O desenvolvimento e uso de metais e seus materiais compósitos muitas vezes exigem controle preciso e determinação precisa do seu teor de carbono e enxofre.
O carbono em materiais metálicos existe principalmente na forma de carbono livre, carbono em solução sólida, carbono composto, carbono gasoso, carburação de proteção de superfície e carbono orgânico revestido.
Atualmente, os métodos de análise do teor de carbono em metais incluem combustão, espectrometria de emissão, volumétrica de gases, titulação não aquosa, absorção infravermelha e cromatografia, entre outros.
No entanto, cada método de medição tem um escopo de aplicação limitado e os resultados da medição podem ser afetados por vários fatores, como a forma do carbono, se ele pode ser completamente liberado durante a oxidação e o valor do branco. Assim, o mesmo método pode produzir diferentes níveis de precisão em diferentes situações.
Este artigo resume os métodos atuais de análise, preparação de amostras, instrumentos e campos de aplicação para análise de carbono em metais.
1. Método de absorção infravermelha
O método de absorção infravermelha de combustão, que se baseia no método de absorção infravermelha, é um método especializado para a análise quantitativa de carbono (e enxofre).
O princípio por trás deste método envolve queimar a amostra em uma corrente de oxigênio para produzir CO2.
A uma pressão específica, a energia absorvida pelo CO2 dos raios infravermelhos é proporcional à sua concentração.
Portanto, o teor de carbono pode ser calculado medindo a mudança na energia antes e depois do gás CO2 passar pelo absorvedor infravermelho.
Princípio do método de absorção infravermelha de combustão
Nos últimos anos, a tecnologia de análise de gases infravermelhos avançou rapidamente, levando ao rápido surgimento de vários instrumentos analíticos baseados nos princípios de aquecimento por indução de alta frequência, combustão e absorção do espectro infravermelho.
Ao determinar o teor de carbono e enxofre usando o método de absorção infravermelha de combustão de alta frequência, os seguintes fatores geralmente devem ser levados em consideração: secura da amostra, sensibilidade eletromagnética, tamanho geométrico, tamanho da amostra, tipo de fluxo, proporção, ordem de adição, quantidade de adição, configurações de valor em branco, etc.
Este método tem a vantagem de fornecer quantificação precisa com interferência mínima.
É adequado para usuários que colocam grande ênfase na precisão do teor de carbono e têm tempo suficiente para testes durante a produção.
2. Espectroscopia de emissão
Quando um elemento é energizado por calor ou eletricidade, ele transita do seu estado fundamental para um estado excitado, que então retornará espontaneamente ao estado fundamental.
Durante o processo de retorno do estado excitado para o estado fundamental, cada elemento libera seu espectro característico, e seu conteúdo pode ser determinado com base na intensidade deste espectro.
Princípio do Espectrômetro de Emissão
Na indústria metalúrgica, onde as demandas de produção são altas, é necessário analisar rapidamente o conteúdo de todos os principais elementos na água do forno, e não apenas o carbono.
Os espectrômetros de emissão de leitura direta Spark tornaram-se a escolha preferida nesta indústria devido à sua capacidade de fornecer resultados rápidos e estáveis.
No entanto, este método possui requisitos específicos para preparação de amostras.
Por exemplo, ao analisar amostras de ferro fundido por espectroscopia de faísca, é necessário que o carbono na superfície da amostra esteja na forma de carbonetos e isento de grafite, caso contrário, os resultados da análise poderão ser afetados.
Alguns usuários aproveitam as propriedades de resfriamento rápido e branqueamento de fatias finas para determinar o teor de carbono em peças fundidas por espectroscopia de faísca, após transformar as amostras em fatias.
Ao usar espectroscopia de faísca para analisar amostras de fio de aço carbono, as amostras devem ser processadas rigorosamente e colocadas “verticais” ou “planas” na mesa de faísca para análise usando um pequeno dispositivo de análise de amostra, a fim de melhorar a precisão da análise .
3. Método de raios X dispersivos de comprimento de onda
O analisador dispersivo de raios X de comprimento de onda pode determinar rápida e simultaneamente o conteúdo de vários elementos.
Princípio do espectrômetro de fluorescência de raios X dispersivo de comprimento de onda
O espectrômetro de fluorescência de raios X dispersivo de comprimento de onda (WDXRF) utiliza excitação de raios X para fazer com que os elétrons internos dos átomos do elemento façam a transição no nível de energia e emitam raios X secundários, também conhecidos como fluorescência de raios X.
