辉光放电质谱(GDMS)测定镍基高温合金中痕量镉时,会受到¹¹⁴Sn⁺及MoO⁺多原子离子的质谱干扰。本文选择¹¹⁴Cd为分析同位素和高分辨模式,采用标准相对灵敏度因子(RSF_Std)先进行校正后再采用干扰校正方程校正¹¹⁴Sn⁺及MoO⁺多原子离子的质谱干扰,实现了辉光放电质谱对镍基高温合金中痕量镉的测定。对仪器参数进行了优化,确定参数如下:放电电流为48 mA,放电气体流速为450 mL/min,预溅射时间为20 min。采用镉认证值小于0.1 μg/g、钼质量分数为3%的镍基变形高温合金标准样品作为空白样品,连续测定11次,以3倍空白标准偏差和10倍空白标准偏差分别计算得到检出限和定量限为0.081 μg/g和0.27 μg/g。采用实验方法测定镍基变形高温合金标准样品中镉含量,测定结果与认定值/标准值吻合性较好,相对标准偏差(RSD,n=6)小于12%。采用实验方法和电感耦合等离子体串联质谱法(ICP-MS/MS)分别对3种镍基高温合金样品中的镉含量进行测定,结果表明,两种方法测定结果基本一致。

IN718合金中添加了较高含量的铌元素,导致了大量含铌相的析出,这些含铌相的形貌、面积分数、数量、形状是影响IN718合金性能的主要因素之一,因此含铌相的定量表征对于研究合金的构效关系具有重要意义。本文基于高通量场发射扫描电镜综合成像通量高、自动扫描速度快、数据处理能力强等特点,采用该设备对IN718合金大视场范围内含铌相的图像进行了高效采集,并通过MIPAR图像处理软件建立了含铌相的图像分割、识别和统计分析模块,实现了合金大尺寸范围内含铌相特征的高效提取和定量统计分布表征。每块样品采集的背散射电子(BSE)图像数量为1 225张,使用建立的含铌相图像分析模块对这些图像进行快速批处理,获得了IN718合金锻棒材横截面不同区域内含铌相的形貌和面积分数等信息。发现心部含铌相大部分呈针状和长条状,且面积分数相对较高,而锻件边缘含有较多的短棒状和圆粒状析出相,这些数据将为锻造工艺的改进和性能提升提供指导。

镍基合金中Se、Ce、Zr、Ta和Te含量对于材料的加工性、热塑性、疲劳性以及蠕变性均有影响,因此其测定具有重要意义。本文以盐酸、过氧化氢、氢氟酸溶解样品,选择⁷⁸Se、¹⁴⁰Ce、⁹⁰Zr、¹⁸¹Ta、¹²⁵Te为测定同位素,采用标准加入法绘制校准曲线以克服基体效应,用¹⁰³Rh校正⁷⁸Se和⁹⁰Zr,¹¹⁵In校正¹⁴⁰Ce、¹⁸¹Ta和¹²⁵Te,实现了电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)对镍基合金N06625中痕量Se、Ce、Zr、Ta和Te(质量分数小于0.005%)的同时测定。结果表明,各元素校准曲线的线性相关系数均大于0.999 0,方法的检出限和定量限分别为0.004 5～0.38 μg/g和0.015～1.28 μg/g。采用所建立的方法测定镍基合金N06625样品,5种元素测得结果的相对标准偏差(RSD,n=11)在0.87%～9.9%之间,加标回收率在92%～107%之间。将实验方法应用于镍基合金N06625样品中痕量Se、Ce、Zr、Ta和Te的测定,结果分别与氢化物发生-原子荧光光谱法(HG-AFS)测定Se和Te,电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定Ce和Zr的结果基本吻合。

近些年,现代光谱分析技术与时代发展特征(如人工智能、大数据、云计算和物联网等)的结合越来越紧密,已被广泛地用于农业、食品、制药、石化、冶金和地质等领域,在一些领域取得了规模化的应用成效,为科技和经济的发展做出了贡献。本文主要介绍结合化学计量学的现代光谱分析技术的构成和特点,总结用于光谱定量和定性分析的化学计量学方法与进展。基于典型实例,分不同的应用场景介绍了现代光谱分析技术在不同领域的应用现状,如原油快评、种粒筛选、口岸铁矿石分类等实验室高通量分析场景;土壤检测、矿产勘探、水果采摘判断、司法鉴定等现场快速分析场景;汽油调和、冶炼过程物料分析、煤质在线分析、废塑料分类等工业在线分析场景。未来,以光谱仪微型化、光谱新理论的深入研究、深度学习算法与光谱技术的深入结合为基础,精细农业、智能工厂、精准医疗和智慧环保等领域的快速发展为现代光谱分析技术提供了强大的牵引力量,将会带来更多的创新和先进的应用。

铂和钯是价格较高的贵金属元素,粗硒中铂和钯含量是贸易结算的重要指标,准确测定粗硒中铂和钯含量意义重大。选择王水溶解样品,采用高氯酸冒烟挥硒消除硒基体干扰,在10%王水中,以Pt 265.945 nm、Pd 360.955 nm为铂和钯的分析谱线,建立了高氯酸挥硒-电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定粗硒中铂和钯的方法。试验表明,1.0 g样品需要加入15 mL王水可溶解完全,加入10 mL高氯酸高温挥发可将大部分硒基体除去,少量残余的硒基体和其他少量共存元素不干扰测定;全过程采用称重法以减少体积计算法带来的人为误差和量具误差。铂、钯的含量在0.02～15.0 μg/g范围内与其对应的发射光谱强度呈线性关系,校准曲线的线性相关系数分别为0.999 93和0.999 98;铂和钯的检出限分别为0.000 094%和0.000 11%,定量限分别为0.000 31%和0.000 33%。采用实验方法对粗硒中铂、钯进行测定,结果的相对标准偏差(RSD, n=7)小于5%;测定结果与氧化焙烧-铅试金-电感耦合等离子体原子发射光谱法测定结果一致,精密度与正确度优于常规体积计算法。粗硒样品中铂、钯的回收率分别为98%～105%和99%～104%。

