例1 火花源原子发射光谱法测定中低合金钢中的各元素含量160
实例2 火花源原子发射光谱法测定低硫铁水试样的硫含量163
实例3 火花源原子发射光谱法测定不锈钢中多元素含量164
实例4 火花源原子发射光谱法测定通用镍中的杂质元素含量167
第7章 电感耦合等离子体发射光谱法169
7.1 概述169
7.1.1 ICP-OES的概念169
7.1.2 ICP-OES的特点169
7.1.3 ICP-OES应用简介与发展概述170
7.2 基本原理170
7.2.1 电感耦合等离子体的形成170
7.2.2 电感耦合等离子体光源的性质171
7.2.2.1 ICP光源的特性171
7.2.2.2 ICP光源的分区171
7.2.3 ICP发射光谱的分析过程172
7.2.4 谱线强度与浓度的关系172
7.3 电感耦合等离子体原子发射光谱仪的组成173
7.3.1 高频发生器173
7.3.1.1 自激式RF发生器173
7.3.1.2 它激式RF发生器174
7.3.2 ICP炬管174
7.3.2.1 炬管的组成174
7.3.2.2 ICP炬管的气流174
7.3.3 进样系统175
7.3.3.1 雾化器175
7.3.3.2 雾化室176
7.3.4 分光系统177
7.3.4.1 闪耀光栅177
7.3.4.2 中阶梯光栅178
7.3.5 检测系统179
7.3.6 数据处理系统179
7.4 分析方法179
7.4.1 定性和半定量分析179
7.4.2 定量分析180
7.4.2.1 标准曲线法180
7.4.2.2 标准加入法181
7.4.2.3 内标法181
7.4.3 灵敏度、检出限及背景等效浓度182
7.4.4 ICP发射光谱分析中的干扰及校正183
7.4.4.1 物理干扰183
7.4.4.2 光谱干扰183
7.4.4.3 化学干扰185
7.4.4.4 电离干扰与基体效应干扰185
7.4.5 建立ICP-OES分析方法的一般程序186
7.5 仪器的维护和保养186
7.5.1 仪器使用环境187
7.5.2 供电线路与仪器接地线187
7.5.3 气体控制系统188
7.5.4 进样系统及炬管188
7.5.5 其它辅助设备189
7.6 应用技术与应用实例189
实例1 ICP-OES法测定碳钢和低合金钢中多元素192
实例2 ICP-OES法测定钢中痕量钙194
实例3 ICP-OES法测定70钛铁中杂质元素196
实例4 ICP-OES法测定镍铁中杂质元素198
实例5 ICP-OES法测定钼铁中硅、磷、铜的含量200
实例6 ICP-OES法测定硅铁中杂质元素202
实例7 ICP-OES法测定金属镍中杂质元素203
实例8 ICP-OES法测定氧化铁粉中杂质组分205
实例9 ICP-OES法测定铁矿石中SiO2，CaO，MgO，Al2O3，MnO，TiO2209
实例10 ICP-OES法测定炉渣中SiO2、Al2O3、CaO、MgO、TFe、MnO、P2O5、NiO211
第8章 X射线荧光光谱分析法213
8.1 概述213
8.1.1 X射线荧光光谱法的概念213
8.1.2 X射线荧光光谱法的特点213
8.1.3 X射线荧光光谱法在冶金分析中的应用和发展215
8.2 基本原理215
8.2.1 X射线215
8.2.1.1 X射线的产生216
8.2.1.2 连续光谱216
8.2.1.3 特征谱线217
8.2.2 X射线荧光218
8.2.3 特征谱线与特征X射线荧光的关系218
8.2.4 布拉格定律219
8.2.5 俄歇效应和荧光产额220
8.3 波长色散X射线荧光光谱仪的组成221
8.3.1 X射线管221
8.3.2 X射线高压发生器222
8.3.3 原级谱线滤光片223
8.3.4 准直器223
8.3.5 衰减器224
8.3.6 分光晶体224
8.3.7 探测器225
8.3.7.1 探测器的种类225
8.3.7.2 探测器的原理和构造225
8.3.7.3 脉冲高度分析器227
8.4 能量色散X射线荧光光谱仪的组成228
