Espectrómetros para pruebas y análisis elementales

Análisis de la composición y grado del metal de fundición

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

Espectroscopia y el espectrómetro

Espectroscopía y espectrómetro son términos que aparecen a menudo cuando se habla de análisis espectroquímico. En pocas palabras, espectroscopia es el estudio de la energía en relación con un material de muestra y un espectrómetro es el instrumento utilizado durante la espectrometría , el acto de la espectroscopia.

Espectroscopía

La espectroscopia es el estudio de la interacción entre la energía radiada y un material de muestra. Esta interacción produce ondas electromagnéticas en forma de luz visible, típicamente vistas como chispas. La espectroscopia se introdujo en el 17 ^th siglo cuando Sir Isaac Newton descubrió que la luz blanca podía separarse en componentes de colores 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 funciona para separar los colores componentes de la luz blanca. A principios del siglo XIX, Joseph von Fraunhofer realizó experimentos que evolucionaron aún más la espectroscopia hasta convertirla en una técnica científica más precisa y cuantitativa. Sin embargo, no fue hasta el 19 ^th siglo que la medición cuantitativa de la luz dispersada fue estandarizada y reconocida como un método sólido de prueba.

Espectrómetro

Un espectrómetro es el instrumento utilizado en espectroscopia 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, cantidad de movimiento o energía. Los espectrómetros son parte integral del análisis químico y la física de partículas. Hay dos tipos de espectrómetros:espectrómetros ópticos y de masas.

Espectrómetro óptico

Un espectrómetro óptico, o simplemente "espectrómetro", puede separar la luz blanca y medir bandas estrechas individuales de color (espectro). Muestra la intensidad de la luz en función de la longitud de onda o la frecuencia y la desviación se crea por refracción en un prisma o por difracción en una rejilla de difracción. Los espectrómetros ópticos utilizan el concepto de dispersión óptica y, dado que cada elemento de una muestra deja una firma espectral única, el análisis espectral puede determinar la composición de la muestra en sí. Los espectrómetros ópticos son comunes en las industrias de astronomía, producción de metales, energía solar y semiconductores.

Espectrómetro de masas

Un espectrómetro de masas 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 la abundancia de iones en fase gaseosa. Los espectrómetros de masas se utilizan en los campos de la ciencia farmacéutica, la biotecnología y la geología.

¿Por qué es necesaria la espectrometría?

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

La espectroscopia de radiofrecuencia condujo a la resonancia magnética nuclear (RMN), un innovador instrumento médico utilizado para visualizar los tejidos blandos internos del cuerpo. La espectroscopia de radio y rayos X allanó el camino para la investigación astronómica en estrellas distantes y moléculas intergalácticas. La espectroscopia óptica se utiliza habitualmente en entornos industriales y medioambientales para identificar la composición química de la materia. Sin esta aplicación en espectrometría, no existiría el método rápido y efectivo de identificación de aleaciones e inspección de materiales de hoy en día.

Espectroscopia de emisión óptica

La espectroscopia de emisión óptica (OES) es una forma común de espectroscopia utilizada para determinar componentes elementales en muestras de metal sólido. Es ampliamente utilizado en fundiciones e instalaciones de producción de metales porque puede analizar una amplia gama de elementos con alta precisión y exactitud. Los metales de muestra utilizados en OES pueden provenir de la fusión en la producción de metales primarios y secundarios, o de metales procesados ​​como varillas, placas, alambres y pernos.

¿Cómo funciona la espectroscopia de emisión óptica?

OES proporciona análisis cuantitativo utilizando tres componentes clave:una fuente eléctrica, un sistema óptico y un sistema informático.

1) Fuente eléctrica

Se requiere una fuente eléctrica para excitar los átomos a un estado activo dentro de una muestra de metal. Una pequeña porción de la muestra se calienta a miles de grados centígrados utilizando una fuente eléctrica de alto voltaje en el espectrómetro a través de un electrodo. Se produce una descarga eléctrica debido a la diferencia de potencial eléctrico entre el electrodo y la muestra de metal. Esta descarga eléctrica hace que la muestra de metal se caliente y se 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 una descarga eléctrica abrupta:una emisión breve de luz a menudo acompañada de un chasquido agudo.

2) Sistema óptico

El sistema óptico transfiere las líneas de emisión de la muestra vaporizada, conocida como plasma, al espectrómetro. La rejilla de difracción en el espectrómetro trabaja para separar la luz entrante en longitudes de onda específicas del elemento. A continuación, la intensidad de la luz de cada longitud de onda se mide mediante un detector correspondiente. La intensidad medida durante este proceso es proporcional a la concentración del elemento en la muestra de metal que se está probando. Dado que cada elemento emite un conjunto específico de longitudes de onda en función de su estructura electrónica, la composición elemental se puede determinar 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 en la interfaz de usuario para ofrecer resultados claros con una intervención mínima del operador.

OES es fácil de usar y ampliamente aceptado en la industria de fabricación de metales. Aunque es un instrumento popular, todavía tiene algunas limitaciones, incluido el daño superficial menor al material de la muestra y la necesidad de un mantenimiento constante.

ESPECTROSCOPIA DE EMISIÓN ÓPTICA
Ventajas
Desventajas

• Determinación cuantitativa rápida de elementos (normalmente menos de un minuto).
• Baja inversión de capital y costos operativos.
• Fácil preparación de muestras.
• Análisis rápido de carbono, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre en acero.
• Calcula el contenido de carbono (%) de aceros inoxidables o aceros de baja aleación.
• Distingue entre aceros inoxidables 304/316 y 304L/316L.
• Proporciona datos de entrada para el cálculo de equivalencia de carbono.

• No completamente "no destructivo" (se puede esperar un ligero daño en la superficie).
• No se pueden probar piezas pequeñas (menos del tamaño de una moneda de diez centavos).
• Difícil de probar en espacios reducidos.
• Requiere calibración y mantenimiento constantes.
• Es posible que se requiera una certificación de rutina de los resultados por parte de terceros.

Espectrómetros en fundiciones

La espectroscopia de emisión óptica se puede emplear en una variedad de materiales, desde metales puros hasta metales aleados. Las fundiciones, así como las industrias de la aviación, la automoción y los electrodomésticos, se benefician de los espectrómetros para el control de procesos y calidad.

Los espectrómetros suelen ser el instrumento elegido para el análisis de metales de fundición, ya que solo requieren una intervención mínima de los operadores de fundición cuando se utilizan para la inspección, el control de calidad y la identificación de aleaciones. Existen versiones estacionarias y portátiles, ambas con un alto nivel de precisión. Se requiere calibración y mantenimiento de rutina, y a menudo se necesita la certificación de los resultados por parte de terceros para que los resultados del espectrómetro conserven su validez. Los espectrómetros permiten el análisis de metales durante todo el ciclo de vida del metal, desde la producción hasta el procesamiento, así como al final de su vida útil en las plantas de reciclaje.