杂质氧和氮的存在会严重影响高纯铜的性能。本文采用车床精加工后酸腐蚀法对样品表面进行处理,在不使用助熔剂的条件下,选择分析功率4.5 kW,建立了惰气熔融-红外吸收/热导法测定高纯铜中痕量氧和氮的方法。考察了酸腐蚀法、车床精加工法、车床精加工后酸腐蚀法这3种表面处理方法对氧和氮测定的影响。结果表明,这3种表面处理方法对氮测定的影响可忽略;而对于氧的测定,采用车床精加工后酸腐蚀法的测定结果相比前两种方法显著偏低,说明单独用车床精加工后酸腐蚀法可有效去除样品表面的氧。选用氧和氮含量尽可能低的铜标准样品对氧和氮的测定进行仪器校准,方法中氧和氮的定量限分别为0.17、0.31 μg/g。按照实验方法对高纯铜样品中氧和氮平行测定7次,结果表明,氧测定值的标准偏差(SD,n=7)为0.13~0.19 μg/g,氮测定值的标准偏差(SD,n=7)为0.062~0.070 μg/g。采用辉光放电质谱法(GD-MS)对其中氧含量进行测定并进行方法比对,两种方法测定氧的结果基本一致。选择高纯铜样品,按照实验方法进行测定,并分别加入铜标准样品进行加标回收试验,结果表明,氧和氮的加标回收率为80%~120%。

基于X射线显微镜开发了钢中夹杂物的三维形貌和三维结构特征参数的分析表征方法。以3种不同类型的钢为研究对象,详细分析了包括体积分数、等效直径、形状因子、粒径体积分布、球度、取向等夹杂物三维结构特征参数和三维空间分布。结果表明,X射线显微镜可准确表征钢中尺寸为1~500 μm的夹杂物,并根据图像特征衬度区分高密度相、非金属夹杂物和显微疏松。在不锈钢的变形量达到50%时,塑性夹杂物的三维形貌由球形向扁平状演变,形状因子由0.67减小到0.57,空间取向角由63.48°增加到77.40°。Te改性处理的钢中,Te元素包裹在MnS外部形成复合型夹杂,提高钢的抗腐蚀能力。在含硫钢中依据MnS夹杂物的三维结构特征参数划分出三维晶界,解释了晶界夹杂物的析出过程与凝固选分结晶的关系。据此建立了在实验室中替代同步辐射设备的钢中夹杂物三维表征的新方法,籍以促进钢中夹杂物形态与改性演化特征等研究,为夹杂物的控制提供更加准确可靠的分析检测手段。

硒(Se)是一种两性非金属元素,作为人体所必需的微量元素之一,摄入不足或过量均会危害人体健康。土壤作为人类赖以生存的物质基础,是人们从外界获取Se的最根本来源,因此建立高灵敏度、高准确性的土壤和水系沉积物中Se检测方法具有十分重要的现实意义。氢化物发生-原子荧光光谱法(HG-AFS)具有分析操作简便、灵敏度高、分析速度快、运行成本低等特点,被广泛用于Se元素的测定。但在测试过程中,前处理方式、光源以及共存元素都可能对Se产生干扰,影响测试结果。本文重点阐述了原子荧光光谱测定土壤和水系沉积物中Se元素的干扰来源及产生原因,对Se元素干扰消除的相关研究和应用进展进行了总结探讨,并展望了氢化物发生-原子荧光光谱法测定土壤和水系沉积物中Se未来发展的方向。

Q690D钢因其较高的强度和韧性具有优异的性能,而钢中的夹杂物是影响强度和韧性的重要因素,对夹杂物的改质调控是提升产品性能的重要措施。为了探究镁对Q690D工程机械用钢中夹杂物的改质作用,采用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、夹杂物三维蚀刻仪和FactSage热力学软件对比分析了镁处理和钙处理后钢中夹杂物的分布规律及尺寸。结果表明,Q690D钢经钙处理后夹杂物主要以CaO-Al₂O₃形式存在,一部分被CaS包裹;镁处理后钢中夹杂物主要为MgO·Al₂O₃或MgO,一部分被MgS包裹。Mg可使Al₂O₃更加细小弥散,分布更加均匀,夹杂物平均等效直径减小,并且镁处理轧材中夹杂物数密度和面积占比分别为65 mm²和0.031%,低于钙处理的96 mm²和0.050%。镁处理具有更好的净化钢液和改善夹杂物尺寸和分布的作用。

准确测定低品位萤石尾矿中氟化钙的含量对其综合回收利用工艺的评价和改进意义重大。本实验首先采用波长色散型X射线荧光光谱仪(WDXRF)、X射线衍射仪(XRD)对低品位萤石尾矿样品进行半定量成分分析,确定其中氟元素主要以氟化钙形式存在,且主要含有硅、铝、铁、钙、镁、钾、钠、硫、锰等元素。再以4.0 g氢氧化钾-0.35 g硝酸钾为熔剂,于650 ℃熔融8 min,以热水浸取熔融物,用IC-Na预处理柱分离铝、铁、钙、镁、锰等碱土和过渡金属阳离子,建立了碱熔-离子色谱法测定低品位萤石尾矿中氟化钙的方法。试验表明,经IC-Na预处理柱分离后,试液中铝、铁、钙、镁、锰等阳离子的质量浓度均低于0.1 μg/mL,因此这些元素对测定的干扰可忽略。实验表明,以氟离子质量浓度为横坐标,峰面积响应值为纵坐标绘制校准曲线,在氟离子质量浓度为1～30 μg/mL范围内,校准曲线的线性相关系数为0.999 6。按照实验方法对2个萤石尾矿样品和1个萤石矿标准样品进行测定,并分别加入不同量的高品位萤石矿标准样品进行加标回收试验,加标回收率在96%～104%之间。将实验方法应用于测定低品位萤石尾矿样品和萤石矿标准样品中氟化钙,结果的相对标准偏差(RSD,n=7)为0.54%～1.5%,测定值与离子选择性电极法测定值或标准值相吻合。实验方法可用于测定低品位萤石尾矿中质量分数为5%～60%的氟化钙。

