Espectrômetros Avançados para Análise Elementar Precisa em Metais de Fundição

Analisando a composição e grau de metal de fundição

Análise espectroquímica é um tipo de análise química usada para determinar o arranjo de átomos e elétrons dentro de moléculas de compostos químicos. Observa a quantidade de energia absorvida durante mudanças em movimento ou estrutura. O comprimento de onda e intensidade de radiação eletromagnética é medido para produzir resultados quantificáveis que são principalmente usados para avaliação de qualidade.

Espectroscopia e o espectrômetro

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

Espectroscopia

Espectroscopia é o estudo da interação entre energia radiada e um material de amostra. Esta interação produz ondas eletromagnéticas na forma de luz visível, tipicamente vistas como faíscas. A espectroscopia foi introduzida no século 17 quando Sir Isaac Newton descobriu que luz branca poderia ser separada em cores componentes usando um prisma, e estes componentes poderiam ser recombinados para formar luz branca. Ele percebeu que o prisma não é o que cria as cores, mas sim trabalha para separar cores componentes da luz branca. No início dos anos 1800, Joseph von Fraunhofer realizou experimentos que evoluíram a espectroscopia para uma técnica científica mais precisa e quantitativa. No entanto, foi apenas no século 19 que a medição quantitativa de luz dispersa foi padronizada e reconhecida como um método confiável 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. Espectrômetros são integrais à análise química e física de partículas. Existem dois tipos de espectrômetros: ópticos e de massa.

Espectrômetro óptico

Um espectrômetro óptico, ou simplesmente "espectrômetro", é capaz de separar luz branca e medir bandas individuais estreitas de cor (espectro). Mostra a intensidade da luz como função de comprimento de onda ou frequência e a deflexão é criada por refração em um prisma, ou por difração em uma grade de difração. 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. Alcança isso medindo a razão massa-carga e abundância de íons em fase gasosa. Espectrômetros de massa são usados nos campos de ciência farmacêutica, biotecnologia e geologia.

Por que a espectrometria é necessária?

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 em análise de materiais para várias indústrias. Ciência e tecnologia sempre confiaram na espectrometria — de estudos iniciais a tecnologias avançadas que alimentam a pesquisa moderna.

Espectroscopia de radiofrequência levou à ressonância magnética (MRI), um instrumento médico revolucionário usado para visualizar tecidos moles internos do corpo. Espectroscopia de rádio e raio-X pavimentou o caminho para pesquisa astronômica em estrelas distantes e moléculas interestelares. Espectroscopia óptica é rotineiramente usada em ambientes industriais e ambientais para identificar composição química de matéria. Sem esta aplicação em espectrometria, o método rápido e eficaz de identificação de ligas e inspeção de materiais de hoje não existiria.

Espectroscopia de emissão óptica

Espectroscopia de emissão óptica (OES) é uma forma comum de espectroscopia usada para determinar componentes elementares em amostras de metal sólido. É amplamente usada 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 em OES podem ser do banho em produção primária e secundária de metal, ou metais processados como barras, chapas, fios e parafusos.

Como funciona a espectroscopia de emissão óptica?

OES fornece análise quantitativa usando três componentes-chave: uma fonte elétrica, um sistema óptico e um sistema computacional.

1) Fonte elétrica

Uma fonte elétrica é necessária para excitar 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 da amostra. Esta descarga elétrica faz com que o metal da amostra aqueça e vaporize na superfície.

Durante este processo, os átomos ativados produzem linhas de emissão que são distintas para cada elemento. Dois tipos de descargas elétricas existem: um arco elétrico ou faísca. Um arco elétrico produz uma descarga elétrica contínua, muito parecida com um raio. Uma faísca elétrica é mais uma descarga elétrica abrupta — uma breve emissão de luz frequentemente acompanhada por um som estalado agudo.

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 trabalha para separar a luz incidente em comprimentos de onda específicos de elementos. 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 no metal da amostra sendo testado. Como cada elemento emite um conjunto específico de comprimentos de onda baseado em sua estrutura eletrônica, a composição elementar pode ser determinada observando estes comprimentos de onda.

3) Sistema computacional

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

OES é amigável ao usuário e amplamente aceito na indústria de fabricação de metal. Embora um instrumento popular, ainda vem com algumas limitações incluindo dano superficial menor ao material da amostra e a necessidade de manutenção constante.

ESPECTROSCOPIA DE EMISSÃO ÓPTICA	Vantagens	Desvantagens
Determinação quantitativa rápida de elementos (tipicamente menos de um minuto).		Não completamente "não destrutivo" (pequeno dano superficial pode ser esperado).
Baixo investimento de capital e custos operacionais.		Não pode testar peças pequenas (menores que uma moeda de 10 centavos).
Preparação de amostra fácil.		Difícil testar em espaços confinados.
Análise rápida de carbono, nitrogênio, oxigênio, fósforo e enxofre em aço.		Requer calibração e manutenção constantes.
Calcula teor de carbono (%) de aços inoxidáveis ou ligas de baixo teor.		Certificação rotineira de terceiros dos resultados pode ser necessária.
Distingue entre aços inoxidáveis 304/316 e 304L/316L.
Fornece dados de entrada para cálculo de equivalência de carbono.

Espectrômetros em fundições

Espectroscopia de emissão óptica pode ser empregada em uma gama de materiais de puros a ligas metálicas. Fundições, bem como indústrias de aviação, automotiva e eletrodomésticos, beneficiam-se de espectrômetros para controle de processo e qualidade.

Espectrômetros são frequentemente o instrumento de escolha para análise de metal de fundição pois requerem apenas intervenção mínima de operadores de fundição quando usados para inspeção, controle de qualidade e identificação de ligas. Versões estacionárias e portáteis existem, ambas com alto nível de precisão. Calibração e manutenção rotineiras são necessárias, e certificação de terceiros dos resultados são frequentemente necessárias para que resultados de espectrômetros mantenham sua validade. Espectrômetros permitem análise de metal ao longo do ciclo de vida do metal desde produção até processamento, bem como no fim de sua vida útil em plantas de reciclagem.