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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA APLICACIÓN DE ESPECTROSCOPÍA DE RUPTURA INDUCIDA POR LÁSER (LIBS) PARA EL ANÁLISIS DE LA COMPOSICIÓN ELEMENTAL DE LA CHATARRA USADA EN LA FUNDICIÓN DE ALUMINIO PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO GABRIELA FERNANDA TUFIÑO ZÚÑIGA [email protected] DIRECTOR: Dr. César Costa Vera [email protected] Quito, octubre 2010
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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
APLICACIÓN DE ESPECTROSCOPÍA DE RUPTURA INDUCIDA POR LÁSER (LIBS) PARA EL ANÁLISIS DE LA
COMPOSICIÓN ELEMENTAL DE LA CHATARRA USADA EN LA FUNDICIÓN DE ALUMINIO
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENI ERO MECÁNICO
GABRIELA FERNANDA TUFIÑO ZÚÑIGA
DIRECTOR: Dr. César Costa Vera
Quito, octubre 2010
DECLARACIÓN
Yo, Gabriela Fernanda Tufiño Zúñiga, declaro bajo juramento que el presente
trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido presentado para ningún
grado o calificación profesional; y, que he consultado todas las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Escuela Politécnica Nacional puede hacer uso de los derechos intelectuales
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad
Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad vigente.
Gabriela Fernanda Tufiño Zúñiga
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Gabriela Fernanda
Tufiño Zúñiga, bajo mi supervisión.
______________________________
Dr. César Costa Vera
DIRECTOR DEL PROYECTO
______________________________
Ing. Fausto Oviedo
COLABORADOR
4
AGRADECIMIENTOS
Al Departamento de Física de la Escuela Politécnica Nacional, tanto profesores
como estudiantes, por brindarme todo el apoyo necesario para la realización de
este trabajo, no solo con material de apoyo científico y conocimientos, sino
también con su amistad y confianza.
Al Laboratorio de Fundición de la Facultad de Ingeniería Mecánica por la
facilidad prestada para la utilización de sus equipos, además de su personal sin
el cual no se hubiera podido realizar esta investigación y en especial al Ing.
Fausto Oviedo por su apoyo.
Al Grupo de Biofísica y Modelización Molecular por colaboración y amistad
incondicional desarrollada durante la realización de éste trabajo.
Al Instituto Nacional de Patrimonio Cultural por la colaboración brindada.
A la University of Uppsala y al International Program for the Physical Sciences,
Uppsala, Suecia y a la Fundación Alexander von Humbolt, Bonn, Alemania por
el financiamiento del equipo LIBS para la Escuela Politécnica Nacional.
A mis queridos ASV, que siempre fueron motivo de orgullo.
Al Dr. César Costa por brindarme amistad, compañerismo y sobre todo
paciencia, al involucrarme en este mundo de la Física, desconocido hasta el
inicio de esta investigación.
Y un agradecimiento a mis hermanas y sobre todo mis padres por ser la guía
de mi vida.
5
DEDICATORIA
A mis padres Isolina Zúñiga y Julio Tufiño.
6
ÍNDICE
ÍNDICE…………………………………………………………………………….……I
INDICE DE TABLAS …………………………………………………………………III
INDICE DE FIGURAS…………………………………………………………..……VI
PRESENTACIÓN……………………………………………………………………VIII
RESUMEN…………………………………………………………………….…….. IX
CAPITULO 1. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO………………..…………………...1
1.1 INTRODUCCIÓN………………………………………………………………..1
1.2 TEMA DEL PROYECTO……………………………………………..…….…...3
1.3 OBJETIVO DEL PROYECTO………………………………………..………....5
1.3.1 OBJETIVO GENERAL…………………………………………...……....5
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS……………………………………...….…...5
CAPITULO 2. ESPECTROSCOPÍA DE RUPCTURA INDUCIDA POR LÁSER…....7
2.1 FUNCIONAMIENTO DE LIBS Y CARACTERÍSTICAS……………….……..7
2.2 CONCEPTOS GENERALES………………………………………….………..10
2.2.1 ESPECTROSCOPÍA DE RUPTURA INDUCIDA POR LÁSER LIBS…...11
2.2.1.1 El láser….…………………………….………………………….……..12
2.2.1.2 Plasma generado en LIBS………………………………….…………..14
2.2.2 APLICACIONES………………………………………………………..….15
2.2.3 VENTAJAS……………………………………………………………..…..16
2.2.4 DESVENTAJAS……………………………………………………...…….17
CAPITULO 3. ALUMINIO, PROPIEDADES Y SU FUNDICIÓN…………………..18
3.1 ALUMINIO Y SUS PROPIEDADES……………………………………..…....18
3.2 ALEACIONES DE ALUMINIO…………………………………………..…....18
3.2.1 ALEACIONES DE ALUMINIO FORJADO……………………………....19
7
3.2.1.1 Aleaciones no trabables térmicamente……………………………….....19
3.2.1.2 Aleaciones de aluminio forjado con tratamiento térmico………..……..20
3.2.2 ALEACIONES DE ALUMINIO PARA FUNDICIÓN…………………....20
3.3 FUNDICIÓN DEL ALUMINIO…………………………………………...…...21
3.3.1 MÉTODOS DE FUNDICIÓN……………………………………………...22
3.3.1.1 Fundición en coquilla…………………………………………….……..22
1.1.1.1 Fundición en cera perdida………………………………………..……..23
3.3.1.2 Fundición en arena…………………………………………..…….……23
3.3.1.3 Fundición en arena con modelo gasificable…………………....……….23
3.4 APLICACIÓN DEL ALUMINIO Y SU CHATARRA…………………..….24
3.5 DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE FUNDICIÓN
DE ALUMINIO…………………….………………………………………..25
CAPITULO 4. MÉTODO EXPERIMENTAL…………………………………….…...28
4.1 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO LIBS………………………………………..…28
4.1.1 INTRODUCCIÓN………………………….………………………………28
4.1.2 MÓDULO DE CONTROL…………………………………………………29
4.1.3 LÁSER………………………………………………………………….…..30
4.1.4 Q-SWITCH………………………………………………………………....31
4.1.5 MÓDULO DE ESPECTRÓMETROS……………………………………...31
4.1.6 CABLES DE FIBRA ÓPTICA………………………………………..……32
4.1.7 MÓDULO DE MUESTRAS………………………………………….…….32
4.1.8 LENTES…………………………………………………………………….33
4.1.9 SOFTWARE DE ADQUISICIÓN DE DATOS Y ANÁLISIS: OOLIBS……………………………………………………………………...…...33
8
4.2 IDENTIFICIACIÓN CUALITATIVA DE ELEMENTOS EN EL METAL CON LIBS………………………………………………………………………………...34
4.2.1 CLASIFICACIÓN DE MUESTRAS……………………………….……..34
4.3 CARACTERIZACIÓN ELEMENTAL DE LAS MUESTRAS DE CHATARRA………………………………………………………………………..35
4.4 FUNDICIÓN DE MATERIAL Y POSTERIOR ANÁLISIS……………….…38
4.4.1 MUESTRAS ANALIZADAS……………………………………………..39
4.4.1.1 Latas de cerveza…………………………………………………..…….39
4.4.1.2 Perfiles de ventanas………………………………………………..……41
4.4.1.3 Carcasas de disco duro……………………………………...…………..42
4.4.1.4 Planchas corrugadas………………………………………………...…..43
4.5 FUNDICIÓN DE MUESTRAS……………………………………………..…..43
4.6 ANÁLISIS CON LIBS DEL METAL FUNDIDO…………………………...…44
4.7 ALEACIONES……………………………………………………………...…..46
4.8 ANÁLIS DE ALEACIONES CON LIBS……………………………………....49
4.8.1 ALEACIONES DOBLES…………………………………………….…….49
4.8.2 ALEACIONES TRIPLES…………………………………………………..50
4.8.3 ALEACIONES CUÁDRUPLES…………………………………...………52
4.8.4 ALEACIÓN QUÍNTUPLE……………………………………….………...53
4.9 ANÁLISIS DE CLÚSTERS………………………………………….…………54
4.10 DIFRACCIÓN DE RAYOS X………………………………………………...55
4.11 ESPECTROSCOPÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA………………………....57
CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……………………….59
5.1 CONCLUSIONES……………………………………………………………....59
5.2 RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO……………………………...62
CAPÍTULO 6. REFERENCIAS…………………………………………………..……64
9
ANEXOS……………………………………………………………………………….69
PICOS CARACTERÍSTICOS ENCONTRADOS CON LIBS………………….……..70
ESPECTROS ALEACIONES DOBLES …………………………………………..….73
ESPECTROS DE ALEACIONES TRIPLES…………………………………………..76
ESPECTROS DE ALEACIONES CUADRUPLES……… …………………………79
ANALISIS DE MUESTRA DE LATAS DE CERVEZA CON DIFRACCIÓN DE RAYOS X………………………………………………………………………………81
ANÁLISIS DE MUESTRAS DE LATAS DE CERVEZA CON ESPECTROMETRÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA………………………………………………………...84
CHATARRA DE ALUMINIO ……………..…………………………………………87
MUESTRAS DE DE CHATARRA DEL METAL FUNDIDO………………………89
EQUIPO UTILIZADO PARA ESTA INVESTIGACIÓN……………………….……91
10
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Elementos encontrados con LIBS, en todas las aleaciones………………...…37
Tabla 2. Elementos comunes encontrados en la chatarra de aluminio y la altura de sus
picos antes y después de la fundición………………………………………………..…45
Tabla 3. Aleaciones realizadas para comparación espectral…………………………....48
11
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Esquema del equipo LIBS de la EPN……………………………………....10
Figura 2.2 Esquema de la evolución temporal de un plasma LIBS……………………15
Figura 4.1 Esquema de láser de estado sólido Nd:YAG……………………………….30
Figura 4.2 Espectro de chatarra de aluminio con background irregular………………..36
Figura 4.3 Espectro con background regular. ……………………………………..…...36
Figura 4.4 Espectro de perfil de aleación de aluminio sin recubrimiento de pintura.....38
Figura 4.5 Espectro característico de perfil de aleación de aluminio con recubrimiento de pintura……………………………………………………………………………….38
Figura 4.6 Espectro de superficie externa de lata de cerveza…………………………..39
Figura 4.7 Espectro de superficie interna de lata de cerveza…………………………..40
Figura 4. 8 Espectro de perfil con recubrimiento de pintura blanca…………………...41
Figura 4. 9 Espectro de perfil sin pintura……………………………………………....41
Figura 4. 10 Espectro de cajas de disco duro…………………………………….……42
Figura 4.11 Espectro de planchas corrugadas………………………………………….43
Figura 4.12 Espectro de perfil sin pintura antes del proceso de fundición……………..44
Figura 4.13 Espectro de perfil sin pintura fundido………………………………..……45
Figura 4.14 Espectro de aleación compuesta por latas de cerveza y perfiles con pintura…………………...……………………………………….……………………..49
Figura 4. 15 Espectro característico de aleación de zamak con perfil pintado………....50
Figura 4. 16. Espectro característico de la aleación zamak-latas-perfil con pintura…...51
Figura 4. 17 Espectro de aleación Latas-Perfil sin pintura-Planchas corrugadas…...….52
Fig. 4.18 Comparación de espectros característicos de aleaciones cuádruples………..53
Figura 4. 19 Espectro de aleación quíntuple……………………………………………53
Fig. 4.20 Dendograma. Análisis por Clúster de las 26 aleaciones realizadas……….....55
Fig. 4. 21. Equipo de Difraccion de Rayos X……………………………….………….56
12
Figura 4. 22. Picos característicos del Aluminio según la técnica de Difracción de Rayos X…………………………………………………………………………….…..57
13
PRESENTACIÓN
El aluminio en la actualidad es uno de los materiales más utilizados en la
industria por sus propiedades físicas, además su reutilización disminuye el
costo final de los productos realizados con éste material, es por ésta razón que
el análisis de este metal es de suma importancia para la ingeniería.
El LIBS es una técnica de análisis espectral, aplicable in situ, en todo tipo de
material, que no necesita preparación previa de las muestras y además es un
análisis no destructivo. El estudio de los metales o de cualquier material se lo
realizaba hasta ahora con técnicas como análisis químico, espectroscopia de
absorción atómica, difracción de rayos X, métodos cuantitativos y seguros, sin
embargo con sensibilidad limitada para ciertos elementos, además para la
aplicación de éstas técnicas se deben tener una preparación previa de las
muestras que generalmente son destructivas y que conlleva un tiempo
prolongado de análisis.
El LIBS genera un espectro característico de cada muestra analizada, siendo
como una huella digital del material, éste espectro está compuesto por picos
característicos que corresponde a los diferentes elementos químicos de los que
está constituida la muestra.
En este trabajo se implementó la técnica LIBS para el análisis cualitativo de 5
tipos de chatarra de aluminio, antes y después de su fundición, además del
estudio de 26 aleaciones realizadas con la chatarra inicial. Los resultados
obtenidos fueron clasificados mediante el análisis estadístico de clúster.
Conjuntamente se realizó el estudio de las mismas muestras con Difracción de
rayos X y por Absorción atómica para validar los resultados.
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RESUMEN
En este trabajo se presenta la aplicación del análisis elemental cualitativo por
LIBS (Laser-induced Breakdown Spectroscopy) de diferentes tipos de chatarra
de aluminio utilizados en la industria del reciclaje por fundición. La técnica LIBS
es un método eficiente de detección de elementos de traza o contaminantes en
materiales sólidos que utiliza un pulso láser focalizado sobre la superficie de
una muestra. La comparación de las especies elementales presentes en el
material antes y después del proceso de fundición es de importancia en
ingeniería pues podría permitir la determinación de propiedades de interés o la
manipulación correcta de las tasas de mezcla de los tipos de chatarra para
conseguir un producto final de acuerdo con requerimientos dados.
Se investigó las características espectrales de cinco tipos de chatarra: retazos
de perfiles, latas de cerveza, planchas corrugadas y cajas de circuitería
electrónica para identificar las diferencias de líneas espectrales antes y
después de la reconversión de la chatarra por fundición, y determinar lo
elementos presentes en ellos así como la presencia de posibles contaminantes.