采用行业标准YS/T 509—2008《锂辉石、锂云母精矿化学分析方法》中第3、4、5、6、7、8、10部分系列方法测定锂辉石中钙、镁、铁、硅、铝、锰、铍、磷,结果准确,但所用试剂种类较多,且过程繁琐。实验采用氢氧化钠于630 ℃熔融15 min对锂辉石进行碱熔处理,再用盐酸(1+3)酸化浸出,分别在各元素最佳分析谱线处,使用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定锂辉石中钙、镁、铁、硅、铝、锰、铍、磷。采用基体匹配法绘制校准曲线消除了基体效应的影响。各元素校准曲线的线性相关系数均在0.999 7以上;各元素的定量限为0.061 5～123.9 μg/g。按照实验方法测定两个锂辉石样品中钙、镁、铁、硅、铝、锰、铍、磷,测定结果的相对标准偏差(RSD,n=7或n=8)均小于2.5%。按照实验方法对锂辉石标准物质中钙、镁、铁、硅、铝、锰、铍、磷进行测定,测定结果的相对误差(RE)为-5.00%～7.31%。

湿法炼锌的原料采购市场上出现了一种特殊的硫酸锌溶液,该硫酸锌溶液中含有较高的锰和铝。而硫酸锌溶液中高含量的锰和铝会对锌含量的测定造成干扰,严重影响其测定结果。本方法对含有高含量锰、铝的硫酸锌溶液进行处理,使溶液中的锰沉淀分离,分离后的溶液加入过量的EDTA,在乙酸-乙酸钠缓冲溶液中络合锌、铝,用锌标准溶液滴定过量的EDTA得到与锌、铝络合的EDTA的总量;使用氟化铵分解Al所结合的EDTA(Al-EDTA),再用锌标准溶液滴定释放出的EDTA;通过EDTA的总量减去释放出的Al-EDTA的量,即可间接测出硫酸锌溶液中锌的含量。按照实验方法测定3个含高锰、高铝的硫酸锌溶液中锌,结果的相对标准偏差(RSD,n=11)为0.27%～0.29%,小于一般滴定操作要求的0.30%;回收率为95%～101%。

锂矿中氧化锂含量为影响锂矿价格的关键因素。在对锂矿中氧化锂进行测定时,通常采用常压分解法,存在操作繁琐、消耗酸量较大的问题。实验采用超级微波消解法及1.5 mL硫酸-2.0 mL氢氟酸体系于280 ℃处理样品,消解后继续加热至硫酸冒烟以去除硅及多余的氢氟酸,然后以1.0 mL硫酸、25 mL水加热重新溶解盐类,选择分析线Li 610.365 nm,发射功率0.95 kW,采用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)对试液中锂进行测定,建立了超级微波消解-电感耦合等离子体原子发射光谱法测定锂矿中氧化锂的方法。锂质量浓度在0.50~50.0 mg/L范围内与其对应的发射强度呈良好的线性关系,相关系数r为0.999 7;方法中氧化锂的检出限为1.5 mg/kg。按照实验方法测定3个锂矿试样中氧化锂,结果的相对标准偏差(RSD,n=8)为0.92%～2.0%;方法用于测定2个锂矿石标准物质,测定结果与认定值一致。选择两家分析实验室,分别按照实验方法测定锂矿样品中氧化锂,结果相一致。与现行标准方法GB/T 509.1—2008及GB/T 17413.1—2010相比消解时可节省80%氢氟酸用量,适用于进出口锂矿的快速检验通关。

准确测定碳酸镧铈中铁元素的含量对其产品的质量控制及后续应用具有重要的意义。碳酸镧铈中铁元素的含量常采用分光光度法进行测定,但测定较低含量铁(0.3%以下)时存在变色不明显的问题,且显色过程极易受到其他杂质离子的影响。使用盐酸溶解样品,并控制溶液中盐酸酸度为2%。选择铁的分析谱线为Fe 259.939 nm,通过标准加入法绘制校准曲线消除碳酸镧铈基体等因素对于测定结果的影响,使用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定碳酸镧铈中铁。校准曲线线性相关系数为0.999 9;方法检出限为0.001%。按照实验方法测定碳酸镧铈中铁,结果的相对标准偏差(RSD, n=11)为1.3%～3.3%,加标回收率为98%～103%。

固体废物资源再生对于实现“双碳”目标和“无废城市”建设至关重要,是全面推进美丽中国建设的关键一环。氧化锌富集物是含锌废物经火法冶炼挥发富集得到主要含氧化锌的物质,杂质有铁、铝和钙等金属元素及氟、氯、硅和硫等非金属元素,呈灰色、黑色等粉末状,是典型的固体废物资源再生产物。原料组分和工艺水平的差异,导致火法富集得到的氧化锌富集物品质参差不齐。本文聚焦典型再生氧化锌富集物,重点关注火法富集的原料组分、工艺和主要技术参数,系统地解析再生氧化锌富集物产生过程和主要理化特征。鉴于氧化锌富集物的组成对其后续处理和加工利用至关重要,也一并关注典型氧化锌富集物中氧化锌物相含量,及其他物相组成和含量。准确地分析和鉴别氧化锌富集物,是口岸对进口再生资源监管的关键,也是实现资源化利用的前提。

聚焦离子束技术作为一种先进的微纳加工手段,在钢铁行业有着广泛的应用前景。文中主要以82A帘线钢铸坯和55SiCr弹簧钢铸坯为研究对象,利用聚焦离子束对其中的复合夹杂物进行系列切片及三维重构,发现在三维重构过程中存在如方法校正、物相衬度差异等对结果产生不良影响的因素。研究表明,通过引入偏移量计算公式,解决了重构形态失真、尺寸测定偏差大的难题;以及在系列切片过程中引入能谱面分析手段,实现了物相衬度差异不明显的物相重构可能性,有效地解决了目前三维重构过程中遇到的难题,使重构结果能更好地支撑项目研发。

