Análise Instrumental de Aço, Escória e Matérias-Primas

Análise de instrumentos de aço, escória e matérias-primas

A análise de instrumentos é amplamente utilizada para a análise elementar qualitativa e quantitativa de matérias-primas, ferro (metal quente), aço, escória, refratários e amostras de lodo. Em comparação com a análise úmida, a vantagem da análise de instrumentos é que ela é econômica e multielementar, além de ser muito rápida. As preocupações causadas por elementos interferentes na análise química úmida são eliminadas. A análise do instrumento evita a necessidade de esperar várias horas por determinados elementos, o que é uma necessidade quando os métodos químicos úmidos são empregados.

Além disso, a análise do instrumento fornece um limite de detecção bastante uniforme em uma grande lista de elementos ou compostos e é aplicável a uma ampla faixa de concentrações, variando de 100% a algumas partes por milhão (ppm). Os métodos instrumentais são reprodutíveis com menor escopo de erro humano devido à menor intervenção humana. Eles são robustos, confiáveis ​​e precisos, pois a precisão depende da calibração e dos padrões usados ​​para a calibração.





A análise de aço, escória e matérias-primas é importante e essencial não apenas durante o processo de fabricação do aço para fins de controle, mas também pelo grande número de amostras que precisam ser analisadas para diversos outros fins. As informações de uma análise são úteis para diversos fins, como inspeção de matérias-primas, produto intermediário e produto final, avaliação ambiental, controle de processos, análise de falhas, controle de qualidade dos produtos e para fins de pesquisa e desenvolvimento.

Histórico

Enquanto o espectrógrafo já era usado há algum tempo em outros campos, o primeiro instrumento a ser usado com sucesso para o controle de fusão ferrosa foi instalado em uma fundição em 1935. Um espectrógrafo Baird foi instalado no laboratório da Timken em 1943 para a análise de testes de a oficina de fundição. Este instrumento foi equipado com uma grade de Wood de três metros de distância focal, governada 15.000 linhas por polegada, fixada em uma montagem de águia. As amostras para análise espectrográfica são moldadas em forma de varetas de 5,5 mm de diâmetro, derramando o metal líquido em um molde ou sugando-o em um tubo de vidro. Os pinos fundidos são enviados ao laboratório por meio de um sistema de transporte de tubos pneumáticos, onde são cuidadosamente aterrados até um ponto de ângulo incluso de 140 graus e colocados nos porta-eletrodos. A energia de um arco de alta tensão ou fonte de faísca é aplicada e as linhas espectrais da luz emitida são fotografadas em placas número 1 de análise de espectro Eastman. A placa é então revelada, lavada, seca e resfriada até a temperatura ambiente em uma sala escura. A densidade da linha para o elemento necessário é lida em um densitômetro e calculada em porcentagem, após o que é relatada por telautógrafo ao operador do forno.

O desenvolvimento adicional na análise de instrumentos foi o espectrômetro de leitura direta. Neste instrumento, o palco fotográfico foi totalmente substituído por tubos multiplicadores de elétrons sensíveis, que captam a luz emitida nos vários comprimentos de onda e a relatam como porcentagem em mostradores de relógio calibrados dentro de 35 segundos após a colocação de uma amostra nos porta-eletrodos. O uso de tubos fotográficos eliminou todos os possíveis erros associados a chapas ou filmes, revelação e processamento em câmara escura, leituras de densitômetros e placas de cálculo. O primeiro espectrômetro de leitura direta foi instalado no laboratório de controle da Timken em maio de 1947 e foi o primeiro instrumento desse tipo a ser usado na indústria siderúrgica.

O desenvolvimento adicional ocorreu na análise do instrumento e os diferentes tipos de análise do instrumento atualmente em uso são descritos abaixo.

Espectrometria de emissão atômica de centelha (AES)

A espectroscopia de emissão atômica é um método de análise química que usa a intensidade da luz emitida por uma faísca em um determinado comprimento de onda para determinar a quantidade de um elemento em uma amostra. O comprimento de onda da linha espectral atômica dá a identidade do elemento, enquanto a intensidade da luz emitida é proporcional ao número de átomos do elemento.