Para el proceso de reconversión de la chatarra se utilizó un horno de fundición
a gas en donde se fundió el metal para luego ser colado en moldes realizados
en arena, que es el método de moldeo mas aplicado en la industria local de
reciclaje. Inicialmente se fundió cada tipo de chatarra por separado y luego se
realizó 26 mezclas con los cinco tipos de chatarra para tener las aleaciones
correspondientes: aleaciones dobles (10 aleaciones), triples (10 aleaciones),
cuádruples (5 aleaciones) y quíntuple (1 aleación). Adicionalmente, se utilizó la
herramienta estadística del análisis de clústeres para clasificar las aleaciones
15
según una medida de cercanía usando los vectores espectrales. Este trabajo
permitió agrupar a las aleaciones en siete grupos básicos determinados por los
diferentes elementos que poseen cada muestra. Se avanza la hipótesis no
comprobada que las aleaciones de los diferentes grupos tienen propiedades
físicas similares.
Los resultados espectrales obtenidos con LIBS fueron comparados con otras
técnicas como son Difracción de Rayos X, y por Espectroscopia de Absorción
Atómica. En el primer caso no se pudo detectar elementos diferentes al
aluminio en las muestras, debido a las características del equipo usado,
mientras que el segundo confirmo los perfiles elementales obtenidos con LIBS.
Con los estudios realizados se puede concluir que LIBS es una herramienta
valiosa para hacer el control de calidad de los productos finales de
reconversión de chatarra de aluminio, determinar la calidad y el tipo de material
antes del proceso y guiar la realización de mezclas adecuadas, así como
comparar el material antes y después de la fundición.
Por otro lado, LIBS permite evaluar cualitativamente los elementos cuya
concentración relativa disminuye o aquellos que desaparecen durante el
proceso de reconversión. Finalmente, se ha demostrado que con las
herramientas estadísticas adecuadas se puede clasificar por sus perfiles de
composición elemental a materiales de diversa procedencia en términos de su
similitud en propiedades físicas y técnicas. Como una ventaja adicional, todo el
proceso de análisis introducido en este trabajo es factible de implementarse de
manera robusta, automática, online y en tiempo real. La metodología
16
introducida permitirá en el entorno industrial, disminuir el tiempo de análisis de
las muestras y determinar impurezas antes de su fundición.
Palabras claves: Chatarra de aluminio, fundición, reciclaje de aluminio, LIBS,
análisis de clústers.
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CAPITULO 1. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
1.1 INTRODUCCIÓN
La técnica de espectroscopia de ruptura inducida por laser (LIBS) utiliza un haz
láser enfocado sobre una pequeña área para producir la ablación de pequeñas
cantidades de material, y la subsecuente formación de un plasma caliente
(10000-15000K) [1],[2]. El plasma es la atomización e ionización del material de
la superficie que se produce debido a la energía absorbida del láser de alta
potencia [14]. Cuando el plasma se enfría, los iones y electrones libres se
combinan, y los átomos neutros excitados resultantes emiten radiación
característica [13]. Las llamadas líneas espectrales de cada elemento son
distinguibles en el espectro de la luz emitida. El análisis de estas líneas
permite, inicialmente identificar los elementos presentes en la superficie, aún si
estos están presentes en proporciones de traza, y en algunos casos, cuantificar
la concentración elemental [14]. En el instrumento LIBS usado en este trabajo,
la radiación es captada por un cable de fibra óptica que transmite la señal hasta
un espectrómetro que descompone la radiación del plasma mediante rejillas de
difracción [1]. El espectro así formado se envía a una PC donde un programa
de software (OOLIBS) permite analizarlo [3]. El análisis se puede hacer con un
solo disparo del láser y no requiere preparación especial de la muestra [12].
LIBS al ser una técnica rápida y no destructiva se ha convertido en una
herramienta muy utilizada en el mundo para el análisis de todo tipo de
materiales [11]. En esta investigación se la aplicará a la rápida identificación de
los elementos químicos presentes en las aleaciones de aluminio que existen
18
como chatarra en el Ecuador, la misma que se utiliza en el proceso de
reconversión de aluminio.
Subsecuentemente, se plantea la utilización del método desarrollado a:
• la rápida identificación(y eventualmente, automatización) del tipo de
chatarra que entra en una línea de clasificación previa al reciclaje,
• establecer la viabilidad de cuantificación de los diferentes componentes de
las aleaciones de aluminio y agentes externos, como impurezas y
• estudiar los efectos de los diferentes procedimientos que forman parte del
reciclaje, analizando los contenidos elementales antes y después de la
reconversión, sobre los elementos de traza presentes inicialmente. Para
esto, además del desarrollo del método espectroscópico necesario, se debe
establecer una rutina de análisis estadístico adecuado (análisis de clústeres
u otros métodos de clasificación).
El aluminio es un elemento químico metálico no ferroso [9],[16]. Posee alta
resistencia a la corrosión, es buen conductor de la electricidad, es de fácil
mecanizado y por su abundancia en la corteza terrestre, es un material
relativamente económico, posee una superficie metálica clara y fácilmente
coloreable, por estas características, es el metal más utilizado en la industria
después del acero [7],[15],[16],[19]. Una de las formas más usadas de
confección de piezas con aluminio es la fundición, y ésta es de hecho, el
método predilecto para realizar la reconversión de chatarra (en particular en
Ecuador).
La fundición es el método para fabricar elementos a partir de materia prima
metálica mediante la elevación de la temperatura del metal hasta llegar sobre
19
su punto de fusión. En este punto, el metal está en estado líquido y se lo puede
colar en moldes previamente preparados [8],[9],[15],[18]. La utilización de los
diferentes tipos de hornos se determina de acuerdo a la aleación a fundir, el
tiempo que toma para realizar la reconversión, la cantidad de metal de carga y
el costo de operación de cada horno. El horno que se utilizó para este trabajo,
utiliza gas como combustible y es de crisol móvil. La característica principal de
este horno es que el metal no entra en contacto directo con los gases de
combustión y el crisol es removido del horno para hacer el colado en los
moldes [11].
1.2 TEMA DEL PROYECTO
En esta investigación se realizó un análisis cualitativo con la técnica de
espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS) de chatarra de aluminio
destinada al reciclaje mediante fundición. Se pretende introducir una técnica de
análisis novedosa en el País, rápida (de tiempo real), de implementación en
cualquier ambiente, que permite además trabajar con materiales bastos y
contaminados, para monitorizar las composiciones químicas elementales de
piezas de chatarra. Este análisis se realiza con énfasis en la determinación de
impurezas de los materiales a lo largo de la cadena de reconversión de
chatarra de aluminio. El ánimo de este esfuerzo tecnológico es lograr una
rápida identificación del tipo de chatarra presente en la línea de carga, así
como determinar el resultado, tanto de las características de las combinaciones
de tipos y cantidades de chatarra, como de la fundición, sobre la composición
del producto final del proceso de reconversión. En el largo plazo esto permitirá,
eventualmente, implementar un método en tiempo real para reconocer y
20
clasificar de manera automática los tipos de chatarra que entra en una línea de
producción, y definir estados de mezcla inicial mejor adaptados para diferentes
fines industriales, según la calidad o composición del producto final obtenible.
Se debe indicar que un análisis cuantitativo con LIBS (que permita conocer de
manera absoluta la concentración de diferentes elementos químicos en los
materiales) es una tarea que queda para el futuro y que no se ha intentado en
este estudio. Para esto será necesario adquirir estándares certificados y hacer
un estudio sistemático de preparación de curvas de calibración con
concentraciones varias y en mezclas binarias, ternarias, cuaternarias, etc. Esto
será materia de estudios posteriores. El estudio cualitativo aquí presentado es
también de alguna forma semi-cuantitativo, pues permite comparar las
concentraciones elementales relativas para dos muestras equivalentes de
forma tal que es posible discernir si la concentración de algunos elementos ha
aumentado, disminuido o se ha mantenido a lo largo del proceso simplemente
comparando las líneas espectrales correspondientes.
Una hipótesis de nuestro trabajo es que mediante el estudio pre y post
fundición con LIBS se puede conocer con certeza los elementos químicos cuya
concentración está afectada por los procedimientos (como la fundición) del
proceso de reconversión de la chatarra. A futuro, esto permitiría
adicionalmente, conocer y, hasta predecir la composición del producto final,
con lo que la definición de la calidad del mismo podría eventualmente lograrse
en un proceso controlado y definido con premeditación. De esta forma se
esperaría contribuir a mejorar la calidad de la industria de reconversión en
21
general y a mejorar su rendimiento e impacto económico. En resumen, en este
trabajo se pretende:
• Determinar la presencia de impurezas en la chatarra original
• Investigar si los elementos químicos que componen la chatarra se
concentran, se evaporan o si en el proceso de fundición se añaden
agentes externos.
• Determinar el perfil elemental del producto final
Esto se describe más formalmente mediante los objetivos del proyecto, los
mismos que se indican a continuación
1.3 OBJETIVOS DEL PROYECTO
1.3.1 OBJETIVO GENERAL
Se plantea el uso de una herramienta espectroscópica para la caracterización
atómica elemental (LIBS) del material en diferentes etapas de un proceso de
reconversión de chatarra de aluminio por fundición, para la evaluación de la
calidad de los productos intermedios y finales y la optimización del tiempo y de
los recursos empleados en el procesamiento del material para el laboratorio de
fundición de la Escuela Politécnica Nacional.
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Validar la técnica LIBS para el análisis elemental de la composición química
de chatarra de aluminio.
• Analizar de manera semi-cuantitativa los componentes químicos
elementales, en particular impurezas, en chatarra de aluminio antes,
durante, y después del proceso de fundición.
22
• Investigar los procesos de ganancia o pérdida de elementos químicos en el
proceso de fundición
• Hacer una comparación estadística de las tasas de mezcla de los tipos de
chatarra de aluminio existente en el mercado con la composición de los
productos finales de fundición y establecer posibles parámetros de mezclas
óptimas
23
CAPITULO 2. ESPECTROSCOPIA DE RUPTURA INDUCIDA POR LÁSER (LIBS)
2.1 FUNCIONAMIENTO DE LIBS Y CARACTERÍSTICAS
ESPECTRALES
En el presente capítulo se hace una descripción del método LIBS (Laser-
induced Breakdown Spectroscopy), su funcionamiento y aplicación. Además se
discuten las ventajas y desventajas de esta técnica espectroscópica en el
análisis elemental de chatarra de aluminio.
LIBS, que en español corresponde a Espectroscopia de Ruptura (o chispa)
Inducida por Láser, es una técnica de emisión atómica utilizada para
determinar la composición elemental de muestras en estado líquido, sólido o
gaseoso [1],[12],[13].
En LIBS, se utiliza un pulso de láser de alta potencia como fuente de
excitación. Mediante una lente este pulso se concentra en un área pequeña
sobre la muestra [3]. La absorción de la energía del láser en la muestra,
produce un plasma compuesto de electrones, iones y átomos excitados
provenientes del material analizado. Cuando este material decae hacia su
estado básico, produce luz característica de los átomos que componen el
plasma [1],[26]. El análisis espectral se traduce como la descomposición
espectral de luz emitida por el plasma. Éste permite determinar la composición
elemental del material analizado, y eventualmente, la concentración de los
componentes y la estequeometría. Para muestras en estado sólido el impacto
del láser sobre la muestra desprende una pequeña cantidad de material que
puede ser tan pequeña como unos pocos picogramos, y puede llegar en
algunas aplicaciones, a los microgramos [6],[13]. Por esta razón, se puede
24
considerar a LIBS como un método no destructivo y rápido, que puede ser
utilizado a cualquier presión y temperatura ambiental [1],[2],[4]. El análisis, no
necesita preparación previa de la muestra, y esta puede, en principio, ser de
cualquier tamaño y se puede trabajar en el lugar mismo de su recolección [5],
[6],[10].
El análisis espectral tiene gran aplicación en ingeniería pues permite
caracterizar a nivel atómico la composición de materiales y eventualmente,
correlacionarla con propiedades físicas y químicas importantes desde el punto
de vista técnico, tales como las propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas
[3],[10],[32]. Así mismo, este tipo de análisis es fundamental en el control de
calidad en procesos relacionados con la minería y la industria basada en
metales, cerámicas y otros materiales [10],[14],[21].
La técnica LIBS puede estar limitada por la sensitividad o resolución de los
espectrómetros, así como el rango de las longitudes de onda que estos puede
registrar, y en algunos casos, por la potencia del láser usado [3],[12],[14].
Adicionalmente, aunque LIBS permite detectar casi todos los elementos
químicos de la tabla periódica, en algunos casos la detección de algunos se ve
comprometida por la competencia en el plasma en evolución de algunos
elementos con otros (interferencia temporal), y por el efecto matriz (efecto de la
mezcla) [10],[13]. Este último efecto, consiste en que las señales
correspondientes a un elemento particular se ven afectadas por las de otros
componentes de la muestra, esto es, por el ambiente químico en el que se
encuentra el elemento particular [10],[14].
25
Al ser el LIBS un método de interpretación de líneas espectrales, estas pueden
sufrir efectos que interfieren con su forma y ubicación, o simplemente por la
ambigüedad que se da por la presencia de picos muy cercanos
correspondientes a otros elementos. Esto puede dificultar la interpretación del
espectro. Entre los efectos principales que afectan la forma y posición de los
picos están el efecto Stark, generado por el campo eléctrico promedio del
plasma, y el efecto Doppler, provocado por el movimiento relativo de los
átomos que emiten luz [21]. Otros problemas de orden práctico están
relacionados con la densidad del plasma generado, con las fluctuaciones de
intensidad en el láser usado, y con las diferencias en el enfoque del pulso
sobre el material. Este último efecto depende del equipamiento y puede
depender del operador y puede traducirse en errores en las mediciones.
Los errores en interpretación indicados arriba, pueden minimizarse haciendo un
análisis exhaustivo de cada elemento encontrado, que incluya el número total
de picos encontrados del mismo, y otros criterios tales como la consideración
de la fuente del material, por ejemplo, para descartar elementos demasiado
extraños. Por último, se debe considerar la abundancia relativa natural de los
elementos en el entorno de la aplicación particular de la que se trate.