锡石和铅锌硫化物共/伴生萤石中CaF₂含量为1%~50%(质量分数,下同),而现行的行业标准方法适用于CaF₂含量大于3%的萤石样品。行业标准方法中存在0.30%的经验校正系数,因此含量在10%以下的CaF₂测定结果准确性不高。实验使用乙酸(1+9)分离除去CaCO₃、CaSO₄等易溶于乙酸的含钙杂质,离子选择电极法测定微溶于滤液中的F^-;残渣采用AlCl₃浸取,选择In作为内标元素,使用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定浸取液中的Ca;将两种方法的结果换算成CaF₂后相加即为萤石中CaF₂含量,从而建立了离子选择电极法与ICP-AES联用测定锡石和铅锌硫化物共/伴生萤石中氟化钙的方法。实验考察了AlCl₃溶液质量浓度、AlCl₃溶液浸取时间、Ca及其内标元素的谱线等对Ca测定的影响。方法中CaF₂的检出限为0.010%,定量限为0.040%。按照实验方法测定锡石实际样品、铅锌硫化物实际样品和萤石标准物质中CaF₂,测定结果的相对标准偏差(RSD,n=6)为0.22%~0.90%,相对误差(RE)为0.08%~0.63%。方法解决了CaF₂测定过程中经验校正系数的问题;ICP-AES 中采用内标法消除了由于环境温度波动和电子元件性能变化等导致仪器漂移而对分析结果产生的影响;方法的测定范围得到有效改善,可用于测定锡石和铅锌硫化物共/伴生萤石中CaF₂。

随着镁及镁合金应用领域的深入,对其中有害元素砷的检测需求越来越多。本文先分次加入硝酸低温加热溶解样品,后用盐酸调节酸度,加入10 mL硫脲-抗坏血酸溶液使As(Ⅴ)还原为As(Ⅲ),建立了氢化物发生-原子荧光光谱法(HG-AFS)对镁及镁合金中微量砷的测定方法。考虑镁及镁合金具有多种产品组别,如镁铝系、镁锌系、镁锰系、镁锂系、镁稀土系,试验考察了不同量镁基体及这些该镁合金组别内铝、锌、锰、铜、镍、锂、镧、铈、镨、钕、钆、钇、铒、镝等元素在最大量存在时对砷测定的影响。结果表明,镁基体与镁合金中主要合金元素对砷测定产生的干扰均可忽略。实验表明,在砷质量浓度为1.00～10.00 μg/L范围内,砷质量浓度与其对应的荧光强度呈线性关系,校准曲线的相关系数为0.999 7。方法检出限为0.001 4 μg/g,定量限为0.004 2 μg/g。按照实验方法测定3个镁合金样品,并分别加入砷标准溶液进行加标回收试验。测定结果的相对标准偏差(RSD,n=6)在2.4%～5.3%之间,加标回收率在98%～106%之间。方法比对试验表明,实验方法测定结果与电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)相符。

铜精矿中铁含量的准确测定会影响铜精矿的定价、交易及其熔炼过程渣型的调控、冶炼炉的热效应等。本文提出用盐酸、硝酸、溴、硫酸分解样品,将样品中基体铜转化为铜(Ⅱ)用作铁(Ⅲ)的还原终点指示剂和铁(Ⅲ)还原的催化剂,在硫酸介质中利用硼氢化钾还原铁(Ⅲ)为铁(Ⅱ),然后以二苯胺磺酸钠作指示剂,建立了重铬酸钾滴定法测定铜精矿中铁含量的方法。实验表明,称取0.20 g样品,采用0.1 g氟化氢铵、10 mL盐酸、5 mL硝酸、0.5 mL溴、10 mL硫酸(1+1)溶解试样,冒硫酸烟后剩余体积为1 mL时,可以保证硼氢化钾还原过程的酸度;待测液中铜(Ⅱ)对硼氢化钾还原铁(Ⅲ)的反应有催化作用,且不干扰铁的测定;硼氢化钾质量浓度为20 g/L时,可有效将铁(Ⅲ)还原为铁(Ⅱ)且不影响铁的测定;硫磷混酸用量为15 mL时滴定终点敏锐。干扰试验表明,样品中共存元素对测定的干扰可忽略。选取不同含量的铜精矿标准物质和样品,按照实验方法测定其中铁的含量,测定结果的相对标准偏差(RSD,n=7)在0.20%~0.55%之间。采用国标方法GB/T 3884.15—2014进行方法比对试验,对两种方法的测定结果进行t检测,结果表明两种方法不存在显著性差异。本方法可用于冶炼企业大批量快速分析检测铜精矿中铁量。

测量不确定度可直观地体现测定过程的质量控制水平,随着国内GB/T 22553等标准的发布实施,Top-down法越来越受到重视。分别基于Top-down法和GUM法对IN718镍基高温合金中铌含量测定的不确定度进行评定和比较,发现以Top-down法中再现性标准差s_R评定的不确定度明显高于GUM法评定的结果。对近年金属材料不确定度评定相关文献进行分析,使用简化Top-down法,利用中间精密度评定的不确定度与GUM法评定的不确定度的比值U(R_w)/U(w)经稳健统计方法处理,稳健平均值为1.20,稳健标准偏差为0.48,说明两种方法的评定结果一致性良好。与GUM法相比,简化Top-down法无需识别称量、标准物质、重复性等分量,无需进行繁琐的计算与合成,评定过程简单、易操作,该方法的使用能够帮助实验室方便快捷的评定不确定度,促进实验室质量控制水平的提升。

