Espectrómetros Avanzados para Análisis Elemental Preciso en Metales de Fundición

Análisis de la composición y grado de metal de fundición

El análisis espectroquímico es un tipo de análisis químico usado para determinar la disposición de átomos y electrones dentro de moléculas de compuestos químicos. Observa la cantidad de energía absorbida durante cambios en movimiento o estructura. La longitud de onda e intensidad de la radiación electromagnética se mide para producir resultados cuantificables que se usan principalmente para evaluación de calidad.

Espectroscopía y el espectrómetro

Espectroscopía y espectrómetro son términos que aparecen a menudo al discutir análisis espectroquímico. En términos simples, la espectroscopía es el estudio de la energía en relación con un material de muestra, y un espectrómetro es el instrumento usado durante la espectrometría, el acto de espectroscopía.

Espectroscopía

La espectroscopía es el estudio de la interacción entre energía radiada y un material de muestra. Esta interacción produce ondas electromagnéticas en forma de luz visible, típicamente vistas como chispas. La espectroscopía se introdujo en el siglo XVII cuando Sir Isaac Newton descubrió que la luz blanca podía separarse en colores componentes usando un prisma, y estos componentes podían recombinarse para formar luz blanca. Se dio cuenta de que el prisma no es lo que crea los colores, sino que en cambio trabaja para separar los colores componentes de la luz blanca. A principios del siglo XIX, Joseph von Fraunhofer realizó experimentos que evolucionaron aún más la espectroscopía en una técnica científica más precisa y cuantitativa. Sin embargo, no fue hasta el siglo XIX que la medición cuantitativa de luz dispersa se estandarizó y reconoció como un método de prueba sólido.

Espectrómetro

Un espectrómetro es el instrumento usado en espectroscopía que produce líneas espectrales y mide sus longitudes de onda e intensidades. Es un dispositivo científico que separa partículas, átomos y moléculas por su masa, momento o energía. Los espectrómetros son integrales para análisis químico y física de partículas. Existen dos tipos de espectrómetros: ópticos y de masa.

Espectrómetro óptico

Un espectrómetro óptico, o simplemente "espectrómetro", es capaz de separar luz blanca y medir bandas estrechas individuales de color (espectro). Muestra la intensidad de la luz como función de longitud de onda o frecuencia y la deflexión es creada por refracción en un prisma, o por difracción en una red de difracción. Los espectrómetros ópticos usan el concepto de dispersión óptica —y como cada elemento en una muestra deja una firma espectral única, el análisis espectral puede determinar la composición de la muestra misma. Los espectrómetros ópticos son comunes en astronomía, producción de metales, energía solar e industrias de semiconductores.

Espectrómetro de masa

Un espectrómetro de masa mide el espectro de las masas de átomos o moléculas que existen en un sólido, líquido o gas. Lo logra midiendo la relación masa-carga y abundancia de iones en fase gaseosa. Los espectrómetros de masa se usan en campos de ciencia farmacéutica, biotecnología y geología.

¿Por qué se necesita la espectrometría?

Las técnicas espectroscópicas están a la vanguardia de muchos campos técnicos. La espectrometría es necesaria por su papel en investigación y desarrollo, así como por su papel más práctico en análisis de materiales para diversas industrias. La ciencia y la tecnología siempre han dependido de la espectrometría —desde estudios tempranos hasta tecnologías avanzadas que impulsan la investigación moderna.

La espectroscopía de radiofrecuencia llevó a la imagen por resonancia magnética (IRM), un instrumento médico revolucionario usado para visualizar tejidos blandos internos del cuerpo. La espectroscopía de radio y rayos X allanó el camino para investigación astronómica en estrellas distantes y moléculas interestelares. La espectroscopía óptica se usa rutinariamente en entornos industriales y ambientales para identificar composición química de materia. Sin esta aplicación en espectrometría, el método rápido y efectivo de identificación de aleaciones e inspección de materiales de hoy no existiría.