Otras consideraciones importantes en la aplicación de LIBS son las de
seguridad, pues existe un posible daño ocular debido a la incidencia directa del
haz debido a la alta energía del pulso del láser. Por esta razón, se recomienda
el uso de gafas de seguridad o el análisis en una cámara adecuadamente
aislada. [1],[5]
26
En la figura 2.1 se observa un esquema del equipo LIBS del Departamento de
Física de la EPN, usado en este trabajo. Aquí se puede destacar el láser
utilizado, la lente de enfoque, la fibra de colección de luz, el espectrómetro para
el análisis espectral, y la computadora para el análisis.
Figura 2.1 Esquema del equipo LIBS de la EPN. El equipo se enciende desde el módulo de control en el que se elije la intensidad del láser a utilizarse. El pulso láser se enfoca por medio de una lente adecuada sobre el material estudiado, el mismo que está en la cámara de muestras. La luz del plasma se recoge mediante siete cables de fibra óptica que transmiten la información al espectrómetro y desde allí al computador donde se analiza la información con el software OOLIBS (Ocean Optics Inc.).
2.2 CONCEPTOS GENERALES
2.2.1 ESPECTROSCOPIA DE RUPTURA INDUCIDA POR LÁSER: LIBS
El método LIBS se basa en la ablación de material con un pulso de láser de
alta energía, la misma que al ser absorbida por el material produce ablación,
esto es remoción del material desde la superficie, y posteriormente, un plasma
caliente con temperaturas de aproximadamente 10000K-15000K [1],[3].
27
En el caso del láser de Nd:YAG usado en este trabajo, el pulso disparado tiene
una duración de 10ns tiempo que se emplea en excitar a la muestra [2]. La
energía depositada calienta el punto de impacto y destruye los enlaces
químicos del material extraído con lo que se genera un plasma formado por
electrones, iones individuales y átomos neutros [1],[12],[13]. La población de
los átomos neutros crece al enfriarse el plasma debido a la recombinación de
las partículas cargadas, el cual se enfría en un tiempo de hasta algunos cientos
de microsegundos luego del pulso del láser. Los átomos neutros excitados
aparecen debido a los procesos de recombinación de los electrones y los iones
que se dan en la medida que las condiciones adecuadas de temperatura y
presión del plasma se van dando a lo largo de su evolución temporal [5],[6].
El material en el plasma se disocia en diferentes especies iónicas y atómicas
que representan la composición original del material. Así, la luz emitida genera
un espectro que incluye la información espectral de todas las especies
presentes [1],[3],[13]. La intensidad relativa de las diferentes componentes
elementales puede variar con el tiempo según la temperatura del plasma y, en
un determinado momento, no necesariamente refleja la estequiometría original
de la muestra [1],[12],[21].
La implementación práctica de LIBS requiere, por lo tanto, el uso de sistemas
de retardo y de sincronización, para la colección adecuada de la luz según los
elementos químicos que sean de interés. Los tiempos de retardo para la
adquisición de la señal pueden variar de acuerdo con esto en microsegundos,
aún para la misma muestra [22].
28
3.2.1.1 El láser
La palabra láser viene de las siglas de Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation que se traduce como Amplificación de Luz por Emisión
Estimulada de Radiación, y describe un tipo de fuente de luz de excepcionales
características físicas y de gran aplicación tecnológica y científica. La radiación
que genera el láser proviene del fenómeno de emisión estimulada o inducida,
predicho por Einstein a principios del siglo XX (pero patentada recién en 1960
por Prokofiev, Townes y Arthur Leonard Schawlow, y cuyo principio de
operación fue demostrado el 16 de mayo de 1960 por Theodore Maiman, por
primera vez en los laboratorios Hughes Research), [1],[22], que se provoca
cuando un fotón incide sobre un átomo en estado excitado, con la
particularidad de que la longitud de onda del fotón incidente es igual a la de la
transición electrónica entre el estado excitado y el estado normal del átomo lo
que provoca la emisión de más fotones con esa longitud de onda (de allí el
término “amplificación”) [3],[12],[25]. La luz láser también tiene la cualidad de
ser luz coherente y monocromática, debido a que las ondas electromagnéticas
que intervienen en el proceso tienen la misma longitud de onda, misma
frecuencia, misma orientación y además se encuentran en fase. Esta luz es
diferente a la emisión espontánea incoherente más común en otras fuentes de
luz (como la luz de un foco) [22].
Para tener un láser, se debe contar con un medio (el medio activo del láser)
que emite la radiación estimulada, además se debe tener una cavidad
resonante en la que el grupo de fotones emitidos están encerrados, rebotando
entre dos espejos de alta reflectividad, lo cual amplifica la radiación emitida.
Este proceso de acumulación que se da entre los espejos permite tener
finalmente un haz altamente colimado a la salida [1],[3],[22]. Un requisito básico
29
para tener un sistema láser es la inversión de población que permite acumular
masivamente los átomos excitados en el medio láser, contrarrestando la
propensión natural de éstos, a emitir espontáneamente radiación no coherente.
La obtención por primera vez de esta inversión de población fue el paso
importante que permitió la invención del láser como lo conocemos hoy [13],[22].
Existen muchos tipos de láseres diferentes, caracterizados por la naturaleza del
medio activo utilizado, así como por los diferentes mecanismos de excitación e
inversión de población. Así por ejemplo, tenemos láser con medio activo
gaseoso, láser de semiconductores, láser de colorantes y láser de medio activo
sólido [13],[22]. En el caso del láser Nd:YAG, utilizado en este trabajo, se trata
de un láser con el medio activo sólido llamado óxido de itrio y aluminio
(Nd:Y3Al5O12) con impurezas de neodimio (una variedad de granate). En este
láser, el modo fundamental de emisión tiene una longitud de onda de 1064nm
[2],[3].
En el caso de LIBS, el láser funciona en el régimen de pulsos, los mismos que
se generan en nuestro caso, por medio del llamado Q-switch. Una descripción
más detallada de los láseres, su constitución, funcionamiento y aplicaciones
puede hallarse en “Principles of Lasers” de O. Svelto [33] o en “ Fundamentos
Físicos de la Tecnología Láser “ de J. L. Molpeceres [22], y una descripción de
su uso en LIBS en “Láser-Induced Breakdown Spectroscopy” de Radziemski L.
y Cremers D [1].
3.2.1.2 Plasma generado en LIBS
El plasma que se genera en LIBS es una mezcla de átomos, iones y electrones
libres del material, que es un conjunto eléctricamente neutro [1],[3]. El plasma
formado en LIBS es el resultado de la atomización (ablación) de una pequeña
30
parte del material de la superficie de la muestra, causado por la absorción del
pulso láser de alta intensidad (en el orden de los GW/ m2) [1],[21],[22]. Este
pulso láser es capaz de elevar la temperatura del plasma hasta 10000-15000K
[3]. Parámetros de importancia en la descripción del plasma son el tiempo de
vida, grado de ablación y nivel de ionización, para nombrar los principales. El
tiempo de vida del plasma depende de su formación y de los procesos de
decaimiento. Inmediatamente luego de formado el plasma, comienza su
enfriamiento y expansión. Es en esta etapa que los iones y electrones se
recombinan para formar elementos neutros que emiten la radiación
electromagnética de interés [3],[25],[26]. (Ver figura 2.2)
La ablación depende de las propiedades físicas y químicas del material y de las
propiedades del láser. Dentro de las propiedades que hay que tomar en cuenta
para caracterizar este aspecto, están la densidad energética del láser para la
evaporización, la longitud de onda del pulso láser y la masa del material [1],[3].
A su vez, el grado de ionización del plasma se refiere a la relación del número
de electrones con respecto al de las otras especies químicas presentes
(átomos e iones) [26]. Según el grado de ionización, se tienen dos tipos de
plasmas los débilmente ionizados (relación de electrones con respecto al de
otras especies químicas menor de 10%) y los plasmas altamente ionizados. El
plasma formado en LIBS es un plasma débilmente ionizado [1],[3].
31
Figura 2.2 Esquema de la evolución temporal de un plasma LIBS. La señal para el análisis debe ser recogida cuando el plasma se ha enfriado lo suficiente y por el tiempo necesario para el detector. Aquí, (td) y (tb) se refieren al tiempo de apertura del detector y al tiempo de recolección de la señal respectivamente.
3.2.2 APLICACIONES
La técnica de LIBS es muy versátil y tiene una amplia aplicación en varias
áreas como en las ciencias de la ingeniería, medicina, botánica, nuclear, arte, y
medio ambiente [4],[5],[6],[10],[12]. Incluso es una de las técnicas más
utilizadas por la NASA para la detección de los elementos de materiales en
lugares remotos; así, por ejemplo, las futuras misiones a Marte contarán con un
sistema LIBS para estudiar la composición elemental de las rocas en la
superficie del planeta [4]. En ingeniería se lo utiliza en análisis de materiales de
cualquier origen, además se usa para materiales metálicos, polímeros o
cerámicos, por ejemplo, y para cualquier estado de la materia [10],[12],[14].
En el área de energía nuclear se utiliza en la caracterización elemental de
materiales peligrosos que pueden ser radiactivos. Además para la
determinación de la posible contaminación radiactiva en contenedores de
almacenamiento o en entornos de difícil acceso (reactores nucleares,
recipientes a presión para el combustible, etc.) [5],[27]. En el área ambiental
tiene utilidad en el control de la contaminación en suelo, aire, agua. Finalmente,
32
en medicina, se realizan estudios forenses como la restauración de dientes y
huesos. [29],[31]
En el campo militar LIBS es aplicado en seguridad, ya que se usa para la
detección de explosivos, químicos prohibidos y agentes de guerra biológica. [5],
[14] El arte patrimonial se beneficia de esta técnica en la restauración y
conservación de pigmentos, materiales preciosos y pinturas antiguas, ya que
no destruye las muestras al hacerse el análisis [3], [6].
3.2.3 VENTAJAS
El método LIBS presenta varias ventajas en comparación con otras técnicas de
determinación de composición elemental [1]. Entre estas podemos distinguir:
• Es un procedimiento rápido, no invasivo, ni destructivo.
• Las muestras pueden estar en estado sólido, líquido o un gas.
• No requiere de preparación de la muestra y esta puede tener cualquier
forma.
• Se puede trabajar en cualquier ambiente y en todo clima.
• Se puede tener instrumentos LIBS portátiles, que puede ser utilizado en
trabajo de campo.
• Permite el análisis de materiales extremadamente duros que son difíciles
de digerir, disolver o alcanzar directamente.
• Permite el análisis prácticamente en tiempo real.
3.2.4 DESVENTAJAS
La técnica LIBS también presenta ciertas desventajas, entre las principales
tenemos:
33
• Existe una posibilidad de daño ocular en el operario, por la alta energía
del láser empleado [24].
• Los límites de detección están limitados por la intensidad del láser o por
el rango de operación del espectroscopio.[25]
• El análisis cuantitativo en LIBS está sujeto a efectos de interferencia
(incluyendo el efecto matriz) [29]
• Por lo anterior, se dificulta estandarizar adecuadamente (Por esta razón,
la técnica debe considerarse como semi-cuantitativa) [30]
34
CAPITULO 3. ALUMINIO, PROPIEDADES Y SU FUNDICIÓN.
En este capítulo describimos las propiedades del aluminio, los tipos de
aleaciones y sus constituyentes típicos. Además, se describirán brevemente los
métodos de fundición y moldeo, como también los diferentes tipos de
materiales para la construcción de modelos de piezas con aleaciones de
aluminio.
3.1 ALUMINIO Y SUS PROPIEDADES
El aluminio es un metal no ferroso ligero. Se obtiene del mineral denominado
bauxita, que es una roca compuesta por alúmina (Al2O3), óxido de hierro y
sílice [7],[8]. No se lo encuentra en la naturaleza en estado puro, sino como
óxidos mezclados con óxidos de hierro y de silicio como impurezas en la
proporción de 8%, por lo que es considerado como un material abundante, solo
sobrepasado por el Silicio con 26,5% [8], [10] .
Posee una densidad de 2.70 g/cm3 y un punto de fusión de 660°C. Cristaliza en
una estructura cúbica centrada en las caras, con lados de longitud de 4.0495
Angstroms. (0.40495 nanómetros). Su configuración electrónica estable es 1s2
2s2 2p6 3s2 3p1, con una valencia de 3-. Es buen conductor eléctrico y térmico.
Tiene un alto grado de reflectividad y es resistente a la corrosión [7],[8],[9].
3.2 ALEACIONES DE ALUMINIO
Las aleaciones son mezclas homogéneas compuestas de elementos metálicos
con no metálicos, que se obtiene por solidificación conjunta. Las aleaciones se
las realiza para obtener un nuevo material con propiedades modificadas según
su utilización. Existen dos tipos de aleaciones de aluminio de forja y de
35
fundición. Las aleaciones de forja se dividen en aleaciones no tratables y
tratables térmicamente [8],[9],[35],[37].
3.2.1 ALEACIONES DE ALUMINIO FORJADO
La forja es un proceso por el cual se le da forma a un material mediante
calentamiento y fuerza, su característica es que el material es sometido a una
deformación plástica [8],[37]. Las aleaciones de aluminio para forja son
clasificadas de acuerdo con los elementos aleantes principales y pueden ser
divididas en dos grupos [35],[36].
5.1.1.1 Aleaciones no tratables térmicamente
Este tipo de aleaciones pueden solo ser trabajadas en frío para aumentar su
resistencia [9]. Según la norma AISI (American Iron & Steel Institute) [39] los
tres grupos principales de estas aleaciones son:
• Aleaciones 1xxx. Son aleaciones de aluminio puro, al 99,9% con
impurezas de hierro y silicio como elementos aleantes, a los cuales se
les aporta un 0.12% de cobre para aumentar su resistencia. Se utilizan
para trabajos de laminados en frío.
• Aleaciones 3 xxx. Son aleaciones donde el manganeso (Mn) es el
elemento aleante principal con 1,2% y se añade con el objetivo de
reforzar al aluminio. Se utilizan en componentes que exijan buena
mecanibilidad.
• Aleaciones 5xxx. En este grupo de aleaciones el magnesio es el
principal componente aleante y su aporte varía del 2 al 5%. Estas
aleaciones se utilizan para conseguir reforzamiento en solución sólida.