锰元素可提高硼铁韧性,对锰的准确测定有助于生产更高质量的硼铁基合金材料。采用王水低温溶解后冒高氯酸烟消解样品,在硫磷酸介质中高碘酸钠将锰氧化至七价,于530 nm处采用分光光度法进行测定,建立了一种高碘酸钠氧化分光光度法测定硼铁中锰的方法。分别采用在硫磷酸存在下冒高氯酸烟、冒高氯酸烟后补加硫磷酸、酸溶回渣3种方式处理样品进行试验,结果表明,采用这3种方式溶样,硼铁样品中锰测定结果基本一致,硼铁标准物质/样品中锰测定结果与认定值/标准值相符,其中,冒高氯酸烟后补加硫磷酸法操作最为简单。方法的测定范围为0.050%~1.00%(质量分数,下同),校准曲线的线性相关系数为0.999 99,表观摩尔吸光系数为2.3×10³ L·mol^-1·cm^-1;方法中锰的检出限和定量限分别为0.004%和0.012%。方法用于测定硼铁标准物质和硼铁样品中锰的含量,测得结果的相对标准偏差(n=11)为0.25%～0.46%。按照实验方法测定3个硼铁标准物质/样品和2个硼铁样品中锰含量,标准物质/样品的测定值与认定值/标准值相符,实际样品测定值与酸溶回渣-电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定结果相吻合。

基于算法、成分的废旧金属智能分拣技术逐渐崭露头角,包括机器视觉、X射线荧光光谱(XRF)、X射线衍射形貌术(XRT)、激光诱导击穿光谱(LIBS)技术等,本文综述了这些技术在废旧金属分类方面的最新进展。机器视觉已实现产业化应用示范,其自动化程度高,不过对环境敏感的问题需要进一步解决;X射线荧光光谱/X射线衍射形貌术技术的元素识别能力强但适用的金属种类有限;目前市场上针对金属、塑料及矿石的商业化仪器已相当成熟,LIBS技术的元素检测范围广,理论上可以覆盖全元素周期表,但检测效率较低,且技术本身仍在研究发展中。各技术均有优缺点,需融合创新以优化分类效果。未来应多技术联用提升分类能力,定制化满足市场需求,自主研发增强核心竞争力,全流程自动化提高效率,结合人工智能(AI)、区块链、云计算等技术,推动废旧金属智能分类产业迈向新台阶。

碳化硅脱氧剂是一种高性能复合脱氧剂,测定其中钛含量,可以对冶炼过程中元素的引入和损失进行追踪,从而更加有效地改善钢材性能。碳化硅脱氧剂成分复杂,本方法采用高温熔融法处理样品,选择碳酸钠与过氧化钠作为混合熔剂,将盛有试样和混合熔剂的镍坩埚放入400 ℃高温炉中,逐渐升温至900 ℃,保温30 min,熔融试样;试样完全熔解后,用热水浸出,盐酸酸化,定容后干过滤;选择Ti 334.941 nm作为钛的分析线,基体匹配法绘制校准曲线,使用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)对滤液中的钛元素进行测定,建立了碳化硅脱氧剂中钛的测定方法。钛元素校准曲线线性相关系数在0.999 9以上;钛的检出限为0.000 5%(质量分数)。按照实验方法测定碳化硅脱氧剂样品中钛,结果的相对标准偏差(RSD,n=7)为2.0%;加标回收率为98%～102%。分别采用本方法与国家标准GB/T 16555—2017中的分光光度法对7个碳化硅脱氧剂样品中钛进行测定,结果相吻合。

准确高效地测定底泥中挥发酚含量,对保护生态环境具有重要的指导意义。控制液固比为15∶1,用10 g/L氢氧化钠溶液以180 r/min振荡15 min对样品中的挥发酚进行浸提,同时加入3.0 g硫酸铜去除样品中硫化物的干扰,实现了流动注射分析法对底泥中挥发酚的测定。结果表明,挥发酚质量浓度在0.02～1.0 mg/L范围内与其对应的峰面积呈线性关系,线性相关系数为0.999 9。方法的检出限为0.08 mg/kg,测定下限为0.32 mg/kg。应用实验方法对3个不同挥发酚含量的底泥样品进行测定,结果的相对标准偏差(RSD,n=6)为0.83%～1.4%。选取两种不同类型的底泥样品,分别进行3个含量水平的加标回收试验,加标回收率在 93%～104%之间。分别采用实验方法和标准方法HJ 998—2018中4-氨基安替比林分光光度法对6个底泥样品中挥发酚进行测定,两种方法的分析结果基本一致。

碱值测试可用于评估发动机油中碱性添加剂含量,是发动机油性能评价的重要指标之一。本文将20种发动机油的解离常数带入汉德森-海森巴赫方程,结合能斯特方程计算得到不同发动机油的理论终点pH值,通过统计学中稳健统计算法A进行统计分析,确定适用于所有发动机油的终点pH值为－4.5;再以冰乙酸和氯苯混合溶液为溶剂,使用高氯酸冰乙酸进行滴定,建立了pH电位滴定法测定发动机油碱值的测定方法。方法检出限为0.004 1 mg KOH/g。将碱值发动机油标准物质用不含碱性物质的基础油进行稀释,混合均匀后配制成碱值依次为2、5、20 mg KOH/g的空白加标样品,采用实验方法进行测定,测定结果的相对标准偏差(RSD,n=6)为0.60%~1.2%,空白加标回收率为99%～102%。采用实验方法对不同发动机油样品进行测定,并采用行业标准SH/T 0251—1993《石油产品碱值测定法(高氯酸电位滴定法)》进行方法比对,结果表明,两种方法测定值的差值均在行业标准SH/T 0251—1993要求的重复性限要求范围内。选择4个不同碱值水平的发动机油标准物质,按照选定的实验方法进行测定,测试结果在标准值偏差范围内,相对标准偏差(n=6)为0.37%~0.81%。按照实验方法对5种发动机油样品进行测定,测定结果的相对标准偏差(n=10)均小于1%。

