Espectrômetros para testes e análises elementares

Analisando a composição e o grau do metal de fundição

A análise espectroquímica é um tipo de análise química usada para determinar o arranjo de átomos e elétrons dentro de moléculas de compostos químicos. Ele observa a quantidade de energia absorvida durante as mudanças no movimento ou na estrutura. O comprimento de onda e a intensidade da radiação do eletroímã são medidos para produzir resultados quantificáveis ​​que são usados ​​principalmente para avaliação de qualidade.

Espectroscopia e o espectrômetro

Espectroscopia e espectrômetro são termos que aparecem frequentemente quando se discute análise espectroquímica. Simplificando, espectroscopia é o estudo da energia em relação a um material de amostra e um espectrômetro é o instrumento usado durante a espectrometria , o ato da espectroscopia.

Espectroscopia

A espectroscopia é o estudo da interação entre a energia irradiada e um material de amostra. Essa interação produz ondas eletromagnéticas na forma de luz visível, normalmente vistas como faíscas. A espectroscopia foi introduzida no século 17 século, quando Sir Isaac Newton descobriu que a luz branca poderia ser separada em cores componentes usando um prisma, e esses componentes poderiam ser recombinados para formar a luz branca. Ele percebeu que o prisma não é o que cria as cores, mas funciona para separar as cores componentes da luz branca. No início de 1800, Joseph von Fraunhofer realizou experimentos que evoluíram ainda mais a espectroscopia para uma técnica científica mais precisa e quantitativa. No entanto, não foi até o dia 19 século em que a medição quantitativa da luz dispersa foi padronizada e reconhecida como um método sólido de teste.

Espectrômetro

Um espectrômetro é o instrumento usado em espectroscopia que produz linhas espectrais e mede seus comprimentos de onda e intensidades. É um dispositivo científico que separa partículas, átomos e moléculas por sua massa, momento ou energia. Os espectrômetros são essenciais para a análise química e física de partículas. Existem dois tipos de espectrômetros:espectrômetros ópticos e de massa.

Espectrômetro óptico

Um espectrômetro óptico, ou simplesmente “espectrômetro”, é capaz de separar a luz branca e medir faixas estreitas individuais de cor (espectro). Mostra a intensidade da luz em função do comprimento de onda ou frequência e a deflexão é criada por refração em um prisma, ou por difração em uma grade de difração. Os espectrômetros ópticos usam o conceito de dispersão óptica – e como cada elemento em uma amostra deixa uma assinatura espectral única, a análise espectral pode determinar a composição da própria amostra. Espectrômetros ópticos são comuns em astronomia, produção de metal, energia solar e indústrias de semicondutores.

Espectrômetro de massa

Um espectrômetro de massa mede o espectro das massas de átomos ou moléculas que existem em um sólido, líquido ou gás. Ele consegue isso medindo a razão massa-carga e a abundância de íons na fase gasosa. Os espectrômetros de massa são usados ​​nos campos da ciência farmacêutica, biotecnologia e geologia.

Por que a espectrometria é necessária?

As técnicas espectroscópicas estão na vanguarda de muitos campos técnicos. A espectrometria é necessária por seu papel em pesquisa e desenvolvimento, bem como por seu papel mais prático na análise de materiais para várias indústrias. A ciência e a tecnologia sempre dependeram da espectrometria – desde os primeiros estudos até o avanço das tecnologias que alimentam a pesquisa moderna.

A espectroscopia de radiofrequência levou à ressonância magnética (MRI), um instrumento médico inovador usado para visualizar os tecidos moles internos do corpo. A espectroscopia de rádio e raios X abriu caminho para pesquisas astronômicas em estrelas distantes e moléculas intergalácticas. A espectroscopia óptica é usada rotineiramente em ambientes industriais e ambientais para identificar a composição química da matéria. Sem essa aplicação em espectrometria, o método de hoje rápido e eficaz de identificação de ligas e inspeção de materiais não existiria.

Espectroscopia de emissão óptica

A espectroscopia de emissão óptica (OES) é uma forma comum de espectroscopia usada para determinar componentes elementares em amostras de metal sólido. É amplamente utilizado em fundições e instalações de produção de metal porque pode analisar uma vasta gama de elementos com alta precisão e exatidão. Os metais de amostra usados ​​no OES podem ser do fundido na produção de metal primário e secundário, ou metais processados, como hastes, placas, fios e parafusos.