36
5.1.1.2 Aleaciones de aluminio forjado con tratamiento térmico
Las aleaciones de aluminio para forja tratables térmicamente son los que
pueden ser endurecidos por precipitación [9],[36],[37]. Para este tipo de
aleaciones existen tres grupos principales [39], que son:
• Aleaciones 2xxx. Sus elementos aleantes principales son el cobre (Cu) y
el magnesio Mg. Su mayor aplicación es la fabricación de estructuras de
aviones.
• Aleaciones 6xxx. Los principales elementos aleantes son magnesio (Mg)
y silicio (Si). Es utilizada para perfiles y estructuras en general.
• Aleaciones 7xxx. Los aleantes de este grupo son zinc (Zn), magnesio
(Mg) y cobre (Cu). Al igual que las aleaciones 2xxx, se utiliza para
fabricar estructuras de aviones.
3.2.2 ALEACIONES DE ALUMINIO PARA FUNDICIÓN
En dependencia de su composición final las aleaciones de aluminio para
fundición poseen cualidades como fluidez, resistencia a la tensión y a la
corrosión [8],[16],[38]. En el proceso de fundición la absorción de gases es un
inconveniente ya que generan porosidad en este tipo de aleaciones [7],[9],[15] .
Para aumentar resistencia a una aleación de aluminio se debe añadir
elementos como:
• Hierro
• Titanio
• Cromo con manganeso
• El silicio en un rango entre el 5 al 12 % promueve un aumento de la
fluidez en los metales fundidos.
• En menores cantidades se añade magnesio.
37
Para aumentar la resistencia a la corrosión se añade elementos como:
• Zinc además mejora su maquinabilidad
• Cobre
• Níquel
Además se realizan aleaciones con:
• Cobalto
• Plata
• Litio
• Vanadio
• Circonio
• Estaño
• Plomo
• Cadmio
• Bismuto.
En el tema de chatarra de aluminio, dada sus múltiples fuentes, es posible
encontrar todos estos elementos en diversas proporciones, las cuales
normalmente son desconocidas. La composición final de una aleación obtenida
a partir de chatarra puede ser por lo tanto, una gran incógnita.
3.3 FUNDICION DEL ALUMINIO
Fundición es el proceso en el cual el material en estado sólido es transformado
al estado líquido mediante la elevación de la temperatura hasta alcanzar la
temperatura de fusión [8],[17],[35]. Este material fundido típicamente se usa en
la fabricación de piezas metálicas al repartir el metal fundido en las cavidades
de una matriz llamada molde. Cuando el metal se ha solidificado, los moldes
38
son abiertos para extraer la pieza fundida caliente. De esta manera se realizan
piezas de alto grado de complejidad y dependiendo del acabado que se
requiera se utiliza los diferentes tipos de moldes [9], [11],[19].
3.3.1 MÉTODOS DE FUNDICIÓN
Existen varios procesos de fundición. Su utilización depende de la calidad que
queremos conseguir al final del proceso [18]. Entre los principales tenemos los
descritos a continuación.
5.1.1.3 Fundición en coquilla
Se denomina coquilla a los moldes metálicos, generalmente construidos con
acero y hierro fundido, son cerrados de forma segura para soportar la presión a
la que es sometido el metal fundido cuando entra a la matriz [17],[19]. En este
método se vierte la colada del metal fundido en un molde metálico permanente
bajo gravedad o bajo presión centrífuga. Se utiliza sobre todo para producción
en serie. Los moldes se deben mantener a temperatura alta además se los
debe abastecer de ventilación ya que éstos no son permeables.. Este proceso
puede ser automatizado y produce un acabado superficial mejor que los otros
procesos de fundición [8] [9],[15].
La fundición en coquilla se caracteriza porque las piezas fundidas poseen una
estructura de grano más fino y como su velocidad de enfriamiento es alta,
posee una mayor resistencia. El grado de porosidad de las piezas fundidas por
este proceso es menor al de los otros [8],[15]. Sin embargo este método
presenta ciertas limitaciones dependiendo del tamaño y de las formas
complicadas de la pieza, pues la construcción de los moldes suele ser difícil.
Las aleaciones de aluminio utilizadas para la fabricación de piezas mediante
este proceso son aleaciones de aluminio con magnesio o cobre [9],[17].
39
5.1.1.4 Fundición en cera perdida
Es un proceso ideal para la fabricación de piezas con muchos detalles. Los
moldelos son de cera, de allí su nombre, que se pierden completamente antes
de que el metal fundido sea vertido. Es un proceso muy utilizado para la
construcción de estatuas y piezas muy complicadas [15],[17].
La ventaja de esta técnica es que se puede realizar piezas con detalles
mínimos que no se podrían realizar en moldes de arena.
La desventaja es que se dificulta la producción en serie, ya que el modelo es
utilizable una sola vez, por tanto elevaría el costo de producción de cada pieza.
5.1.1.5 Fundición en arena
En este proceso se utilizan moldes de arena y modelos de madera u otro
material. Es el método más utilizado en la industria por ser el menos costoso y
muy versatil. Las piezas fundidas pueden ser de cualquier tamaño y forma, con
núcleo o sin él [15],[36]. El acabado superficial en este proceso no es muy
bueno y en general, la calidad de las piezas no es muy buena y pueden
presentar alta porosidad sino se tiene control de los parámetros presentes en el
proceso [9],[16].
5.1.1.6 Fundición en arena con modelo gasificable.
Es un método vinculado históricamente a la fundición escultórica pero en la
actualidad es aplicado en la manufactura de piezas industriales con
complejidad como block de motor, poleas, pistones, etc. [15].
El procedimiento consiste en la fabricación de moldes de fundición basados en
la utilización de modelos que bajo la acción de la colada, se transforman en
estado gaseoso [37],[40]. Existe una serie de materiales que al entrar en
contacto con una corriente de fusión se gasifican con relativa lentitud de forma
40
que se evita la formación de rechupes perturbadores mientras que los residuos
se convierten pequeñas partículas de hollín. Dentro de los materiales que
suelen usarse destacan las espumas plásticas como poliestireno ya que con
este material se logran modelos muy ligeros y con exactitud de contornos [17]
[40],[41].
3.4 APLICACIÓN DEL ALUMINIO Y SU CHATARRA.
Se denomina chatarra de aluminio a los desechos de este material. Existen
muchas aplicaciones para el aluminio por ser un material ligero y de bajo costo.
Todos las aplicaciones generan desperdicios que pueden ser reutilizados para
la fabricación de nuevos elementos, disminuyendo el costo del material y
logrando la disminución del consumo de energía [15] [16]. Así mismo, muchos
de los productos de desecho doméstico pueden ser reutilizados, reduciendo el
impacto ambiental de los desechos y proveyendo de material útil en la
industria.
Las aplicaciones industriales más comunes de las aleaciones de aluminio son:
• En electricidad pues aunque su conductividad eléctrica es menor que la
del cobre, la ligereza del aluminio disminuye el peso de los conductores,
disminuyendo los costos de la infraestructura [19].
• En química, el aluminio y sus aleaciones se utilizan para fabricar tubos,
recipientes y aparatos [36].
• El transporte, para la fabricación de partes aviones y motores de
vehículos como pistones, bloques, piezas estructurales y funcionales,
etc. [39].
41
• En la construcción de viviendas para las contraventanas, vitrinas,
puertas y las láminas de aluminio [38].
• Dentro de casa la utilización del aluminio es muy común. Lo
encontramos en el papel de aluminio que protege los alimentos y otros
productos perecederos. Debido a que se moldea fácilmente y a su
compatibilidad con comidas y bebidas. El aluminio se usa mucho en
ollas, contenedores, envoltorios flexibles, botellas y latas de fácil
apertura [36].
3.5 DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE FUNDICIÓN DE
ALUMINIO
El procedimiento de fundición en molde perdido, comienza con la elección de la
pieza a realizar. Se realiza un modelo en tamaño real que puede ser de
madera, plástico, con cera o metal dependiendo del método, como se indicó
arriba [17],[18]. Con los modelos se construye los moldes, los mismos que son
fabricados con yeso, cerámica o arena con aglutinante y se los destruyen
después de ser utilizados o durante el proceso de fundición, conservan sus
propiedades a altas temperaturas. Los compuestos son fabricados de dos o
más materiales, estos pueden ser grafito, arena y metal, poseen gran
resistencia y pueden ser utilizados varias veces disminuyendo el costo del
proceso [9],[15],[17],[40].
Las dimensiones de los modelos deben ser ligeramente más grandes que la
pieza real, ya que hay que tomar en cuenta ciertas tolerancias como la de
maquinado y contracción necesarias para terminar la pieza en las dimensiones
42
correctas [7],[18]. La de maquinado se refiere a la sobre dimensión que debe
tener la pieza para dar un acabado superficial mediante algún procedimiento de
arranque de viruta. La tolerancia de contracción es indispensable en el proceso
de fundición, ya que el metal al enfriarse se contrae. Esta contracción depende
del metal. El aluminio es el metal no ferroso que tiene el más alto porcentaje de
contracción llegando al 6.6% [8],[16],[36].
Las cajas de moldeo generalmente constan de dos piezas que al unirse forman
la pieza completa. Los modelos se colocan dentro de las cajas de moldeo y se
rellenan de arena o del material de moldeo escogido, se apisona se retira el
modelo, y se realizan verteros de alimentación y de desfogue, llamados
también vaciantes y montantes respectivamente [16],[18],[40].
Se cola el metal fundido por el conducto de alimentación hasta que el metal
llegue hasta el vertero de desfogue. Una vez que el metal esta solidificado, se
abre la caja de moldeo y se deja enfriar lentamente la pieza con el aire
[15],[17]. Una vez frío se realiza la limpieza de todo residuo de arena y son
removidos los vaciantes y montantes. Como paso final se mejora el acabado
superficial [17],[18],[35].
En este trabajo se utilizó el método de fundición en molde de arena, con
modelos de madera. Se escogió este método por ser barato y de fácil acceso,
además necesitábamos reproducir probetas de prueba de iguales dimensiones
y características semejantes.
Las muestras estudiadas tenían aproximadamente 30 mm de diámetro, y entre
10 y 20 mm de espesor.
43
CAPITULO 4. MÉTODO EXPERIMENTAL
En este capítulo se describirá el equipo LIBS usado en este trabajo, los
procedimientos para la caracterización de la chatarra de aluminio antes y
después de la fundición, y se explicará en forma cronológica el proceso de
análisis desde la elección del metal hasta la caracterización final.
4.1 DESCRIPCION DEL EQUIPO LIBS
4. 1.1 INTRODUCCIÓN
LIBS es una técnica de identificación elemental cualitativa. Utiliza la información
de la longitud de onda y la intensidad correspondiente para identificar cada
elemento a partir del espectro de emisión de plasma generado por el laser del
LIBS [1],[3],[10],[12]. Al ser un método cualitativo su objetivo principal es la
detección e identificación de ciertos elementos de interés para el estudio. La
cuantificación de los mismos es factible en algunas circunstancias. Para realizar
un análisis cuantitativo es necesario contar con un material de referencia con
una composición conocida, llamado calibrante. Para este proyecto no se cuenta
con materiales estándar por lo que el análisis será netamente cualitativo. A pesar
de que un análisis cuantitativo es siempre deseable, las capacidades cualitativas
de LIBS permiten afrontar un sin número de problemas importantes e
interesantes como son la identificación de especies presentes a nivel de traza, la
identificación de aleaciones y combinaciones de materiales por comparación con
muestras anteriormente medidas (estándares o similares), la identificación de
contaminantes y la detección de especies desconocidas o inesperadas en
muestras de interés. Muchas de estas tareas son similares a la identificación de
44
personas por el análisis de sus huellas digitales o similares, por lo que a veces
este procedimiento se llama en ingles de manera similar: fingerprinting.
Los componentes básicos de un sistema LIBS son similares en muchos casos,
pero las especificaciones de los componentes dependen de cada aplicación.
Estas especificaciones incluyen parámetros físicos como tamaño, peso y tipo de
material a analizar [1],[3]. Desde el punto de vista técnico, los equipos LIBS se
pueden diferenciar por la energía del pulso láser y la resolución espectral del
espectrómetro [1],[3]. El LIBS2000+ de Ocean Optics detecta elementos que
emiten luz en la región de 200 a 980 nm, con una resolución de ~ 0,1 nm
(FWHM) [2]. Está compuesto por un módulo de control, el láser, espectrómetros,
cámara de muestras, y un computador donde se hace el análisis con el
programa OOLIBS. En lo que sigue se describen brevemente estos elementos.
4. 1.2 MÓDULO DE CONTROL
En el control del láser se encuentra todo el sistema electrónico y la base del
sistema de refrigeración. El sistema eléctrico controla los botones de
encendido, el botón de apagado en caso de emergencia y permite regular la
intensidad del láser mediante una escala de energía que va de 1 a 10, donde
10 corresponde a los 250 mJ, que es la máxima energía que se puede emitir.
El sistema de enfriamiento está compuesto por una bomba de agua cuyo motor
es de 115 VAC y ¼ Hp, que hace circular agua desionizada a través de la
cabeza del láser, enfriándola.
45
4. 1.3 LASER
El equipo LIBS de la EPN utiliza el láser de estado sólido de Nd:YAG de 1,064
�m, ULTRA CFR 2000 de Quantel. Éste entrega pulsos de 10ns, una energía
total por pulso de 250 mJ y una tasa repetición variable de 1 a 20 Hz [2],[3].
El cristal sintético Nd.YAG (Itrio y Aluminio dopado con impurezas de
Neodiminio) funciona como el medio activo al colectarlos fotones de excitación
que son emitidos por una lámpara de destellos (el sistema de bombeo óptico),
excitar las impurezas de Nd y emitir fotones por el mecanismo de emisión
estimulada [1],[3],[8] (Ver figura 4.1). Este conjunto de medio activo-lámpara se
encuentra dentro de una cavidad con dos espejos en sus extremos, de los
cuales uno es un lente colimador. Dicha radiación choca contra los espejos
rebotando dentro del medio activo, aumentando el número de fotones
estimulados emitidos. Esta acumulación y posterior disparo del pulso está
controlado por el Q-Switch, que se describe a continuación.