准确测定碳化铬中硅含量对其产品质量的控制具有重要意义。实验采用过氧化钠熔融样品,热水浸取后酸化,盐酸挥铬,在一定酸度条件下,硅先与钼酸铵生成硅钼黄,加入草酸-硫酸混合酸消除磷和铁的干扰,最后加入抗坏血酸将硅钼黄还原成硅钼蓝,然后使用分光光度法于波长810 nm处进行测定,建立了碱熔-硅钼蓝分光光度法测定碳化铬中硅的方法。结果表明,当硅质量浓度在0.05～1.20 μg/mL范围内与其相应的吸光度呈良好的线性关系,相关系数为0.999 9;表观摩尔吸光系数为22.41×10³ L·mol^-1·cm^-1。方法检出限为0.001 7%(质量分数,下同),方法定量限为0.005 2%。共存离子干扰试验表明,试液中残余的铬以及样品中的磷和铁不干扰硅的测定。按照实验方法测定3个碳化铬样品中硅,结果的相对标准偏差(RSD,n=9)为0.51%～5.8%。对2个碳化铬样品进行加标回收试验,回收率为97%～102%。

本文主要研究热处理温度、热处理时间对结晶氯化铝分解产物物相变化特征的影响。采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)及金相显微镜分别对结晶氯化铝的成分和微观形貌进行分析探讨,结果表明,结晶氯化铝纯度较高,含有微量的钠和钙等杂质元素,属于斜方晶系结晶。而氧化铝呈不规则椭圆形,粒径在100～210 μm之间。采用热重分析仪和X射线衍射仪(XRD)对分解产物的物相变化特征进行了考察。结果表明:结晶氯化铝在80～100 ℃热处理失去少量自由水,120 min分解率为6.95%,物相仍为结晶氯化铝。150 ℃热处理120 min分解率为35.84%;200 ℃ 热处理120 min分解率为87.31%;600～1 200 ℃分解速度极快,5 min时全部完成分解。结晶氯化铝的分解率与热处理温度和时间成正比关系,热处理温度是主要因素。热处理温度为200～700 ℃时,分解产物物相是ρ-型或者是无定形型氧化铝;800～1 000 ℃分解产物物相以γ-型氧化铝、δ-型氧化铝、η-型氧化铝为主,其中1 000 ℃分解产物出现少量α-氧化铝。当热处理温度达到1 200 ℃时,所有物相都转变为能量最稳定的α-氧化铝相。本研究为结晶氯化铝热处理理论研究及实验室中试设备选型提供数据依据,为结晶氯化铝热处理工艺参数优化提供数据支撑。

准确预测螺栓的疲劳寿命对于保障工程安全和制定维护计划至关重要。Paris公式是疲劳分析中广泛认可的模型,本研究旨在通过对压力容器中的10.9级螺栓进行疲劳断裂分析来着重探讨Paris公式在疲劳寿命计算中的重要性,并验证Paris公式在预测失效方面的准确性。本文进行了化学元素分析、金相组织分析和电镜观察,通过测量疲劳条带并对疲劳条带宽度进行数据拟合反推两个螺栓断口的疲劳寿命。结果显示#1螺栓的裂纹扩展寿命为17 251个循环,#2螺栓为19 549个循环。有限元模型验证结果表明#1螺栓的裂纹扩展寿命为16 228个循环,#2螺栓为18 525个循环,与实验数据吻合良好,仿真模拟得到的疲劳寿命与计算结果的相对误差不超过6%。研究表明,Paris公式在特定情境下具有准确预测螺栓失效的重要意义,为提高结构件的安全性提供了可靠参考。

对金属材料开发利用水平的提升,需要精准把控金属材料的物理特性和机械性能,氢元素对这类性能的影响尤为关键。本文简述氢元素对金属材料性能的影响和危害,并介绍了近些年金属材料中氢元素含量测定方法,主要包括物理化学方法、管式炉加热-热导/红外法、惰气保护脉冲炉加热-热导/红外法、惰气保护脉冲炉加热-质谱法、热解吸-质谱法等,并分别概述了相应分析原理、仪器结构及技术特点。对这些方法所适用的检测对象、分析范围、检测限等指标进行总结,使得相关领域的分析检测人员能够对金属材料中氢含量检测有一个比较全面的了解。

准确测定地块土壤中铬(Ⅵ)含量对污染地块治理和修复具有重要意义。碱溶液提取-火焰原子吸收光谱法是地块土壤中铬(Ⅵ)测定的主要分析方法之一。文章以地块土壤标准物质和实际样品为研究对象,依次考察了加热方式、搅拌速度、液固比、还原性修复药剂对铬(Ⅵ)测定的影响。结果表明:采用水浴加热方式,地块土壤中的铬(Ⅵ)提取更完全,且测定结果的稳定性优于电加热方式;搅拌速度显著影响铬(Ⅵ)测定结果,持续稳定的中速搅拌效果最佳;通常情况下,液固比为10∶1虽然可以满足常规土壤样品中铬(Ⅵ)的有效提取,然而对于铬(Ⅵ)含量超过校准曲线线性范围上限的地块土壤样品,宜通过减少称样量的方式来确定最佳液固比,以确保结果的准确性和可靠性;还原性修复药剂对铬(Ⅵ)加标试验会形成负干扰,在提取前加入过氧化氢,于室温下超声反应5 min,能够在改变样品基体还原特性的同时维持土壤样品中铬(Ⅲ)化学形态的稳定性,使铬(Ⅵ)加标回收率提高至75.0%～97.5%,有效消除还原性修复药剂对铬(Ⅵ)基体加标回收试验的干扰。

本文对同种工艺生产的40Cr13Mo和40Cr13全氢罩式炉退火钢卷氧化皮样品进行了扫描电镜(SEM)、X射线能谱(EDS),以及X射线衍射(XRD)分析。结果表明:由于Mo的添加,40Cr13Mo不锈钢氧化皮较致密、剥落程度低,内部仅存在一些微小的缺陷,局部存在压应力且强度略高于氧化皮强度;与基体结合区域似胶状、且存在“楔形小凸起”钉扎深度0.81 μm的2FeO·SiO₂(铁橄榄石);存在氧化皮厚度较小但极差较大,与基体结合面不平整的现象;EDS面扫描Cr元素能量分布趋势与O元素能量分布趋势一致,高能级区域占90%以上且分布在氧化皮的中层、里层,10%的中能级区域分布在氧化皮外围,不存在低能级区域,与基体结合区域Si呈连续中能级宽3 μm条带、条带上伴有3 μm高能级斑块;氧化皮被氢气还原的过程严重滞后,物相以FeCr₂O₄和FeO两相为主,两者的含量(质量分数,下同)之和达90.2%,Fe、Cr、Cr_0.7Fe_0.3三相的含量仅为9.6%。