Espectroscopía de Emisión Óptica

La espectroscopía de emisión óptica (OEO) es una forma común de espectroscopía usada para determinar componentes elementales en muestras de metal sólido. Se usa ampliamente en fundiciones e instalaciones de producción de metales porque puede analizar una vasta gama de elementos con alta precisión y exactitud. Los metales de muestra usados en OEO pueden ser del fundido en producción primaria y secundaria de metales, o metales procesados como varillas, chapas, alambres y pernos.

¿Cómo funciona la espectroscopía de emisión óptica?

La OEO proporciona análisis cuantitativo usando tres componentes clave: una fuente eléctrica, un sistema óptico y un sistema informático.

1) Fuente eléctrica

Se requiere una fuente eléctrica para excitar átomos en un estado activo dentro de una muestra de metal. Una pequeña porción de la muestra se calienta a miles de grados Celsius usando una fuente eléctrica de alto voltaje en el espectrómetro a través de un electrodo. Se produce una descarga eléctrica debido a la diferencia en potencial eléctrico entre el electrodo y el metal de muestra. Esta descarga eléctrica causa que el metal de muestra se caliente y vaporice en la superficie.

Durante este proceso, los átomos activados producen líneas de emisión que son distintas para cada elemento. Existen dos tipos de descargas eléctricas: un arco eléctrico o chispa. Un arco eléctrico produce una descarga eléctrica continua, muy parecida a un rayo. Una chispa eléctrica es más bien una descarga eléctrica abrupta —una breve emisión de luz a menudo acompañada por un sonido agudo de chasquido.

2) Sistema óptico

El sistema óptico transfiere las líneas de emisión de la muestra vaporizada, conocida como plasma, al espectrómetro. La red de difracción en el espectrómetro trabaja para separar la luz entrante en longitudes de onda específicas de cada elemento. La intensidad de luz de cada longitud de onda es entonces medida por un detector correspondiente. La intensidad medida durante este proceso es proporcional a la concentración del elemento en el metal de muestra que se está probando. Como cada elemento emite un conjunto específico de longitudes de onda basado en su estructura electrónica, la composición elemental puede determinarse observando estas longitudes de onda.

3) Sistema informático

Finalmente, se requiere un sistema informático para procesar los datos. Las intensidades medidas se procesan a través de una calibración predefinida para producir concentraciones elementales. La tecnología moderna ha avanzado la interfaz de usuario para ofrecer resultados claros con mínima intervención del operador.

La OEO es amigable para el usuario y ampliamente aceptada en la industria de fabricación de metales. Aunque es un instrumento popular, aún viene con algunas limitaciones incluyendo daño superficial menor al material de muestra y la necesidad de mantenimiento constante.

Ventajas	Desventajas
Determinación cuantitativa rápida de elementos (típicamente menos de un minuto).	No completamente "no destructivo" (se puede esperar daño superficial leve).
Baja inversión de capital y costos operativos.	No puede probar piezas pequeñas (menos del tamaño de una moneda de diez centavos).
Preparación de muestra fácil.	Difícil de probar en espacios muy confinados.
Análisis rápido de carbono, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre en acero.	Requiere calibración y mantenimiento constantes.
Calcula contenido de carbono (%) de aceros inoxidables o aceros de baja aleación.	Puede requerirse certificación rutinaria de terceros de los resultados.
Distingue entre aceros inoxidables 304/316 y 304L/316L.
Proporciona datos de entrada para cálculo de equivalencia de carbono.

Espectrómetros en fundiciones

La espectroscopía de emisión óptica puede emplearse en una gama de materiales desde metales puros hasta aleados. Fundiciones, así como las industrias de aviación, automotriz y electrodomésticos, se benefician de espectrómetros para control de proceso y calidad.

Los espectrómetros son a menudo el instrumento de elección para análisis de metales de fundición ya que requieren solo intervención mínima de operadores de fundición cuando se usan para inspección, control de calidad e identificación de aleaciones. Existen versiones estacionarias y portátiles, ambas con alto nivel de precisión. Se requiere calibración y mantenimiento rutinario, y a menudo se necesita certificación de terceros de resultados para que los resultados del espectrómetro mantengan su validez. Los espectrómetros permiten análisis de metal a lo largo del ciclo de vida del metal desde producción hasta procesamiento, así como al final de su vida útil en plantas de reciclaje.