Figura 4.1 Esquema de láser de estado sólido Nd:YAG. La lámpara de destellos envía pulsos que son captados por el medio activo Nd:YAG, esta ésta radiación rebota entre los espejos laterales hasta que se abre el Q-Switch deja pasar el pulso láser.
46
4. 1.4 Q SWITCH
El sistema de disparo de los pulsos láser llamado Q-Switch es un obturador
electro-óptico que cambia sus propiedades de transmisión de luz de forma
controlada permitiendo al ser activado evitar que la radiación siga
amplificándose entre los espejos y permite que salga en forma de un pulso. El
Q-Switch permite pasar a los fotones acumulados en el medio activo, dando
paso al pulso emitido por el láser [3]. El Q-switch está ubicado a lo largo del
cristal Nd:YAG y en el sistema LIBS utilizado el accionamiento del Q-switch
provoca el disparo del láser al presionar el botón de gatillo correspondiente, así
mismo, el inicio de registro de la luz láser por el espectrómetro se retrasa
adecuadamente con respecto a este disparo por algunos microsegundos para
lograr un espectro óptimo. [1], [2]
4. 1.5 MÓDULO DE ESPECTRÓMETROS
En este módulo se encuentran siete espectrómetros HR 2000 de alta
resolución, dispuestos de forma que conjuntamente subtienden el intervalo
espectral completo de 200 a 980 nm. Todos los módulos se conectan
individualmente a la cámara de muestreo por medio de cables de fibra óptica y
reciben simultáneamente la señal del plasma. Cada uno de los espectrómetros
es un arreglo lineal de CCD de 2048 elementos, cada uno de los cuales
corresponde a un pixel en el espectro final. [1], [2], [3]. Los módulos
individuales se encadenan en hardware y se conectan via un único USB común
con la PC para análisis [2].
47
4. 1.6 CABLES DE FIBRA OPTICA
Los cables de fibra óptica son utilizados en LIBS por su eficiencia para transmitir
información mediante señales ópticas. Están compuestos de un material
transparente muy fino por los que se envían pulsos de luz provenientes del láser
[1],[12]. Los cables de fibra óptica están compuestos de un núcleo de plástico
recubierto de un material similar pero con un menor índice de refracción que el
núcleo. La luz se refleja cuando choca con una superficie con índice de
refracción menor por el fenómeno de la reflexión interna total [13], que provoca
que los pulsos de luz se reflejen con ángulos abiertos contra las paredes del
cable, viajando largas distancias sin mayores pérdidas [13],[22]. Los cables de
fibra óptica no transmiten calor o electricidad. Las siete fibras de equipo se juntan
en un fibrado dentro de la cámara de muestras.
4. 1.7 MÓDULO DE MUESTRAS
El módulo de muestras es un elemento del equipo LIBS, donde se coloca el
material de estudio. Es una caja rectangular construida con un plástico especial
que absorbe fuertemente en la longitud de onda del láser para seguridad de los
operadores. La puerta que se encuentra en la parte frontal posee un seguro
magnético de seguridad para que el láser no dispare si la puerta está abierta.
En el interior del módulo, se encuentra una mesa XYZ donde se coloca la
muestra, esta mesa posée dos tornillos para su movimiento: un tornillo
horizontal para deslizar la muestra en el plano XY y cambiar el punto de
disparo, y un tornillo vertical con el que se enfoca el pulso láser. La muestra
puede monitorizarse mediante una cámara digital con Zoom con una resolución
de 1280 x 1024, con lo que cada píxel es 6 µm x 6.0 µm2. La cámara
48
proporcionan velocidades de 12,7 fotogramas por segundo a 1280 x 1024 de
resolución y permite elegir el sitio de impacto del láser en la muestra [2].
4. 1.8 LENTES
En LIBS el pulso láser es enfocado con una lente convergente ubicada en la
cámara de muestras. El punto focal de la lente coincide con el punto de enfoque
del zoom de observación, de tal forma que la muestra se observa con claridad
cuando el láser está enfocado. Adicionalmente, se tiene una lente en el extremo
del atado de fibras ópticas que enfoca la señal luminosa del plasma en los
extremos de estas para enviarlas al espectrómetro. La longitud focal, diámetro,
material y la distancia hasta la muestra, son los parámetros importantes tomados
en cuenta en LIBS [2],[3]. El sistema de enfoque de los lentes influyen en la
cantidad de material removido de la muestra y por lo tanto en la formación de
plasma [1],[26].
4. 1.9 SOFTWARE DE ADQUISICIÓN DE DATOS Y ANÁLISIS: OOILIB S
El OOILIBS es un software de la casa Ocean Optics que viene con el equipo y
se utiliza para la adquisición de datos y control del equipo, la detección e
identificación de las líneas espectrales de los elementos químicos mediante su
longitud de onda. El programa posee dos librerías con más de 2000 líneas
espectrales [3]. El programa puede trabajar en cuatro modos: 1) normal, 2) Pix
Correlation, 3) Element ID, y 4) Peak Analysis. Para nuestro estudio hemos
usado los dos últimos modos y en la que sigue se explica se funcionalidad.
Element ID corresponde al modo por el cual se detecta mediante OOLIBS,
todos los picos característicos posibles con su respectiva longitud de onda y su
intensidad, se los puede organizar de acuerdo a estos dos parámetros
49
dependiendo de las necesidades que se tenga. El Peak Analysis permite
escoger de la base de datos total, los elementos que después del análisis se
determina que realmente existe, además realiza la comparación automática de
entre picos y mide el área bajo el pico de cada elemento.
En resumen, este programa produce el espectro compuesto por las diferentes
líneas espectrales registradas, las mismas que son características de los
elementos del material analizado. En función de esto, el espectro es
interpretado por el software que genera una lista de posibles elementos
presentes clasificados por longitud de onda e intensidad. Así mismo, se puede
dar seguimiento en cada espectro adquirido a una o varias líneas espectrales
previamente definidas en una lista. Esto es muy útil cuando se trata de dar
seguimiento a ciertos materiales cuya presencia se conoce en la muestra.
[2],[25].
4.2 IDENTIFICACIÓN CUALITATIVA DE ELEMENTOS EN EL
METAL CON LIBS
4.2.1 CLASIFICACIÓN DE MUESTRAS
El material escogido para la investigación es la chatarra de aluminio. Se escogió
este tipo de material por ser abundante y de fácil acceso. De ante mano se
conoce que el aluminio es un metal de bajo costo, por lo que es muy utilizado en
fundición.Se realizó una primera clasificación de la chatarra según el tipo. Así
tenemos latas de cerveza, cajas de disco duro, desperdicios de planchas
corrugadas y de perfiles de ventanas. Cabe destacar que el análisis realizado
en este trabajo es de manera cualitativa, ya que la técnica LIBS proporciona los
elementos que componen la muestra mas no su cantidad, sin embargo si se
50
puede diferenciar mediante comparación, si una muestra tiene más o menos
cantidad de cierto elemento de estudio.
4.3 CARACTERIZACIÓN ELEMENTAL DE LAS MUESTRAS DE
CHATARRA
La cámara de muestras del equipo LIBS de la EPN, tiene un área limitada por lo
que se necesita muestras pequeñas del material para el análisis. Se realizaron
muestras de aproximadamente 30 x 30 mm.
A cada muestra se le realizaron 5 disparos, cada uno con una intensidad de
energía de 6, equivalente a 150 mJ, en diferentes puntos de la superficie. Como
se dijo, para utilizar la técnica LIBS, las muestras del metal no necesitan
preparación previa, por lo que no fueron sometidas a ningún tipo de tratamiento.
Por cada disparo se obtiene un espectro, lo que quiere decir que por cada
muestra se obtuvo 5 espectros que después fueron promediados para obtener
uno solo espectro más preciso por cada muestra.
El material en estudio es colocado en el módulo de muestras, donde se
encuentra una cámara de ampliación la cual se utiliza para enfocar el láser. Una
vez enfocado el lugar en donde se realizará el disparo, se elije el valor del Q-
Switch, que es el tiempo de retraso de apertura de la ventana de colección de luz
con respecto al impacto del láser. Al manipular el Q-Switch aumentamos o
disminuimos el background, que es la distancia entre el eje horizontal y el
espectro, mientras más pequeño y constante es esta zona, mejor es el espectro.
51
Mediante varias pruebas se determinó que el mejor valor de Q-Switch para
trabajar con la chatarra de aluminio es -2 µs. Con este valor se obtienen
espectros con un background lineal aproximadamente a una altura de 120 en el
eje correspondiente a la intensidad. Cuando el background es demasiado grande
existen errores de medición de alturas de picos. En las figuras 4.2 y 4.3 se
observa la diferencia de que existen en espectros con background irregular y
regular.
Figura 4.2 Espectro de chatarra de aluminio con background irregular. El brackgroud es el espacio comprendido entre el espectro y el nivel de referencia horizontal, en la zona comprendida entre los 400 y 700 nm, éste espacio es irregular y demasiado grande, razón por la cual se ve comprometida la altura real de los picos en esa zona
Figura 4.3 Espectro con background regular. A diferencia del espectro de la figura 4.2, el brackground de la zona de luz visible en este espectro es de altura regular, con lo que se tiene una mejor apreciación de los picos encontrados.
Cada espectro está constituido por varios picos que representan a las líneas
espectrales, cada una correspondiente a un elemento según su longitud de
onda. Para el análisis se debe tener en cuenta varios criterios, ya que el
programa OOLIBS no es exacto, el programa reconoce las líneas espectrales
cercanas o que coinciden con las longitudes de onda de una librería previamente
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
2250
2500
2750
3000
Cou
nts
Wavelength (nm)
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
2250
2500
2750
3000
Cou
nts
Wavelength (nm)
52
cargada. Estos criterios son reconocer los picos por conocimiento previo de la
posible composición de la muestra, su abundancia en la corteza terrestre, si son
elementos naturales o creados por el hombre, la cantidad de líneas del elemento
en el espectro o si están cerca de otros elementos más comunes. Una vez
reconocidas los picos de los elementos reales de la muestra se los separa y
analiza de forma individual. Al ser todas las muestras de chatarra de aluminio se
asume que deben tener los mismo elementos sin embargo existen pequeñas
diferencias de acuerdo a la procedencia y recubrimientos.Los elementos
comunes encontrados en la chatarra de aluminio fueron: aluminio, magnesio,
calcio, sodio, cloro, bario, silicio, níquel, cobre, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno
estos tres últimos atribuidos al ambiente. Sin embargo en muestras que
contenían pintura se encontraron elementos como el titanio, bismuto y vanadio.
En la tabla 1 se puede observar los elementos comunes encontrados en todas
las muestras analizadas. Estos elementos fueron agrupados según sus
posibles procedencias.
Tabla 1. Elementos encontrados con LIBS, en todas las aleaciones.
Elementos Longitud de onda Observaciones
C 247,86
Mn 259,37
Mg 280,27
Al 308,22 Elementos presentes
Cl 842,83 en todas las aleaciones
Fe 358,92
Ba 493,41
Ti 399,86
V 439,52 Atribuidos a la pintura en las muestras
Bi 472,25
Zn 481,05
Cu 515,32 Provenientes del Zamak
Ni 344,63
Na 589,00 Impurezas agregadas por manipulación
Ca 442,54
N 746,83
H 656,27 Atribuidas al aire
O 844,64
53
En la figura 4.4 se muestra un espectro típico de un tipo de chatarra sin
recubrimiento de pintura y la figura 4.5 corresponde al espectro de un tipo de
chatarra con recubrimiento de pintura. Se puede observar la diferencia en
background y altura de líneas, a pesar de que los dos espectros fueron
tomados con la misma intensidad.
Figura 4.4 Espectro de perfil de aleación de aluminio sin recubrimiento de pintura. Observe como existen pocos picos en todo el espectro, éstos además están completamente definidos y tienen un background con altura regular.
Figura 4.5 Espectro característico de perfil de aleación de aluminio con recubrimiento de pintura. A diferencia del espectro de la figura anterior, éste tiene muchos picos y son de gran altura, son tantos que es difícil reconocerlos e interpretarlos, además que el brackground tiene una altura irregular y demasiado grande.
4.4 FUNDICIÓN DE MATERIAL Y POSTERIOR ANÁLISIS
La fundición es el proceso por el cual el metal es sometido a calor hasta el
punto de fusión [15],[17]. Se utilizó el horno del Laboratorio de fundición de la
EPN, el cual utiliza gas como combustible. Para la trasmisión de calor posee
una pared de material refractario y tres quemadores colocados alrededor del
crisol, lo que permite una mejor distribución del calor. Es un horno fijo con crisol
móvil. La temperatura de fusión del aluminio puro es de 660°C. Pero se verificó
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Inte
nsid
ad
Longitud de Onda (nm)
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Inte
nsid
ad
Longitud de Onda (nm)
54
con un calorímetro, que la temperatura para aleaciones en el horno utilizado,
oscila entre 700°C y 720°C asumiendo que el increme nto de la temperatura se
deba a impurezas. El crisol utilizado tiene una capacidad de 150 g por lo que
se realizaron cargas de 100 g para cada fundición Se analizó 5 tipos de
chatarra de diferente peso, forma, espesor y procedencia. Se escogió este tipo
de metal por su bajo costo y por su gran utilización en la industria.
4.4.1. MUESTRAS ANALIZADAS
4.4.1.1 Latas de cerveza
Cada lata de cerveza tiene un peso de 0.10 g, de las cuales se extrajo una
muestra para su análisis con LIBS y difracción de Rayos X (Ver anexo 5). Las
muestras cortadas de latas de cerveza se analizaron de los dos lados, ya que
en la superficie exterior tiene un recubrimiento de pintura, y en la cara interior
no. En las figuras 4.6 y 4.7 se observa la diferencia en la cantidad de
elementos encontrados en cada muestra, antes de ser fundidas.
Figura 4.6 Espectro de superficie externa de lata de cerveza. En este espectro se pude distinguir todos los elementos correspondientes a la aleación utilizada para la fabricación de latas de cerveza. Como se observa, el lado estudiado posee pintura ya que se encontró Ti, Bi y Ba.
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Inte
nsid
ad
Longitud de Onda (nm)
Mn
C
Mg
Al
Ti
Na
Ba
Ca
H
Bi
N
O
Cl
55
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Inte
nsid
ad
Longitud de Onda (nm)
Al
Mg
Fe
H
Na
N
O
Cl
C
Figura 4.7 Espectro de superficie interna de lata de cerveza. El lado interno de las latas de cerveza no poseen pintura es por esta razón que no se encuentran los mismos elementos que en el lado exterior.