A espectroscopia de emissão atômica de faísca é usada para a análise de elementos metálicos em amostras sólidas. Para materiais não condutores, a amostra é moída com pó de grafite para torná-la condutora. Nos métodos tradicionais de espectroscopia de arco, uma amostra do sólido é normalmente triturada e destruída durante a análise. Um arco elétrico ou faísca é passado através da amostra, aquecendo-a a uma alta temperatura para excitar os átomos dentro dela. Os átomos excitados emitem luz em comprimentos de onda característicos que podem ser dispersos com um monocromador e detectados. A fonte de faísca com descarga controlada é para análise quantitativa. Tanto as análises qualitativas quanto quantitativas de centelha por espectrometria de emissão atômica de centelha são amplamente utilizadas para fins de controle de qualidade em siderúrgicas.

O AES pode determinar até 64 elementos simultaneamente em menos de 20 segundos. A limitação desta técnica é que o instrumento não pode analisar gases no aço (oxigênio, nitrogênio e hidrogênio). Embora alguns dos instrumentos modernos forneçam análises de nitrogênio, os limites de reprodutibilidade e detecção estão abaixo das expectativas dos fabricantes de aço.

Espectrometria de fluorescência de raios-X (XRF)

Este espectrômetro pode analisar amostras metálicas e não metálicas. Por isso, é amplamente utilizado para a análise de metais, escórias, matérias-primas e amostras refratárias. Ele funciona com o seguinte princípio (mostrado na Fig 1).

Quando uma amostra é irradiada com raios X de um tubo de raios X, os átomos na amostra geram raios X únicos que são emitidos da amostra. Esses raios X são conhecidos como “raios X fluorescentes” e têm um comprimento de onda e energia únicos que são característicos de cada elemento que os gera. Consequentemente, a análise qualitativa pode ser realizada investigando os comprimentos de onda dos raios-X. Como a intensidade dos raios X fluorescentes é função da concentração, a análise quantitativa também é possível medindo a quantidade de raios X no comprimento de onda específico de cada elemento.

Fig 1 Princípio da espectrometria XRF

Um raio-X do tubo está impactando na amostra onde interage com um elétron de uma das camadas internas do átomo A. Ele tira o elétron de seu orbital. Isso deixa um vazio que é prontamente preenchido por um elétron de uma camada externa. Este elétron tem uma energia mais alta do que o elétron que está substituindo. O excesso de energia é expelido na forma de raios X com comprimento de onda específico para o átomo de A. Os espectrômetros de XRF são principalmente de dois tipos.

O espectrômetro de fluorescência de raios X por dispersão de energia (EDXRF) usa um detector para processar diretamente o espectro completo em uma escala de dispersão de energia. Os espectrômetros EDXRF incluem um detector de alta tecnologia usando um cristal derivado de silício-lítio (SiLi) resfriado a baixa temperatura (-90°C). Este cristal é capaz de discriminar entre fótons de raios X de diferentes energias (dispersão de energia). O detector capta todos os fótons emitidos pela amostra e a taxa total de contagem do detector é de cerca de 50 quilogramas por segundo e geralmente está saturada. Filtros específicos são geralmente usados ​​para filtrar parte do espectro, por exemplo, os principais elementos. Os alvos secundários são normalmente usados ​​para excitar melhor apenas uma parte dos elementos da tabela periódica.

O cristal de SiLi do detector absorve um fóton de raios X que ioniza os átomos e produz pares de elétrons (-) e buracos (+). A quantidade de pares de elétrons/buracos é proporcional à energia do fóton de raios-X. Os pulsos de saída do detector são amplificados, digitalizados e classificados de acordo com sua magnitude. É necessário resfriar o detector a menos 90 graus C.

O espectrômetro de fluorescência de raios X dispersiva de comprimento de onda (WDXRF) usa cristais apropriados para separar o espectro de emissão em comprimentos de onda discretos antes de detectá-los. A fluorescência de micro raios X recebe esse nome porque esses instrumentos são projetados para analisar tamanhos de pontos muito pequenos. Na fluorescência de raios-X de reflexão total (TRXRF) o feixe de excitação é totalmente refletido pelo substrato e apenas as partículas na superfície são excitadas dando origem a emissões de fluorescência de raios-X. Desta forma, o fundo normalmente associado às medições de XRF é muito reduzido, levando a uma sensibilidade mais alta e limites de detecção mais baixos.