Como funciona a espectroscopia de emissão óptica?

OES fornece análise quantitativa usando três componentes principais:uma fonte elétrica, um sistema óptico e um sistema de computador.

1) Fonte elétrica

Uma fonte elétrica é necessária para excitar os átomos em um estado ativo dentro de uma amostra de metal. Uma pequena porção da amostra é aquecida a milhares de graus Celsius usando uma fonte elétrica de alta tensão no espectrômetro através de um eletrodo. Uma descarga elétrica é produzida devido à diferença de potencial elétrico entre o eletrodo e o metal de amostra. Esta descarga elétrica faz com que o metal de amostra aqueça e vaporize na superfície.

Durante esse processo, os átomos ativados produzem linhas de emissão distintas para cada elemento. Existem dois tipos de descargas elétricas:um arco elétrico ou faísca. Um arco elétrico produz uma descarga elétrica contínua, bem como um relâmpago. Uma faísca elétrica é mais uma descarga elétrica abrupta – uma breve emissão de luz geralmente acompanhada por um som agudo de estalo.

2) Sistema óptico

O sistema óptico transfere as linhas de emissão da amostra vaporizada, conhecida como plasma, para o espectrômetro. A grade de difração no espectrômetro funciona para separar a luz recebida em comprimentos de onda específicos do elemento. A intensidade da luz de cada comprimento de onda é então medida por um detector correspondente. A intensidade medida durante este processo é proporcional à concentração do elemento na amostra de metal que está sendo testada. Como cada elemento emite um conjunto específico de comprimentos de onda com base em sua estrutura eletrônica, a composição elementar pode ser determinada observando esses comprimentos de onda.

3) Sistema de computador

Finalmente, um sistema de computador é necessário para processar os dados. As intensidades medidas são processadas através de uma calibração predefinida para produzir concentrações elementares. A tecnologia moderna aprimorou a interface do usuário para oferecer resultados claros com intervenção mínima do operador.

OES é fácil de usar e amplamente aceito na indústria de fabricação de metal. Embora seja um instrumento popular, ele ainda apresenta algumas limitações, incluindo pequenos danos na superfície do material da amostra e a necessidade de manutenção constante.

ESPECTROSCOPIA DE EMISSÕES ÓTICAS
Vantagens
Desvantagens

• Determinação quantitativa rápida de elementos (normalmente menos de um minuto).
• Baixo investimento de capital e custos operacionais.
• Preparação de amostra fácil.
• Análise rápida de carbono, nitrogênio, oxigênio, fósforo e enxofre em aço.
• Calcula o teor de carbono (%) de aços inoxidáveis ou aços de baixa liga.
• Distingue entre aços inoxidáveis ​​304/316 e 304L/316L.
• Fornece dados de entrada para o cálculo de equivalência de carbono.

• Não é completamente “não destrutivo” (podem ser esperados pequenos danos na superfície).
• Não é possível testar peças pequenas (menos do que uma moeda de dez centavos).
• Difícil de testar em espaços confinados.
• Requer calibração e manutenção constantes.
• Pode ser necessária a certificação de rotina de terceiros dos resultados.

Espectrômetros em fundições

A espectroscopia de emissão óptica pode ser empregada em uma variedade de materiais, desde metais puros até metais ligados. As fundições, assim como as indústrias de aviação, automotiva e de eletrodomésticos, se beneficiam de espectrômetros para controle de processo e qualidade.

Os espectrômetros geralmente são o instrumento de escolha para análise de metal de fundição, pois exigem apenas uma intervenção mínima dos operadores de fundição quando usados ​​para inspeção, controle de qualidade e identificação de liga. Existem versões estacionárias e portáteis, ambas com alto nível de precisão. Calibração e manutenção de rotina são necessárias, e a certificação de resultados de terceiros geralmente é necessária para que os resultados do espectrômetro mantenham sua validade. Os espectrômetros permitem a análise do metal durante todo o ciclo de vida do metal, desde a produção do metal até o processamento, bem como no final de sua vida útil em plantas de reciclagem.