4.4.1.2 Perfiles de ventanas
En la industria metalúrgica, el aluminio es uno de los materiales más utilizados
por ser liviano y a la vez resistente. En la actualidad los perfiles de aluminio son
altamente utilizados en la fabricación de ventanas y puertas, por lo que también
se genera grandes cantidades de desperdicios. Todo este material sobrante es
generalmente fundido para realizar nuevos elementos. Dependiendo de la
aplicación estos perfiles son pintados o no. Al igual que las latas de cerveza, se
analizó perfiles con recubrimiento de pintura y sin ella. (Ver figuras 4.8 y 4.9)
Además para constatar los elementos encontrados en esta muestra se realizó
un análisis químico mediante absorción atómica cuyos resultados se pueden
observar en el Anexo 6. Cabe destacar que la cantidad encontrada de zinc es
mínima, por tal razón el equipo LIBS no lo detecto.
56
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Inte
nsid
ad
Longitud de Onda (nm)
Ni
Bi
Ti
Al
V
Ca
Ba
ClMg Na
N
OC
Figura 4. 8 Espectro de perfil con recubrimiento de pintura blanca. Este espectro posee elementos atribuidos a la pintura de recubrimiento, además estos picos son de gran altura y se presentan repetidamente.
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Inte
nsid
ad
Longitud de Onda (nm)
Mn
Al
Mg
Ni
Fe Na
H
N
O
Cl
Ba
Ca
Figura 4. 9 Espectro de perfil sin pintura. Se observa la diferencia con el espectro de la figura anterior, este espectro posee varios elementos pero diferenciados entre sí, además el background es de altura regular y los picos son de menor altura.
57
4.4.1.3 Carcasas de disco duro
En la computación e informática la evolución de la tecnología exige que los
equipos cada vez sean más pequeños y livianos y además que tengan más
aplicaciones y funciones. Es por esta razón que hoy encontramos que la
aplicación de polímeros y sus derivados es cada vez mayor en esta área. En el
pasado las cajas de disco duro eran de aleación de zinc con aluminio llamado
zamak, material liviano pero no tanto como el polímero. Es por eso que las
cajas antiguas son consideradas chatarra. Cabe destacar que este elemento no
tenía recubrimiento. En la figura 4.10 se observa el espectro de cajas de disco
duro.
Figura 4. 20 Espectro de cajas de disco duro. Se presenta el espectro de la aleación conocida como zamak, determinada así por los elementos encontrados en su composición química como el Zn, Si, Cu.
4.4.1.4 Planchas corrugadas
La aplicación más frecuente de las planchas corrugadas se la tiene en la
industria del transporte. Con estas se realizan los pisos y se cubre las paredes
de autobuses y automóviles. Es una aleación con pocas impurezas.
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Inte
nsid
ad
Longitud de Onda (nm)
Zn
Cu
Al
Si
Mg
Mg
Fe Ca
Cl
Na
H O
N
Ba
58
Figura 4.12 Espectro de planchas corrugadas. Espectro característico de la chatarra de aluminio con un mínimo de impurezas, se observa la presencia de los elementos tradicionales encontrados en todas las aleaciones de aluminio sin agregación de otros elementos.
4.5 FUNDICIÓN DE MUESTRAS
Se fundieron las 5 muestras por separado. La carga de cada aleación fundida
fue de 100g por cada tipo de chatarra. Se utilizó un crisol móvil con capacidad
para 150g de metal en el horno a gas fijo del laboratorio de fundición de la
Facultad de Ingeniería Mecánica de la EPN.
El tiempo estimado para la fundición para cada muestra fue de 15 min, previo
calentamiento del horno por 20 min hasta llegar a una temperatura de 500ºC.
Una vez que se obtiene colada (es decir, metal fundido), se procede a colar en
moldes previamente realizados con arena de moldeo. El metal es colado por el
vertedero hasta llenar por completo el molde. Se deja enfriar y se retira del
molde la pieza realizada. Para este trabajo se prepararon muestras cilíndricas
de aproximadamente 15mm de diámetro y 2mm de longitud.
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Inte
nsid
ad
Longitud de Onda (nm)
Al
Na
Ca
H
Mg
N
O
Cl
Fe
Ba
59
4.6 ANÁLISIS CON LIBS DEL METAL FUNDIDO
Una vez fundido el material se lo analizó nuevamente con LIBS para obtener
las diferencias entre el material antes y después de su fundición.
Como es de esperar, en el proceso de fundición se evaporan ciertos elementos
y también se adhieren otros. En las figuras 4.12 y 4.13 se puede observar las
diferencias de espectros entre el perfil sin pintura antes de la fundición y
después de esta.
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Inte
nsid
ad
Longitud de Onda (nm)
Mn
Al
Mg
Ni
Fe
Na
H
N
O
Cl
Ba
Ca
Figura 4.12 Espectro de perfil sin pintura antes del proceso de fundición. Se encuentran elementos como el Mn, y Ni, además de los comunes encontrados en otros espectros.
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Inte
nsid
ad
Longitud de Onda (nm)
Mg
Al
Fe
Ni
H
Na
Cl
OBa
N
60
Figura 4.13 Espectro de perfil sin pintura fundido. Se observa claramente que después del proceso de fundición los picos característicos pierden altura o intensidad, mientras que otros elementos desaparecen.
En la tabla 2 se puede observar el resumen de los picos característicos con su
respectiva longitud de onda y la diferencia de intensidades encontrados
mediante LIBS en los cinco tipos de chatarra antes y después del proceso de
fundición. La tabla completa se puede observar en el anexo 1.
Tabla 2. Elementos comunes encontrados en la chatarra de aluminio y la altura de sus picos antes y después de la fundición.
Elemen
tos
Longitud
de onda
(nm)
Latas con pintura
Perfil con pintura
Perfil sin pintura
Zamak
Planchas Corrugadas
ANTES DESPUES ANTES DESPUES ANTES ANTES ANTES DESPUES ANTES DESPUES
C 247,86 161,46 139,96 165,64 162,40 157,97 160,2 156,83 164,01 155,32 142,26
Mn 259,37 154,58 140,95 161,43 160,86 158,51 160,1 158,89 164,89 156,11 142,86
Mg 280,27 234,55 167,28 169,43 171,56 196,40 174,7 216,86 171,78 157,18 143,37
Al 308,22 157,95 119,14 146,98 147,02 155,61 138,7 163,17 141,86 132,75 121,93
Ni 344,63 123,84 110,61 160,36 137,79 135,04 134,0 130,96 138,83 128,75 112,15
Fe 358,92 136,09 117,44 144,30 145,85 148,01 138,2 142,85 142,06 133,09 119,24
Ti 399,86 109,93 160,63 334,14 183,04 183,20 182,7 177,99 186,35 175,42 161,60
V 439,52 204,40 178,73 741,86 201,36 203,23 203,6 195,32 204,18 193,82 179,78
Ca 442,54 179,46 172,09 389,80 195,55 195,94 196,2 188,79 202,46 186,82 173,73
Bi 472,25 192,76 187,76 509,12 210,56 214,45 212,8 251,36 217,52 199,95 188,00
Zn 481,05 184,06 180,85 341,40 201,59 205,77 204,1 268,60 211,71 191,90 181,03
Ba 493,41 187,03 184,61 3249,8 208,64 213,70 215,1 203,57 212,15 199,81 186,96
Cu 515,32 157,86 132,53 1213,6 158,53 160,62 158,5 186,18 160,29 146,80 134,36
Na 589,00 252,18 203,03 2182,5 296,20 493,01 210,8 529,80 363,41 297,68 400,24
H 656,27 1503,3 735,22 551,14 894,19 1466,9 951,2 1121,7 668,76 694,54 855,33
N 746,83 355,37 301,27 160,07 326,18 351,97 409,9 332,03 403,82 348,35 293,29
Cl 842,83 145,26 128,45 368,44 153,04 156,47 150,9 150,49 151,43 148,69 128,94
O 844,64 726,51 930,34 239,95 716,71 921,33 705,3 743,53 527,85 801,40 848,80
En general se puede decir que todos los picos de los elementos disminuyen en
altura después de la fundición. Desde luego, si todos disminuyen en intensidad
se debe tratar de un proceso que afecta a la muestra completa. Esto podría
atribuirse por ejemplo al efecto matriz.
Sin embargo, es de notar que hay picos cuya intensidad disminuye de manera
notable relativamente a picos referenciales de aluminio en el espectro. Es
razonable atribuir este tipo de disminución de intensidad a que en el proceso de
fundición algunos de los elementos se evaporan o se segregan en la escoria
61
por efecto del calentamiento del material. Ejemplos de estos elementos son
aquellos característicos de la pintura en latas de cerveza, por ejemplo, tales
como el titanio.
4.7 ALEACIONES
Desde luego es de esperarse que siendo la materia prima básicamente
aluminio, las diferencias espectrales sean relativamente pequeñas, pues
básicamente los mismos elementos aparecen como parte de las aleaciones,
aunque en diferentes concentraciones relativas. Esta variación se muestra
como diferentes alturas relativas de los picos correspondientes a los elementos
diferentes al aluminio. Uno puede asumir de todas formas, que las pequeñas
diferencias en las mezclas puedan ser responsables de las características
físicas de las respectivas aleaciones, lo cual es de gran interés para el
reciclador. Por esta razón, es interesante investigar la monitorización mediante
LIBS el efecto de la mezcla y aleación de los tipos disponibles de chatarra en
tasas de mezcla adecuadas.
Esta capacidad sería de invaluable valor tecnológico, al proveer de una
herramienta rápida para determinar, idealmente, el estado de mezcla de una
aleación dada.
Las diferencias mencionadas se correlacionan con el patrón espectral individual
de cada tipo de chatarra, esto es la combinación de picos y sus alturas
disponibles en cada caso. Esto es así porque todas los tipos de chatarra
poseen los mismos elementos pero estos difieren en cantidad. La cuantificación
absoluta de la concentración de cada elemento no fue el objeto de esta
investigación, pero debe indicarse que el análisis relativo basado en la
62
comparación de los patrones espectrales permite evaluar cuantitativamente las
diferencias mencionadas.
Para explorar sistemática, aunque no completamente, el espacio de posibles
combinaciones de los cinco tipos de chatarra, se decidió preparar 26
aleaciones, en partes iguales, y con un peso total de 100g. En la tabla 3 se
puede observar las aleaciones realizadas, empezando por la aleación
compuesta por los 5 tipos de chatarra, luego las aleaciones posibles con 4,
después con 3 y por ultimo con 2 tipos de chatarra.
Tabla 3. Aleaciones realizadas para comparación espectral. Se indican 26 aleaciones realizadas con una equipartición de masa total de 100g. En este esquema I corresponde a las latas, II a los perfiles con pintura, III a los perfiles sin pintura, IV al zamak, y V a las planchas corrugadas.
N° Aleación
Muestras que integran
la aleación
Tipo de
Aleación
1 I + II + III + IV + V Quíntuple
2 I + II + III + IV
Cuádruples
3 I + II + III + V 4 I + II + IV + V 5 I + III + IV + V 6 II + III + IV + V 7 I + II + III
Triple
8 I + II + V 9 I + IV + V
10 III + IV + V 11 II + III + IV 12 II + III + V 13 II + IV + V 14 I + II + IV 15 I + III + IV 16 I + III + V 17 I + II
Dobles
18 I + III 19 I + IV 20 I + V 21 II + III 22 II + IV
23 II + V
24 III + IV
25 III + V
26 IV + V
63
La primera aleación se realizó con los 5 tipos de chatarra con un aporte de 20 g
por cada una. Las aleaciones cuaternarias tuvieron un aporte de 25 g por cada
tipo de chatarra y se formaron 5 aleaciones posibles. Con tres tipos de chatarra
se pudo realizar 10 aleaciones terciarias formadas con 33.3 g
aproximadamente de cada tipo de chatarra y para las aleaciones dobles fue
necesario 50 g por cada aleación, estableciendo 10 aleaciones dobles posibles.
4.8 ANÁLISIS DE ALEACIONES CON LIBS
4.8.1 ALEACIONES DOBLES
Estas aleaciones se formaron con dos tipos de chatarra estableciéndose en
total 10 aleaciones posibles. Como un ejemplo, en la fig. 4.14 se puede
observar el espectro de la aleación formada por las latas de cerveza y los
perfiles con pintura. Con este espectro se demuestra claramente que a pesar
de que la presencia de titanio y bismuto en grandes cantidades en las
muestras antes de ser fundidas, el momento de la reconversión por fundición,
quedan totalmente eliminados.
64
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Inte
nsid
ad
Longitud de Onda (nm)
Al
Mg
Ca
Na
O
H
N
Cl
Fe
Ba
Figura 4. 14 Espectro de aleación compuesta por latas de cerveza y perfiles con pintura. En el proceso de fundición se pierde totalmente los elementos contenidos en pintura, como son el Ti y el Bi agregados por las latas de cerveza.
Un grupo de las aleaciones dobles muy marcado por la similitud de sus
espectros son las aleaciones realizadas con zamak. La presencia de este
material provoca que en los espectros característicos dominen los elementos
añadidos por este material. Estos elementos son el níquel, cobre, silicio y por
supuesto, zinc, además de algunos de los elementos ya indicados. En la figura
4.15 se muestra un ejemplo de una de estas aleaciones, específicamente la
aleación de zamak con perfil con pintura. Cabe destacar que también aquí se
observa el fenómeno descrito anteriormente con respecto al titanio.
65
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
2700
3000
Inte
nsid
ad
Longitud de Onda (nm)
Si Cu
Mg
CaO
HAl
N
Cl
BaFe Na
Ca
Figura 4. 15 Espectro característico de aleación de zamak con perfil pintado. Se observa como los elementos añadidos por el zamak se mantienen a pesar de mezclarse con el perfil con pintura y los adheridos por este se pierden o disminuyen su intensidad.
En el anexo 2 se puede observar todos los espectros característicos de las 10
aleaciones dobles analizadas con LIBS.