为提升激光诱导击穿光谱(LIBS)技术在各种极端环境下的灵活分析能力,本研究实现了远程LIBS仪器的小型化设计。仪器采用模块化设计,以云台为底座,能够实现对远距离目标的灵活检测分析,采用8种合金钢标准样品为实验对象,在2 m条件下进行光谱采集,对标样中Si、Mo及Cr这3种元素进行定量分析。使用随机森林算法(RF)分别构建了上述3种元素的定量模型,模型决定系数分别为0.999 8、0.998 8、0.999 1。在对模型验证时,验证样品中Si、Mo及Cr 3种元素预测含量的相对误差最小值分别为14.6%、12.9%、11.6%。所研发的小型化远程LIBS仪器具有良好的远程定量检测能力。

Pt的测定多采用火试金富集后以电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定,试金扣通常需溶解后测定,不仅操作繁琐,而且存在溶液稀释效应。本文在样品中加入¹⁹⁴Pt同位素稀释剂,采用锑试金法对Pt进行分离富集,灰吹后得到锑合粒,将锑合粒打磨为表面光滑的锑片,采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)测定同位素比值(¹⁹⁵Pt/¹⁹⁴Pt),按同位素稀释法公式对Pt进行定量,建立了火试金富集后固体直接进样测定地球化学样品中痕量Pt的分析方法。实验表明,采用自制提纯的Sb₂O₃作为捕集剂,并采用高纯石英坩埚代替传统火试金黏土坩埚,可使锑试金流程中的Pt空白值降低至0.52 ng,突破了火试金流程中Pt空白值过高的瓶颈;通过LA-ICP-MS面成像技术发现,锑片中¹⁹⁴Pt和¹⁹⁵Pt分布不均匀,但存在不均匀分布的趋势相似的规律;用LA-ICP-MS进一步多点剥蚀锑片中¹⁹⁴Pt和¹⁹⁵Pt,结果表明,6次测试¹⁹⁴Pt和¹⁹⁵Pt质谱强度的相对标准偏差(RSD)分别为14.7%和14.1%,但¹⁹⁵Pt与¹⁹⁴Pt质谱强度比值的相对标准偏差为2.5%,这说明同位素稀释剂中Pt与地球化学样品中Pt已充分交换。将本方法应用于地球化学标准物质中Pt的测试,测定值与认定值基本一致,测定结果的相对标准偏差(n=6)介于2.0%~5.1%之间。本方法实现了固-固联用分析新技术(固体高温熔融富集-激光剥蚀固体直接进样)和同位素稀释法对地球化学样品中Pt的测定。

激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种原子光谱技术,在金属失效检测领域表现出巨大的潜力。作为衡量金属老化重要指标之一的晶粒度等级,应用LIBS技术实现对其检测对失效特性预测具有重要意义。本文选用工业中广泛使用的12Cr1MoV钢为对象,利用便携式LIBS设备对金属的晶粒度等级进行评估。首先对光谱数据分别尝试应用主成分分析(PCA)、线性判别式分析(LDA)及递归特征消除(RFE)-LDA进行数据的降维处理,然后基于降维后的数据应用支持向量机(SVM)及多层感知机(MLP)分类算法建立金属晶粒度等级评估模型,并探究了数据经过RFE初步筛选后剩余特征数量对所建模型分类性能的影响。结果表明RFE与LDA组合方法,能较好地提升评估模型的分类准确度,同时发现在该组合的基础上进一步结合MLP分类算法所构建的模型分类准确率最高,达94.05%。该建模方案能有效地实现基于便携式LIBS设备的12Cr1MoV钢晶粒度等级评估。

准确快速测定硼铁合金中硼及杂质元素的含量,对科学指导炼铁炼钢生产,保证高附加值钢铁的质量起着至关重要的作用。本文采用粉末压片制样,选用2个硼铁标准物质及国标法定值的硼铁样品组成各元素含量具有一定梯度且含量跨度能够覆盖样品中各元素含量范围的校准样品系列绘制校准曲线以克服基体效应,实现了X射线荧光光谱法对硼铁中B、Al、Si、P、S、Ti、Mn的测定。对制样条件进行了优化,确定采用1.50 g粒度为53 μm(过280目筛)的样品,以硼酸镶边垫底于44 MPa保压40 s制成样片;采用经验系数法浓度校正方式校正了B的基体效应。方法检出限为B 0.085%,Al 0.000 99%,Si 0.001 9%,P 0.000 72%,S 0.000 41%,Ti 0.003 4%,Mn 0.003 9%。应用实验方法将硼铁样品平行压制成6个不同样片进行测定,各元素测得结果的相对标准偏差(RSD)均小于2.0%。按照实验方法测定硼铁样品,测定结果分别与GB/T 3653.1—1988中碱量滴定法测定B,GB/T 3653.4—1988中EDTA滴定法测定Al,GB/T 3653.3—1988中高氯酸脱水重量法测定Si,GB/T 3653.6—1988中锑磷钼蓝分光光度法测定P,GB/T 3653.7—2020中红外线吸收法测定S,GB/T 6730.63—2006中的电感耦合等离子体原子发射光谱法测定Ti和Mn的结果基本一致。