8.4.1 能量色散X射线荧光光谱仪结构229
8.4.1.1 激发源229
8.4.1.2 滤光片230
8.4.1.3 探测器230
8.4.2 多道脉冲幅度分析器231
8.4.2.1 谱峰位和谱强度的提取231
8.4.2.2 背景的扣除232
8.4.3 与波长色散X射线荧光光谱仪的比较232
8.4.4 能量色散X射线荧光光谱法的应用233
8.5 仪器的维护与保养233
8.5.1 X射线管的使用与维护233
8.5.2 分光晶体的维护与修复234
8.5.3 流气式正比计数器芯线的污染与清洗234
8.5.4 常见故障234
8.5.5 分析结果异常检查步骤235
8.5.6 坩埚的使用和维护236
8.6 应用技术与应用实例236
8.6.1 定性和半定量分析236
8.6.2 半定量分析的特点和流程237
8.6.2.1 半定量分析的一般状况237
8.6.2.2 半定量流程238
8.6.2.3 灵敏度库238
8.6.3 定量分析239
8.6.3.1 实验校正法239
8.6.3.2 数学校正241
8.6.3.3 标准化243
8.6.3.4 分析管理244
8.6.4 仪器分析方法的建立245
8.6.4.1 仪器参数的选择245
8.6.4.2 光学参数的选择245
8.6.4.3 探测器与测量参数的选择246
8.6.5 样品制备246
8.6.5.1 块状样品的制备247
8.6.5.2 粉末样品的制备247
8.6.6 应用实例250
实例1 不锈钢及合金钢中多元素测定251
实例2 玻璃熔片法测定炉渣中多组分254
实例3 玻璃熔片法测定耐火材料中多组分256
实例4 玻璃熔片法测定铁合金组分258
实例5 粉末压片法测定氧化镨中稀土成分261
实例6 高频感应离心浇铸制样法测定高碳铬铁中硅、磷、铬含量264
第9章 冶金材料中碳、硫、氧、氮、氢的分析268
9.1 概述268
9.1.1 碳、硫对钢的物化性能的影响268
9.1.2 氢、氮、氧对钢的物化性能的影响269
9.1.3 碳、硫、氧、氮、氢的分析方法270
9.1.4 仪器测量流程270
9.2 红外碳硫分析仪271
9.2.1 红外碳硫分析的基本原理271
9.2.2 红外碳硫分析仪的工作流程272
9.2.3 红外碳硫分析仪器的结构273
9.2.3.1 各型号红外碳硫分析仪的不同点273
9.2.3.2 红外碳硫分析仪器的主要组成273
9.3 氧氮氢分析仪278
9.3.1 氧氮联测分析仪278
9.3.1.1 氧氮联测分析仪的工作原理278
9.3.1.2 氧氮联测分析仪的工作流程278
9.3.1.3 氧氮联测分析仪的基本结构279
9.3.2 热导法氢分析仪282
9.3.2.1 热导法氢分析仪的简单工作原理282
9.3.2.2 热导法氢分析仪的工作流程283
9.3.2.3 氢分析仪的基本结构284
9.3.3 氧氮氢联测分析仪285
9.3.3.1 氧、氮、氢同时联测仪285
9.3.3.2 分体式氧、氮、氢分析仪287
9.4 仪器的维护与性能检定288
9.4.1 仪器的维护与安全使用288
9.4.2 仪器的检定289
9.5 应用技术与应用实例290
9.5.1 比较水平与最短分析时间的设定290
9.5.2 仪器中大气压力数值的输入293
9.5.3 校准曲线的建立及漂移校正293
9.5.3.1 空白校正293
9.5.3.2 校准曲线的建立293
9.5.3.3 标准气体校正295
9.5.3.4 曲线的漂移校正295
9.5.4 助熔剂的应用296
9.5.4.1 测定碳硫用助熔剂的选择及应用296
9.5.4.2 测定氧、氮、氢用助熔剂的选择及使用297
9.5.5 分析样品制备297
9.5.5.1 碳、硫分析样品的要求与制备297
9.5.5.2 氧、氮、氢分析样品的要求与制备298
9.5.6 影响碳硫分析准确度的主要因素299
9.5.7 影响氧氢氮分析准确度的主要因素301
9.5.8 应用实例302
实例1
钢中碳、硫的测定303
实例2低碳高硅型硅钢中碳硫的测定304
