Introdução
As usinas de aço observam a diminuição do teor de carbono durante todo o processo de produção do aço, de ferro bruto com até 4–5% de carbono a alguns ppm no aço inoxidável. O teor de carbono influencia não apenas a textura, mas também as propriedades materiais do ferro, como magnetismo, dureza ou elasticidade. Por exemplo, o ferro fundido (2–4 % C) é frágil, mas castável; o aço de ferramentas (0,4–1,7 % C) é elástico e ductil, o aço de carbono (0,4 % C) é forjável e usável para chapas, tubos e barras de aço (1).
Os elementos carbono podem estar presentes em diferentes formas em uma matriz de ferro, ligados a outros elementos como carbono, dissolvidos na matriz de ferro ou como carbono elementar (2).
Medição de concentrações de carbono e enxofre
É por isso que o carbono ou sulfato de sulfato é importante para determinar o conteúdo de carbono e sulfato de forma muito rápida e eficiente. Os métodos diferentes são aplicados para medir as concentrações de C/S no aço, em produtos à base de ferro, ou em produtos de fundição típicos, como o ferrocromo. Entre eles estão técnicas de fluxo multielementos como espectrometria e análise especializada de carbono/sulfato.
Quando as técnicas de múltiplos elementos são utilizadas, tais como as longitudes de onda emitidas dos átomos excitados baixos dependem de sua natureza química e são diferentes para cada elemento analógico e excitam os átomos removidos.
Por conseguinte, esta excitação causa emissões ópticas limitadas de molde de sulfato que podem ser medidas simultaneamente por um sistema óptico, mas também por outras concentrações de elementos, como os disoxídeos de carbono ou de manganês com detecção de CCD.
Analisadores modernos de combustão
Em contraste com todos esses detalhes desatualizados, os modernos analisadores de combustão utilizam um forno de indução controlável de potência com gestão de lança inteligente, uma armadilha de poeira aquecida e um catalisador integrado. Um analisador como o ELEMENTRAC CS-i da ELTRA requer apenas um tempo de análise nominal de 40 segundos para medir tanto o carbono quanto o enxofre.
Para uma análise elementar confiável e rápida, o CS-i utiliza um forno de indução controlável de potência com gestão de lança inteligente, uma armadilha de poeira aquecida e um catalisador integrado.
Preparo de Amostras
A preparação de amostras deve ser feita de carbono sulfuroso ou de carbono sulfuroso, porque o processo de preparação de amostras de carbono sulfuroso ou de carbono sulfuroso durante a análise de combustão pode incluir diferentes processos, tais como a preparação de uma amostra a partir de um órgão fundido líquido, a redução do tamanho de uma amostra grande (por exemplo, uma barra de ferro), ou a limpeza de uma amostra sólida imediatamente antes da análise (por exemplo, lavagem com acetona).
O processo de preparação de amostras preferido a partir de ferro líquido ou de aço é descrito na norma DIN EN ISO 14284:2002 ou na norma similar ASTM E1806. A preparação de amostras de uma amostra fundida depende da base de ferro a ser analisada (por exemplo, ferro fundido, ferro fundido, aço, etc.
outros pinos de amostragem para análise
para drins
na norma ASTM 180-09).
O processo de combustão
O forno de indução requer aceleradores metálicos como cobre, tungstênio, ou uma mistura de tungstênio e estanho, para garantir a combustão suave e a liberação completa do carbono e do enxofre ligados.
O processo de combustão é iniciado movendo o forno de cerâmica com a mistura de amostra/acelerador baixa na bobina de indução e iniciando o forno com aceleradores metálicos como cobre, tungstênio, ou uma mistura de tungstênio e estanho, para assegurar a combustão suave e a liberação completa dos elétrons livres do acelerador e, desta forma, a mistura de combustão se aquece até 2100 °C e se funde.
Devido à forte corrente de oxigênio na bobina de indução (por ex.
A temperatura resultante na corrente é influenciada pela composição química completa, pela quantidade de acelerador e pela amostra, bem como pela intensidade do processo de oxidação. Mas é possível influenciar a temperatura de combustão melhorando a precisão, principalmente reduzindo a potência aplicada no forno de indução (por exemplo, 2.000°C). Para este efeito, o ELEMENT CSRAC-i utiliza um controlador de ângulo de fase. Além disso, as amostras de baixa fusão, como o cobre ou a magnesia, são analisadas com mais precisão a temperaturas reduzidas. Esta precisão é obtida reduzindo a potência aplicada no forno de indução.
Armadilha de poeira aquecida e gestão de poeira
Esta combustão de amostras metálicas gera poeira fina que pode afetar a medição de concentrações de carbono e de enxofre nas células infravermelhas. Para evitar depósitos de poeira no interior do analisador, o ELEMENTRAC CS-i utiliza um filtro metálico pequeno em malha que está localizado diretamente atrás do forno de indução.
Este filtro, disposto em uma carcaça aquecida, evita qualquer condensação de traços de água que possa resultar na medição de concentrações de enxofre muito baixas. O vapor de água se condensaria no filtro metálico e o gás de combustão absorvesse completamente o dióxido de enxofre. O ácido sulfúrico formado não estaria mais disponível para determinação nas células infravermelhas.