4.8.2 ALEACIONES TRIPLES
Se realizaron 10 aleaciones triples posibles con los cinco tipos de chatarra. En
el caso particular de la aleación zamak-latas-perfil con pintura (ver figura 4.16),
se ver que LIBS permite detectar de manera destacada al elemento bario, que
se mantiene a pesar de la fundición. Desde luego, este elemento, está
presente en todas las aleaciones, pero se muestra en mayor cantidad en la de
perfil con pintura. Sin embargo, llama la atención de que en esta aleación en
especial se haya concentrado tanta cantidad. Por otra parte se puede indicar
nuevamente que los elementos añadidos por el zamak, dominan los espectros
66
cuando se usa este material, a pesar observarse una disminución apreciable
del zinc.
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Inte
nsid
ad
Longitud de Onda (nm)
Al
Cu CaFe
Mg Na
H
O
N
Cl
Ba
Figura 4. 16. Espectro característico de la aleación zamak-latas-perfil con pintura. Se observa los elementos añadidos por el zamak y por los perfiles con pintura, el Titanio desaparece como en todas las fundiciones.
En la figura 4.17 se puede apreciar el espectro de la aleación latas-perfil sin
pintura-planchas corrugadas, al igual que el espectro de la figura 4.16, los
elementos encontrados corresponden como se podría esperar, a la mezcla
combinatoria de los materiales originales en la aleación. Esto refuerza la
convicción de que LIBS es una técnica que permite monitorizar justamente el
estado de mezcla en aleaciones como esta con solamente considerar el
espectro final.
67
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Inte
nsid
ad
Longitud de Onda (nm)
Al
Ca Na
O
H
NCu
Mg
Ba
Figura 4. 17 Espectro de aleación Latas-Perfil sin pintura-Planchas corrugadas. En esta aleación se encuentra Cu a pesar de no contener zamak, sin embargo no se encuentra otros elementos atribuidos a ese tipo de chatarra.
Espectros adicionales de aleaciones triples pueden ser observados en el anexo 3.
4.8.3 ALEACIONES CUÁDRUPLES
Las 5 aleaciones cuádruples posibles, como su nombre lo indica, fueron
realizadas con 4 de las 5 posibles tipos de chatarra. En estos estados
altamente mezclados todos los espectros poseen gran similitud (Ver anexo 4).
A manera de ejemplo en las figuras 4.18 a) y b) se puede observar estas
similitudes en los espectros de las aleaciones: a) perfil sin pintura-perfil con
pintura-zamak-planchas corrugadas, b) latas-perfil sin pintura-perfil con
pintura-zamak.
68
a) b)
Fig. 4.18 Comparación de espectros característicos de aleaciones cuádruples a) Aleación perfil sin pintura-perfil con pintura- zamak-planchas corrugas, b) Aleación perfil sin pintura-perfil con pintura-zamak-latas de cerveza
4.8.4 ALEACIÓN QUÍNTUPLE
Esta aleación fue realizada con todos los tipos de chatarra, por lo que están
presenten todos elementos que corresponden a sus aleaciones bases a
excepción del: Titanio, Manganeso y Níquel, elementos que se eliminaron en
el proceso de fundición dejando solo los que se pueden observar en la figura
4.19.
Figura 4. 19 Espectro de aleación quíntuple. Poseen los 5 tipos de chatarra de aluminio, por esa razón se puede observar varios elementos añadidos por las diferentes aleaciones.
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Inte
nsid
ad
Longitud de Onda (nm)
Al
Mg
FeSi
Cu
Ca Na
H
N
Cl
OBa
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Inte
nsid
ad
Longitud de Onda (nm)
Al
Mg N
O
ClH
NaCa BaFeCuSi
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm)
Mg
N
OH
Cl
Na
Al
Fe BaCaSi Cu
69
4.9 ANÁLISIS DE CLÚSTERS
El análisis de clústeres es un método estadístico perteneciente al tema del
análisis multivariante. Se aplica cuando la cantidad de variables que describen
el grupo de datos no se conoce (aunque puede usarse cuando se conoce
también) y, además, se necesita simplificar los modelos estadísticos eliminando
variables que no tienen mayor relevancia. Además, el método permite estudiar
la relación entre varios grupos de variables. El análisis de clúster abarca una
gran cantidad de variables y las agrupa en conjuntos con características
similares entre los miembros del grupo y diferentes entre los tipos de grupos.
La similitud entre los datos se define en términos de una medida de distancia
(euclidiana, por ejemplo) definida adecuadamente.
En este trabajo, se midió la distancia entre los diferentes espectros LIBS
registrado para determinar los grupos de apiñamiento o clústers en los que se
autoclasifican los espectros de las 26 aleaciones, según su similitud. De
manera automática se formaron 7 grupos de similitud. En la figura 4.20 se
puede observar los 7 grupos formados en un dendograma que representa los
diferentes grados de similitud entre todos los espectros.
70
Fig. 4.20 Dendograma. Análisis por Clúster de las 26 aleaciones realizadas.
En la figura 4.20 se observa como las aleaciones se agruparon según el
análisis de clústeres. La numeración de la parte inferior corresponde al número
de aleación, según se explico en la tabla 3 de éste capítulo. Las líneas rojas
unen las aleaciones según distancias vectoriales de sus componentes y las
agrupa según sus similitudes.
4.10 DIFRACCIÓN DE RAYOS X
Para la validación de la técnica LIBS y comprobación de los resultados
obtenidos, se realizó el estudio de las mismas muestras de chatarra de
aluminio por la técnica de Difracción de Rayos X.
1 25 5 4 6 9 7 8 3 10 14 12 20 13 11 16 23 26 22 24 17 21 2 15 19 18
71
Fig. 4. 21. Equipo de Difraccion de Rayos X. El equipo del Departamento de Física de la Escuela Politécnica Nacional, donde se realizaron las pruebas correspondientes.
Para la aplicación de dicha técnica es necesario que el material a estudiarse se
encuentre en forma de monocristales o polvo cristalino, ya que su modo de
trabajo es hacer pasar un haz de luz de rayos X a través de un cristal de la
muestra. Este haz sugiere un patrón de intensidades que se interpretan según
la ubicación de los átomos, ya que éstos al recibir el haz de rayos X se dividen
y se dispersan en varias direcciones, según la simetría de la agrupación de
átomos.
Para realizar este ensayo, se trasformó en polvo las muestras de latas de
cervezas, y se las analizó con el equipo de Difracción de Rayos X del
Departamento de Física.
El resultado obtenido fue que la muestra analizada contiene Aluminio, dato que
lo conocíamos de ante mano, lamentablemente al realizar este ensayo, no se
obtuvieron mayores datos adicionales por las razones que se explican a
continuación:
• El equipo no tiene la resolución necesaria para este tipo de muestras.
72
• Los elementos que contienen las muestras, no estén en forma cristalina
y no se pueda encontrar todos los elementos en estudio.
• La técnica no es válida cuando los elementos forman compuestos, lo
que quiere decir que todos los elementos que constituyen la muestra
analizada estén en estas condiciones.
En la figura 4.21, se puede observar los resultados obtenidos, es decir los
picos del aluminio encontrados (Ver anexo 5).
Figura 4. 22. Picos característicos del Aluminio según la técnica de Difracción de Rayos X.
4.11 ESPECTROSCOPIA DE ABSORSIÓN ATÓMICA
La espectrometría de absorción atómica es un método instrumental que se
basa en la absorción, emisión y fluorescencia de radiación electromagnética
por partículas atómicas.
Consiste en llevar a un estado de excitación a las moléculas de una solución
acuosa mediante la aplicación de energía en forma térmica, por medio de una
llama de una combinación oxigeno acetileno o bien de oxido nitroso acetileno,
la muestra a alta temperatura se irradia con una luz a la longitud de onda a la
cual el elemento en interés absorbe energía.
73
Con esta técnica se ratificó algunos de los resultados obtenidos con LIBS, es
decir que se determinó la existencia de los elementos: Al, Mg, Zn y Ca, en las
muestras analizadas. (Ver anexo 6)
Sin embargo no se pudo comprobar la existencia del Ti, Ba, Cl, Mn, Cu y Ni,
pero a pesar de ello, se demuestra a ciencia cierta que la técnica LIBS es un
método más sensitivo para la detección de elementos en la chatarra de
aluminio.
74
CAPITULO 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 CONCLUSIONES
• La investigación desarrollada en este trabajo ha sido muy productiva, ya
que se pudo demostrar la validez de la técnica LIBS como una herramienta
para la identificación de elementos químicos, aún en calidad de trazas,
presentes en diferentes tipos de chatarra de aluminio destinada al reciclaje.
Esta identificación permite diferenciar sin ambigüedades los diferentes tipos de
materias primas antes de la fundición así como determinar el estado de mezcla
de los mismos en el producto final luego de la fundición. En total, LIBS ha
permitido identificar más de 30 elementos químicos presentes en las
aleaciones. Esto supera al análisis por difracción de rayos X al que se tuvo
acceso para este trabajo. LIBS tiene la ventaja adicional importante de permitir
un análisis en tiempo real, in situ, en principio, y automatizable lo que permitiría
eventualmente implementar esta técnica en una línea de producción sin
problemas, de desearse. Una dificultad con LIBS, al menos dentro del alcance
de nuestra investigación, es que la cuantificación de los elementos detectados
no es sencilla, requiriendo en general de la disponibilidad de estándares
certificados. Aún así, está claro que el uso de LIBS como una herramienta
cualitativa para la identificación de elementos por sus huellas digitales
espectrales (fingerprinting) provee de una enorme cantidad de aplicaciones
útiles en la Ingeniería Mecánica.
• Debido a falta de estándares certificados no se pudo realizar un análisis
cuantitativo de los elementos encontrados; sin embargo, se pudo, demostrar la
existencia de ellos comparándolos con la técnica de Absorción Atómica, con lo
75
que se comprobó que en la aleación se encuentran elementos como el
Aluminio, Manganeso, Calcio y Zinc, validando así la técnica LIBS para la
caracterización de muestras en forma cualitativa, presentando además el
beneficio de ser un análisis mucho mas rápido. No se realizó un análisis
químico de las aleaciones investigadas ya que el costo era muy elevado.
• Como se indicó, la caracterización espectral de los de 5 tipos de chatarra
y del producto final de la fundición es una tarea sencilla con LIBS. Por lo tanto,
se pudo hacer la comparación de las signaturas espectrales de los productos
individuales usados antes y después de su fundición, para su comparación.
Parte de este estudió se basó en la caracterización de la composición
elemental de 26 mezclas realizadas con los 5 tipos de aleaciones diferentes de
chatarra. El estudio consideró como elementos principales en las aleaciones de
aluminio a: Magnesio (Mg), Cloro (Cl), Níquel (Ni), Cobre (Cu), Carbono (C),
Hierro (Fe), Bario (Ba), además del elemento obvio como el Aluminio (Al). En
muestras pintadas se encontró Titanio (Ti), Bismuto (Bi), y Vanadio (Va). Todos
estos elementos fueron identificados sin ambigüedad por las longitudes de
onda características respectivas.
• Se determinó que los elementos encontrados antes de la fundición
difieren de aquellos encontrados después de ésta, en especial en las
aleaciones que contenían pintura. Elementos con Titanio, Bario y Bismuto se
redujeron considerablemente y en algunos casos desaparecieron totalmente en
el proceso de fundición. Presumiblemente ciertos elementos pudieran ser
eliminados selectivamente en la escoria que se descarta durante la fundición.
76
Elementos como el Cloro (Cl), Magnesio (Mg), Calcio (Ca), Hierro (Fe) en
cambio, se mantienen durante todo el proceso.
• En LIBS, los elementos químicos presentes en el material son
visualizados en un espectro que comprende las longitudes de onda desde la
ultravioleta hasta el infrarrojo cercano, pasando por la luz visible (desde 200nm
hasta 1000 nm). El espectro es simplemente un vector donde la ordenada es la
longitud de onda y la abcisa es la intensidad. Estos vectores son fácilmente
utilizables en análisis estadísticos de gran poder. En nuestro caso, el análisis
utilizado fue el de clústeres con el cual se determinó el grado de similitud o
cercanía de los diferentes espectros. Es de esperarse que las aleaciones
resultantes tengan características física similares si sus espectros son
suficientemente parecidos, lo cual provee de una herramienta para ingeniería
de obvia importancia. En conclusión se obtuvo 7 clústeres con las 26
aleaciones, es decir que las aleaciones finales se agruparon en 7 grupos de
acuerdo a los elementos que la contienen y la proximidad entre sus vectores.
Es de esperarse así mismo, que de tenerse una muestra totalmente
desconocida, el espectro y su relación de cercanía con cualquiera de los
clústeres principales permitirá tener una idea de su origen y de sus
propiedades. Otras técnicas matemáticas con el análisis de componentes
principales y similares podrían ser utilizados con gran ventaja en el futuro.
• Como un ejemplo importante de la técnica desarrollada, se puede
mencionar del caso de una de las aleaciones donde se encontró una gran
cantidad de Zinc (Zn), Silicio (Si), Cobre (Cu) además de aluminio (Al). De
77
acuerdo con la intuición esta combinación de elementos indica que se trata de
una aleación de Zinc llamada Zamak. Esta conclusión se refuerza por el hecho
de que este tipo de material se usa típicamente en elementos electrónicos,
entre otras cosas para cajas en computación, que fue de donde extrajimos la
muestra. En todas las aleaciones donde usamos este material, el Zinc y el
Cobre permanecieron constantes hasta el final del proceso.
• Excepto por la chatarra de Zamak, al realizar las diferentes aleaciones o
mezclas con los 5 tipos de chatarra, no se obtuvo diferencias muy grandes
entre los resultados, ya que los espectros característicos de las aleaciones
finales tienen concordancia con el tipo de chatarra utilizada para su
elaboración.
5.2 RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO
A partir de esta investigación se sugiere tomar en cuenta las siguientes
recomendaciones y futuras investigaciones:
• Realizar una investigación de cómo realizar un análisis cuantitativo a
partir de los resultados obtenidos mediante LIBS.
• Analizar el efecto matriz a profundidad en aleaciones de desecho de
aluminio.
• Implementación de un equipo de LIBS portátil y automático en línea,
para la identificación de los elementos presentes en las aleaciones a fundirse
en la industria. Con esto se podría evitar realizar aleaciones que presenten
elementos dañinos para la misma.