实例3金属中超低碳硫的测定305
实例4生铁、生铸铁中碳、硫的测定308
实例5微碳硅铁合金中碳硫的测定309
实例6钢中氧、氮含量的测定311
实例7不锈钢中氢含量的测定314
第10章 电化学分析方法317
10.1 概述317
10.1.1 电化学317
10.1.2 电化学分析法及其分类317
10.1.3 电化学分析方法的特点318
10.2 电化学分析基本概念318
10.2.1 电解质318
10.2.2 电化学电池319
10.2.2.1 原电池320
10.2.2.2 电解池320
10.2.2.3 电池的图解表达式321
10.2.3 电池电动势与相间电位321
10.2.4 电极电位与能斯特方程式321
10.2.5 电解与极化324
10.2.6 电极的分类326
10.2.6.1 指示电极和工作电极326
10.2.6.2 参比电极326
10.2.6.3 辅助电极或对电极327
10.2.7 指示电极328
10.2.7.1 金属基指示电极328
10.2.7.2 离子选择性电极328
10.3 电化学分析方法的基本原理333
10.3.1 电导分析法333
10.3.1.1 电导和电导率334
10.3.1.2 电导率的测定335
10.3.1.3 电导法和电导滴定法336
10.3.2 电位分析法336
10.3.2.1 直接电位法336
10.3.2.2 电位滴定法340
10.3.3 电解分析法343
10.3.3.1 电重量分析法343
10.3.3.2 电解分离法345
10.3.4 电解分离提取钢中非金属夹杂物、析出相345
10.3.4.1 钢中非金属夹杂物、析出相的概念345
10.3.4.2 研究钢中析出相和非金属夹杂物的方法和手段346
10.3.4.3 提取钢中析出相和非金属夹杂物的方法347
10.3.4.4 析出相的分离350
10.3.5 库仑分析法353
10.3.5.1 法拉第电解定律353
10.3.5.2 电流效率354
10.3.5.3 控制电位库仑分析法354
10.3.5.4 恒电流库仑分析355
10.3.5.5 微库仑分析法357
10.3.6 伏安法和极谱分析法358
10.4 应用技术与应用实例358
实例1 水的电导率的测定358
实例2 直接电位法测定水的pH值360
实例3 氟离子选择性电极测定水中氟离子含量364
实例4 氧化还原电位滴定法测定钒铁合金中的钒含量367
实例5 中和电位滴定法测定水的酸度370
实例6 沉淀电位滴定法测定溶液中Cl－和I－的含量371
实例7 配位电位滴定法测定石灰石、黏土质等材料中铝的含量374
实例8 电解重量法测定烧结镍中的镍含量376
实例9 电解分离-ICP-OES法测定钢中的氧化物夹杂分量和总量380
实例10 库仑滴定法测定煤、焦炭中的全硫含量386
第11章 冶金标准物质（标准样品)及应用391
11.1 概述391
11.1.1 名称及定义391
11.1.2 标准物质（标准样品）的分类与分级392
11.1.2.1 分类392
11.1.2.2 标准物质（样品）分级及标准物质（样品）编号394
11.2 冶金标准物质（标准样品）的应用397
11.2.1 标准物质（标准样品）的选择397
11.2.2 标准物质（标准样品）的应用398
11.2.2.1 校准仪器398
11.2.2.2 评价分析方法401
11.2.2.3 绘制工作曲线402
11.2.2.4 监控403
11.2.2.5 考核工作人员技术操作水平和实验室工作质量、工作水平403
11.2.2.6 技术仲裁的依据404
11.2.2.7 不同分析方法中标准物质（标准样品）的具体应用404
11.3 标准物质（标准样品）的管理与销售410
11.3.1 标准物质（样品）有关技术文件410
11.3.2 标准物质（标准样品）的研制、生产管理程序411
11.4 标准物质（标准样品）的研制414
11.4.1 标准物质（标准样品）化学成分设计或选材414
11.4.2 标准物质（标准样品)的制取、加工415
参考文献420