Catalisador
Durante o processo de combustão, o dióxido de carbono e o dióxido de enxofre são os principais produtos de reação formados. Uma quantidade muito pequena de monóxido de carbono é formada em cada forno de indução.
O monóxido de carbono não seria detectado em células infravermelhas de dióxido de carbono padrão e sem um processo de oxidação adicional a determinação do carbono mostraria resultados menores do que o esperado.
Para a conversão de monóxido de carbono em dióxido de carbono, também são utilizados produtos químicos diferentes, como o óxido de cobre ou as substâncias ativas catalíticas como o platina, garantindo a máxima segurança para a análise do carbono. Isto garante não apenas uma oxidação segura e confiável, mas também preços razoáveis de compra.
Detecção
Enquanto um analisador de células EL com uma célula de condutividade térmica aumentada pode ocorrer, como descrito na ASTM E 1019-11, pode determinar apenas o carbono por meio de um elemento de infra-voltagem, o ELEMENTRAC CS-i usa até 4 células infra-vermelhas para assegurar uma análise simultânea segura de carbono e de enxofre simultânea em um amplo intervalo de concentração. Em contraste com uma célula de condutividade térmica prolongada, as células IR são elementos seletivos, o que significa que a ligação química nas referidas moléculas com uma concentração de halóxido curta, por exemplo, não é influenciada pela determinação de uma concentração de dano, resultando em uma redução de tipo de moléculas, quando a radiação IR é alterada de acordo com a quantidade molecular integrada.
Calibração
Em contraste com técnicas de medição clássicas, como gravimetria ou medição de volume de gás, os analisadores de combustão, como o ELEMENTRAC CS-i, exigem um processo de calibração para medir as concentrações corretas de elementos. Como os métodos espectrométricos, a análise de combustão é um método de medição relativa, o que significa que a área de pico de uma medição de carbono ou enxofre deve ser correlacionada com uma concentração de elementos. Devido à combustão indutiva de amostras que garante uma liberação completa do carbono e do enxofre, os analisadores de C/S podem ser calibrados com materiais de referência certificados (CRM) ou com substâncias primárias como CaCO3 ou BaSO4 (Tabela 2).
Conclusão
A medição de concentrações de carbono e enxofre com o ELEMENTRAC CS-i é feita de forma rápida e fácil: a ponderação da amostra, a aplicação do acelerador e o registo da amostra no software são tudo o que é necessário. Com estes poucos passos de trabalho, medições precisas e robustas de carbono e enxofre são possíveis para uma variedade de amostras e matrizes, o que é ilustrado pelos seguintes dados de medição.
Referências
(1) Hollemann Wiberg, Inorganic Chemistry, 33nd edition, 1993, p 1133ff
(2) Handbuch für das Eisenhüttenlaboratorium; 2nd edition, 2013; Part (1) classic method ; Volume (2): Analysis of metals
(3) ASTM E 1806-09; page 13
(4) Handbuch für das Eisenhüttenlaboratorium; 2nd edition, 1998; Part (2) new method ; Volume (2): Analysis of metals
(5) ASTM E 1941-10; page 2, Note 7
Dados de medição do ELEMENTRAC CS-i
Amostras de aço
As amostras de aço podem ser analisadas com um peso da amostra de 500 ou 1000 mg e com 1,5 g de tungstênio como acelerador:
Material de referência: ECISS EURONORM - ZRM 079-2 Aço de usinagem(*)
(*) valor certificado:
C: 0,596 % ± 0,006
S: 0,192 % ± 0,006
Material de referência: Alpha Resources AR 875 (LOT 1216F) Anéis de aço (*)
(*) valor certificado:
C: 0,799% ±0,017
S: 0,0125% ±0,0034
Material de referência: EURONORM - CRM 281-1 Aço altamente ligado(*)
(*) valor certificado:
C: 0,048 % ± 0,002
S: 0,016 % ± 0,001
Ferro fundido
As amostras de aço podem ser analisadas com um peso da amostra de 500 mg e com 1,5 g de tungstênio e 0,7 g de ferro de alta pureza como acelerador:
Material de referência: ELTRA ferro fundido 92400-3100 (LOT1014C) (*)
(*) valor certificado:
C: 4,20% ±0,06 (1,42%)
S: 0,023% ±0,002 (8,69%)
Ferro puro
As amostras de ferro podem ser analisadas com um peso da amostra de 500 ou 1000 mg e com 1,5 g de tungstênio como acelerador. Para a melhor precisão, recomenda-se o uso de um forno de purificação de gás portador.
Material de referência: ELTRA 88600-0013 (LOT 716C) (*)
(*) valor certificado:
C: 6 ppm ± 4 ppm
S: 11 ppm ± 4 ppm
Ferro de cromo
As amostras de Ferro Cromo podem ser analisadas com um peso da amostra de aproximadamente 150 mg e com 1,5 g de tungstênio e 0,7 g de ferro de alta pureza como acelerador.
Material de referência: Euronorm 585-2 (*)
(*) valor certificado:
C. 5.488% ±0,02 (0,4%)
S: 0,032% ±0,0012 (3,75%)
Dados Técnicos
* dependendo da configuração; pode ser adaptado a outros intervalos de trabalho; limite de detecção medido com análise de dose de gás e medição em branco; valores diferentes de acordo com a aplicação escolhida são possíveis.