石墨矿中稀土元素的测定在评估资源价值、保护环境以及科学研究等方面具有重要意义。以HNO₃-HF-HClO₄-H₂SO₄体系采用高温微波消解法处理样品,在氦气流量为4～5 mL/min的碰撞模式下,以⁴⁵Sc、⁸⁹Y、¹³⁹La、¹⁴⁰Ce、¹⁴¹Pr、¹⁴⁶Nd、¹⁴⁷Sm、¹⁵³Eu、¹⁵⁷Gd、¹⁵⁹Tb、¹⁶³Dy、¹⁶⁵Ho、¹⁶⁶Er、¹⁶⁹Tm、¹⁷²Yb和¹⁷⁵Lu为待测同位素,选择用Rh校正Sc、Y、La、Ce、Pr,Re校正Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu,采用干扰校正方程校正了¹⁵³Eu、¹⁵⁷Gd、¹⁵⁹Tb和¹⁶⁹Tm的多原子离子干扰,建立了微波消解-电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定石墨矿中16种稀土元素的方法。在优化的实验条件下,各稀土元素的校准曲线线性相关系数在0.999 7～1.000 0之间,检出限为0.002 6～0.065 μg/g,定量限为0.008 7～0.22 μg/g。按照实验方法对石墨矿成分分析标准物质中16种稀土元素平行测定15次,各元素测定结果的相对标准偏差(RSD,n=15)均在3.5%以内,根据各元素含量的0.5～2倍加入稀土元素标准溶液进行加标回收试验,回收率为90%～105%。采用实验方法对石墨矿样品中16种稀土元素进行分析,测定结果与灰化-混合酸分解-ICP-MS基本吻合。

目前锌精矿检测方法主要为化学湿法,这些方法制样复杂,操作繁琐,因此寻找一种精确的锌精矿快速检测方法对提高检测效率具有重大意义。本文使用手持式X射线荧光光谱仪对锌精矿中的Zn、S、Fe、Ca和Pb这5种主次成分进行快速检测,样品采用研磨和压片等方法制备,设置样品干燥时间梯度以探究含水率的影响。研究发现:含水率越高,各成分测定结果的相对误差(RE)越大,样品中含量较低的Pb元素在含水率最大时相对误差高达39.02%;设置球磨时间梯度以探究粒径的影响,发现粒径的变化对S和Fe的影响最大,当球磨时间为3 h时,它们的相对误差分别可达10.43%和19.68%,并且样品的粒径越小,测量值越准确,确定球磨时间为9 h;然后设置压片时间梯度以探究压片厚度的影响,确定保压时间为60 s的实验条件。按照实验方法对4个锌精矿样品进行测定,Zn、S、Fe、Ca结果的相对标准偏差(RSD,n=5)均小于1.5%,含量较低的Pb的RSD也小于3%;以电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)的测定值作为参考值,将实验方法的测定值与参考值进行对比评价,5种元素检测结果的相对误差(RE)均低于10%,能够满足常规分析检测需求。该方法对实现矿物快速检测具有重要的参考价值。

标准方法GB/T 14840—2010采用热磷酸溶解石灰岩中的硅酸盐矿物,分离出游离二氧化硅,再用重量法测定其含量,操作较为繁琐。本文利用热磷酸可溶解硅酸盐矿物而几乎不溶解游离二氧化硅的特性分离出石灰岩中的游离二氧化硅,再以氟硼酸解聚已溶出的硅酸,用致密滤纸过滤,使游离二氧化硅与其他矿物完全分离;然后以热水洗涤沉淀3次,在银坩埚中灰化,用1.5 g氢氧化钠熔融、盐酸浸取后,选取Si 251.611 nm为分析谱线,用电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定试液中的二氧化硅,从而建立了石灰岩中游离二氧化硅的测定方法。方法中二氧化硅的校准曲线线性相关系数为0.999 9,线性范围为0.024%～10.0%;方法检出限为0.008%,定量限为0.024%。按照实验方法测定4个石灰岩标准物质中游离二氧化硅,测定值与认定值的相对误差为－0.18%~0.48%,测定结果的相对标准偏差(RSD,n=12)为1.2%~1.9%。选取4个石灰岩样品,分别采用实验方法和标准方法GB /T 14840—2010中的重量法进行测定,以进行方法比对,二者测定结果基本一致。

冶金分析是冶金生产过程中不可缺少的重要环节,同时也是原料选择、冶炼工艺流程控制与产品检验等的重要依据和技术手段。为了适应工艺生产优化的客观需要,冶金工艺面临着提高精确性、分辨率、快速性、连续性、在线性和系统性等的实际需求。激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种基于激光的创新型原子发射光谱分析技术,因其具有无需复杂样品预处理、实时在线分析、远程探测、非接触式测量等独特优势,在冶金领域具有广泛的应用前景和发展潜力。传统定量分析方法如标准曲线法、内标法和自由定标法等,在准确度上通常受样品均匀性、基体效应以及自吸收效应等影响,无法满足实际复杂应用场景的高精度定量分析。化学计量学能够从复杂体系多维光谱信号中最大程度地提取特征信息,进而建立适用于冶金领域复杂体系精准定量的分析方法。因此,本文综述了近5年LIBS结合化学计量学方法在矿石与合金材料定量分析方面的研究进展,进一步总结了矿石与合金材料存在的关键问题以及发展趋势。

锂矿是重要的国家战略资源,准确测定锂矿中的锂含量对锂矿的采选及加工具有重要的指导意义。使用敞开式混酸消解体系无法彻底消解样品或在消解过程中锂有损失,无法满足准确测定的要求。实验采用硝酸-氢氟酸酸溶体系,于190 ℃采用高压密闭消解样品,能使样品完全消解;选择Li 670.784 nm作为分析线,建立了电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定锂矿中锂的方法。使用基体匹配法配制标准溶液系列可以消除基体效应对测定的影响;钙、钠、钾、镁、铁、锰、磷等共存元素对锂的测定无影响。锂的质量浓度在0.50~50 μg/mL范围内与发射强度呈良好的线性关系,校准曲线线性相关系数为0.999 8;方法检出限为0.003%。将方法应用于锂矿石标准物质和实际样品,标准物质的测定值和认定值基本一致,测定结果的相对标准偏差(RSD,n=12)在0.84%~1.4%之间,相对误差(RE,n=12)在-1.24%~0.51%之间;实际样品中锂测定结果的相对标准偏差(RSD,n=12)在1.6%~2.0%之间,加标回收率在98%~104%之间。