Espectrometria de emissão atômica com plasma indutivamente acoplado (ICP/AES)

A espectrometria de emissão atômica com plasma indutivamente acoplado é uma técnica analítica utilizada para a detecção de elementos traço. Ele usa o plasma acoplado indutivamente para produzir átomos e íons excitados que emitem ondas eletromagnéticas em comprimentos de onda característicos de um elemento específico. A intensidade desta emissão é indicativa da concentração do elemento na amostra.

O ICP-AES consiste em duas partes, a saber (i) o ICP e (ii) o espectrômetro óptico. A tocha ICP consiste em 3 tubos de vidro de quartzo concêntricos. A saída do gerador de radiofrequência (RF) envolve parte desta tocha de quartzo. O gás argônio (Ar) é normalmente usado para criar o plasma.

O plasma de Ar gerado e mantido por RF, cujas porções são tão quentes quanto 10.000 graus K, excita os elétrons. O plasma é usado para atomizar e ionizar os elementos na amostra. Quando os elétrons retornam ao estado fundamental em uma determinada posição espacial no plasma, eles emitem energia em comprimentos de onda específicos peculiares à composição elementar da amostra. A luz emitida pelo plasma é focalizada através de uma lente e passa por uma fenda de entrada no espectrômetro. Existem dois tipos de espectrômetros usados ​​na análise ICP-AES:(i) sequencial (monocromador) e (ii) simultâneo (policromador).

A espectrometria de massa de plasma indutivamente acoplado (ICP-MS) é uma ferramenta muito poderosa para análise elementar de traços (ppb, partes por bilhão-ppm) e ultratraços (ppq, partes por quatrilhão -ppb).

Espectrometria de absorção atômica (AAS)

A espectrometria de absorção atômica (AAS) é uma técnica analítica que mede as concentrações de elementos. A espectrometria de absorção atômica é normalmente usada para analisar a concentração de mais de 62 metais diferentes em uma solução e é tão sensível que pode medir até partes por bilhão de grama em uma amostra. A técnica faz uso dos comprimentos de onda da luz especificamente absorvida por um elemento. Eles correspondem às energias necessárias para promover elétrons de um nível de energia para outro nível de energia mais alto.

Um espectrofotômetro de absorção atômica consiste em uma fonte de luz, um compartimento de amostra e um detector. Neste método, a luz de uma fonte é direcionada através da amostra para um detector. A fonte de luz é uma lâmpada cujo cátodo é composto pelo elemento que está sendo medido. Cada elemento requer uma lâmpada diferente.

A técnica faz uso da espectrometria de absorção para avaliar a concentração de um analito em uma amostra. Requer padrões com teor de analito conhecido para estabelecer a relação entre a absorbância medida e a concentração do analito e, portanto, baseia-se na lei de Beer Lambert, explicada abaixo.

A =eBC

Onde A é a absorbância [sem unidades, pois A =log10 (Io / I1)], e é a absorbância molar com unidades de L mol¯¹ cm¯¹, B é o comprimento do caminho da amostra em centímetros - ou seja, o comprimento do caminho óptico, e C é a concentração do composto em solução, expressa em mol L¯¹.

O diagrama (Fig. 2) mostra um feixe de radiação monocromática de potência radiante I?, direcionado a uma solução amostra. A absorção ocorre e o feixe de radiação que sai da amostra tem potência radiante I1.

Fig 2 Diagrama mostrando radiação monocromática

Em suma, os elétrons dos átomos no atomizador podem ser promovidos a orbitais mais altos (estado excitado) por um curto período de tempo (nanossegundos) absorvendo uma quantidade definida de energia (radiação de um determinado comprimento de onda). Essa quantidade de energia, ou seja, comprimento de onda, é específica para uma transição eletrônica particular em um elemento particular. Em geral, cada comprimento de onda corresponde a apenas um elemento, e a largura de uma linha de absorção é apenas da ordem de alguns picômetros (pm,10¯¹² m), o que confere à técnica sua seletividade elementar. O fluxo de radiação sem uma amostra e com uma amostra no atomizador é medido usando um detector, e a razão entre os dois valores (a absorbância) é convertida em concentração ou massa do analito usando a lei de Beer-Lambert.