O espectrômetro divide a luz usando um cristal e o detector detecta o sinal característico de raios X difratado.
Ao sincronizar e alterar continuamente o ângulo de difração do cristal espectroscópico e do controlador, o comprimento de onda característico dos raios X e a intensidade de cada raio X de comprimento de onda produzido por vários elementos na amostra podem ser obtidos para análise qualitativa e quantitativa.
Produzido pela primeira vez na década de 1950, o WDXRF tem sido amplamente utilizado no departamento de geologia devido à sua capacidade de determinar simultaneamente vários componentes em sistemas complexos, levando a uma maior velocidade de análise.
No entanto, o baixo rendimento de fluorescência do elemento leve carbono e a significativa absorção e atenuação de sua radiação característica por materiais de matriz pesada, como o aço, apresentam desafios na análise XRF do carbono.
Medições repetidas da superfície do solo também podem resultar no aumento dos valores do teor de carbono. Como resultado, este método não é tão amplamente utilizado como os dois métodos anteriores mencionados.
4. Método de titulação não aquoso
O método de titulação não aquoso é um método de titulação que utiliza um solvente não aquoso. Este método permite a titulação de ácidos e bases fracas que não podem ser titulados em solução aquosa, selecionando um solvente apropriado para aumentar sua acidez ou alcalinidade.
Por exemplo, o ácido carbônico fracamente ácido gerado pelo CO2 na água pode ser titulado com precisão usando diferentes reagentes orgânicos.
O método de titulação não aquoso comumente usado inclui as seguintes etapas:
- A amostra é queimada em alta temperatura em um forno elétrico a arco equipado com analisador de carbono e enxofre.
- O gás dióxido de carbono emitido pela combustão é absorvido pela solução de etanol-etanolamina e reage com a etanolamina para formar um ácido 2-hidroxietilamina carboxílico relativamente estável.
- KOH é usado para titulação não aquosa.
Este método é tóxico, a exposição a longo prazo pode afetar a saúde humana e é difícil de operar, principalmente quando o teor de carbono é alto e a solução deve ser predefinida. Qualquer descuido pode causar resultados baixos devido ao escape de carbono.
Além disso, os reagentes utilizados no método de titulação não aquoso são, em sua maioria, produtos inflamáveis, e operações de aquecimento em alta temperatura estão envolvidas no experimento, portanto, os operadores devem ter uma forte consciência de segurança.
5. Cromatografia
O detector de atomização por chama é usado em conjunto com a cromatografia gasosa para aquecer a amostra em hidrogênio e então detectar os gases emitidos, como CH4 e CO, usando o detector de atomização por chama-cromatografia gasosa.
Este método é ideal para aqueles que têm um teor de carbono extremamente baixo e altos requisitos para os resultados dos testes. Por exemplo, alguns usuários usaram este método para testar vestígios de carbono em ferro de alta pureza, com um teor de 4 µg/g e um tempo de análise de 50 minutos.
6. Métodos eletroquímicos
Alguns usuários introduziram o uso de análise potenciométrica para determinar baixo teor de carbono em ligas.
Depois que a amostra de ferro é oxidada em um forno de indução, uma célula de concentração eletroquímica baseada em eletrólito sólido de carbonato de potássio é usada para analisar e determinar o produto gasoso para determinar a concentração de carbono.
Este método é especialmente adequado para a determinação de concentrações muito baixas de carbono. A precisão e a sensibilidade da análise podem ser controladas ajustando a composição do gás de referência e a taxa de oxidação da amostra.
No entanto, este método tem aplicações práticas limitadas e permanece principalmente na fase de pesquisa experimental.
7. Método de análise online
Ao refinar aço, muitas vezes é necessário monitorar o teor de carbono do aço fundido em tempo real em um forno a vácuo.
Alguns estudiosos da indústria metalúrgica introduziram métodos de utilização de informações sobre gases residuais para estimar a concentração de carbono.
Usando o consumo e a concentração de oxigênio durante o processo de descarbonetação a vácuo, juntamente com as taxas de fluxo de oxigênio e argônio, eles estimam o teor de carbono no aço fundido.
Além disso, alguns usuários desenvolveram métodos e instrumentos para determinação rápida de vestígios de carbono em aço fundido. Ao soprar um gás de arraste no aço fundido, eles estimam o teor de carbono medindo o carbono oxidado no gás de arraste.
Esses métodos de análise on-line são úteis para gerenciamento de qualidade e controle de desempenho no processo de produção de aço.