78
• Determinar mediante investigación la presencia de elementos en la zona
comprendida entre los 400 y 500 nm del espectro total de luz, ya que en esta
zona se tiene un background muy grande y pocos elementos encontrados.
• Usar LIBS como herramienta para Control de Calidad utilizándolo para
investigar a que aleaciones reconocidas según la ASTM pertenecen los
diferentes tipos de aleaciones de desecho de aluminio mediante un análisis
químico.
79
CAPÍTULO 6. REFERENCIAS
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82
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83
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preparación.
84
ANEXO 1
PICOS CARACTERÍSTICOS ENCONTRADOS CON LIBS
85
Elemen
tos
Longitud
de onda
Latas con pintura Perfil con pintura Perfil sin pintura Zamak Planchas Corrugadas
ANTES DESPUES ANTES DESPUES ANTES ANTES ANTES DESPUES ANTES DESPUES
Al 226.91 157.87 142.07 168.00 163.90 163.52 162.69 163.58 166.84 155.79 143.36
Al 236.71 161.85 142.69 165.74 164.77 165.36 162.46 165.48 167.26 156.22 143.73
Al 237.31 179.62 147.26 172.14 169.92 175.84 169.56 178.89 173.23 159.96 148.60
C 247.86 161.46 139.96 165.64 162.40 157.97 160.24 156.83 164.01 155.32 142.26
Al 257.51 161.73 142.97 165.80 164.52 163.94 162.87 165.34 168.04 156.42 143.82
Mn 259.37 154.58 140.95 161.43 160.86 158.51 160.17 158.89 164.89 156.11 142.86
Mn 260.57 152.47 140.36 166.82 160.95 157.94 158.29 158.17 164.61 155.17 142.55
Mg 280.27 234.55 167.28 169.43 171.56 196.40 174.78 216.86 171.78 157.18 143.37
Na 285.28 171.74 145.29 169.02 166.81 168.17 163.79 177.24 166.13 155.09 142.01
Na 285.30 161.69 142.16 166.36 164.67 165.03 162.36 169.53 165.76 154.35 140.64
Si 288.16 148.15 138.89 162.54 161.14 158.01 158.93 167.05 166.49 153.76 140.11
Ti 307.87 123.96 108.80 145.79 137.03 133.71 133.15 131.66 138.19 126.99 110.18
Al 308.22 157.95 119.14 146.98 147.02 155.61 138.78 163.17 141.86 132.75 121.93
Ti 308.80 130.63 110.97 157.10 139.01 136.85 134.27 135.08 138.77 128.04 112.37
Al 309.27 215.79 137.60 153.97 161.11 192.24 146.69 218.80 146.20 140.16 143.68
Al 309.28 215.79 137.60 153.97 161.11 192.24 146.69 218.80 146.20 140.16 143.68
Ca 315.89 122.65 110.49 142.93 138.87 135.05 134.80 132.45 140.89 131.51 112.63
Mo 317.03 131.71 109.60 190.09 137.31 133.92 133.51 130.52 139.24 128.91 111.62
Ca 317.93 121.97 110.09 138.44 137.97 134.14 133.52 131.22 140.01 128.61 112.23
Mo 319.40 123.54 109.71 157.22 137.90 133.77 132.97 130.31 138.63 128.22 111.11
Ti 323.45 126.07 110.15 172.12 137.61 136.51 133.78 131.64 138.45 128.24 111.79
Ti 323.66 138.65 111.04 207.10 138.19 134.94 133.79 131.88 138.79 130.05 112.38
Ti 323.90 129.35 111.08 175.54 138.91 135.20 134.80 132.71 139.47 129.53 113.18
Cu 324.75 123.41 110.51 142.48 137.95 134.30 133.89 150.54 140.71 128.89 112.52
Cu 327.40 126.44 111.02 174.61 139.41 135.25 134.58 136.18 140.00 129.52 113.43
Ti 334.94 153.59 111.57 394.48 139.29 135.00 135.09 132.55 139.49 129.72 113.26
Ti 336.12 127.20 111.75 162.52 139.20 137.49 134.87 133.30 140.07 129.65 113.41
Ti 337.28 134.66 111.39 303.33 139.46 135.92 134.86 132.35 139.64 129.61 113.37
Ti 338.38 124.83 111.61 183.40 138.86 135.16 135.10 132.13 139.68 129.37 112.54
Ni 341.48 122.18 110.54 137.27 138.28 136.60 134.55 131.82 139.06 128.55 112.49
Ni 344.63 123.84 110.61 160.36 137.79 135.04 134.07 130.96 138.83 128.75 112.15
Ni 345.85 123.15 110.92 147.98 138.89 135.23 134.21 131.56 139.26 129.05 112.84
Ni 346.17 125.29 112.24 141.54 139.10 135.71 134.67 133.30 139.41 130.05 113.88
Ni 349.30 124.05 110.06 169.78 138.07 134.73 133.54 131.26 139.59 128.30 112.16
Ni 352.45 122.11 110.38 137.95 137.76 135.26 133.79 131.51 138.89 128.80 111.83
Ru 358.92 136.09 117.44 144.30 145.85 148.01 138.22 142.85 142.06 133.09 119.24
Ca 422.67 182.24 199.42 431.78 208.76 214.88 208.09 274.85 409.93 219.50 234.69
Ti 363.55 121.93 110.24 146.15 137.42 133.74 133.36 130.77 138.58 127.71 111.71
Ti 364.27 124.31 109.60 190.20 137.40 133.42 133.57 130.53 138.50 127.90 111.63
Ti 365.35 122.99 110.33 152.01 137.66 134.41 134.05 130.94 139.30 128.11 111.83
Ti 368.52 124.39 110.10 150.60 138.33 134.53 134.31 131.99 139.58 128.60 112.33
Fe 373.71 122.55 109.78 146.95 137.22 133.39 133.55 131.51 139.49 127.86 112.02
Ti 375.93 127.70 111.96 178.15 139.76 135.52 135.03 134.22 140.11 130.47 114.70
Ti 376.13 129.42 110.54 187.78 138.16 134.53 134.61 131.25 138.93 129.14 112.20
Al 394.40 307.37 240.06 296.37 279.10 332.16 275.25 352.13 279.01 244.54 240.88
Al 396.15 534.18 312.95 606.00 419.21 658.55 414.43 714.51 421.00 319.23 312.85
Ca 396.85 173.73 174.92 302.07 190.17 201.15 188.58 218.33 421.00 198.54 190.26
Ti 398.18 178.41 156.35 474.84 178.79 179.86 177.78 175.23 182.73 171.45 157.10
Ti 398.98 179.03 160.75 311.87 182.11 182.87 181.43 178.12 185.59 175.41 161.68
Ti 399.86 109.93 160.63 334.14 183.04 183.20 182.77 177.99 186.35 175.42 161.60
O 407.59 173.29 164.62 244.00 188.35 188.44 188.28 182.75 192.09 179.63 166.47
La 407.74 173.98 161.61 804.86 184.46 185.68 184.61 179.77 200.75 176.50 163.85
Ba 413.07 175.91 165.78 936.95 188.58 190.25 189.65 190.96 194.04 179.69 167.42
V 413.20 171.60 160.51 328.60 183.61 184.25 183.68 183.31 188.14 175.13 162.52
La 418.73 178.31 169.06 231.20 193.30 193.90 194.04 186.65 195.90 183.69 170.37
Ca 422.67 182.24 199.42 431.78 208.76 214.88 208.09 274.85 409.93 219.50 234.69
86
Bi 430.17 215.51 173.81 1388.26 197.62 199.86 199.94 192.27 202.58 201.18 176.38
V 439.52 204.40 178.73 741.86 201.36 203.23 203.62 195.32 204.18 193.82 179.78
Ca 442.54 179.46 172.09 389.80 195.55 195.94 196.20 188.79 202.46 186.82 173.73
Ca 443.50 183.14 178.51 285.64 200.39 201.66 202.05 194.58 214.50 192.17 180.76
Ca 443.57 178.24 173.03 263.33 196.46 197.65 197.42 190.83 210.55 187.74 174.96
Ca 445.48 188.28 171.62 879.84 194.67 195.74 195.19 191.25 216.38 186.97 174.70
Mg 448.11 198.36 180.79 741.85 200.64 209.89 202.15 201.61 201.70 187.78 174.37
Mg 448.13 201.28 183.63 754.19 202.82 212.55 204.74 203.96 203.96 190.82 177.12
Ba 455.40 189.89 179.86 4095.00 202.94 204.62 212.21 196.30 206.18 198.48 181.82
N 463.05 220.02 222.44 319.31 249.58 253.69 258.40 236.88 248.61 233.95 223.86
Al 466.31 237.56 227.49 234.96 240.21 274.96 249.41 251.69 242.40 230.11 225.38
Zn 472.22 193.62 190.88 456.67 210.71 213.30 212.56 258.92 217.60 200.14 190.11
Bi 472.25 192.76 187.76 509.12 210.56 214.45 212.84 251.36 217.52 199.95 188.00
Zn 481.05 184.06 180.85 341.40 201.59 205.77 204.05 268.60 211.71 191.90 181.03
Ba 493.41 187.03 184.61 3249.78 208.64 213.70 215.02 203.57 212.15 199.81 186.96
Ti 498.17 225.59 180.84 1182.30 205.97 207.16 207.54 198.34 207.08 196.72 183.39
Ti 499.11 227.63 182.58 1315.12 207.06 208.32 210.46 199.80 208.26 198.15 184.76
Ti 500.72 220.44 191.02 1177.42 214.15 215.05 217.01 205.98 214.82 204.29 192.87
Ti 501.42 206.88 177.48 1025.74 203.14 203.73 205.28 195.45 204.22 193.80 178.93
Ti 506.47 179.51 161.80 605.76 185.11 184.48 184.81 179.93 188.46 177.30 163.32
La 514.54 149.36 128.33 765.95 154.72 157.31 153.65 160.07 155.17 142.87 130.21
Cu 515.32 157.86 132.53 1213.55 158.53 160.62 158.53 186.18 160.29 146.80 134.36
Mg 517.27 135.29 139.83 510.13 164.02 168.35 164.39 171.57 162.92 151.63 139.35
Mg 518.36 179.73 146.36 455.10 169.25 175.14 169.87 181.54 167.22 156.06 144.25
Cr 520.45 157.80 140.90 517.96 167.28 169.50 168.71 167.35 166.12 154.99 142.22
Cr 520.60 159.94 140.12 897.82 166.47 169.13 167.89 168.09 166.06 154.15 142.16
La 521.19 205.52 136.36 2545.31 160.85 163.57 162.28 161.40 160.70 152.91 138.37
Cl 521.79 150.28 134.85 408.56 159.90 162.21 159.90 226.30 163.87 148.50 136.49
Cl 522.14 157.10 136.74 733.07 163.59 165.42 164.25 184.62 164.93 151.96 139.00
Se 522.75 163.40 134.16 803.35 160.19 162.43 159.93 160.60 160.20 149.89 136.08
Cl 539.21 162.71 142.58 536.87 167.80 171.43 169.12 164.62 167.47 156.56 144.16
Ba 553.55 186.88 163.70 4093.77 186.73 191.05 192.18 183.86 188.68 176.43 165.84
Ca 558.88 184.41 160.71 457.22 185.05 190.68 189.29 185.22 219.11 176.40 165.37
Ne 585.25 155.30 136.19 675.70 162.84 162.12 163.78 156.07 162.81 150.85 137.22
Na 589.00 252.18 203.03 2182.47 296.20 493.01 210.86 529.80 363.41 297.68 400.24
Na 589.59 195.63 162.14 1536.36 221.36 324.70 186.36 335.35 265.28 233.69 242.25
N 594.17 168.54 145.12 801.34 171.99 171.02 174.49 165.80 170.98 159.92 147.01
Ca 612.22 142.78 125.99 290.89 152.05 150.52 151.76 145.55 160.99 142.01 128.48
Ba 614.17 137.64 122.98 3349.50 148.79 147.31 148.67 142.34 151.91 138.82 124.39
Ca 616.22 153.30 139.81 277.45 166.39 167.44 167.05 158.79 173.34 155.37 141.48
Ca 643.91 130.64 118.08 300.37 136.36 138.34 136.49 138.56 168.35 134.57 123.74
Ca 646.26 142.67 129.22 287.45 147.14 152.70 148.71 147.37 167.01 145.28 132.11
N 648.21 153.21 139.28 1254.25 157.80 163.89 160.17 153.17 155.58 152.12 137.51
Ca 649.38 162.31 147.08 549.72 164.75 171.83 167.68 162.74 171.77 161.33 147.64
Ba 649.69 156.90 139.14 4095.00 159.10 166.29 163.87 154.97 156.57 156.62 139.80
Ba 649.88 159.55 140.50 3876.56 159.96 168.28 163.88 157.98 158.21 155.97 140.94
Ba 652.73 159.83 129.11 1540.92 152.23 163.93 155.25 153.84 146.49 143.09 133.38
Ba 669.38 128.66 111.08 1354.59 131.86 134.18 132.15 129.11 131.77 125.38 112.80
H 656.27 1503.31 735.22 551.14 894.19 1466.93 951.12 1121.77 668.76 694.54 855.33
H 656.27 1457.24 702.53 531.51 863.69 1423.90 916.33 1085.26 645.19 667.22 817.92
H 656.29 1457.24 702.53 531.51 863.69 1423.90 916.33 1085.26 645.19 667.22 817.92
Ba 659.53 169.82 133.48 1610.68 157.49 170.47 160.65 161.37 150.29 147.18 139.92
Ba 705.99 112.50 96.61 1262.85 118.14 118.71 117.24 114.74 118.96 111.46 97.27
Ba 728.03 112.36 101.77 451.40 120.06 118.06 120.51 116.98 123.23 115.22 102.18
N 744.23 272.39 237.92 150.33 255.47 271.21 307.63 256.18 301.92 267.67 231.78
N 746.83 355.37 301.27 160.07 326.18 351.97 409.95 332.03 403.82 348.35 293.29
K 766.49 111.67 103.39 152.15 120.33 117.51 119.79 122.39 127.23 115.78 107.65
Ba 767.21 109.08 98.76 227.65 117.62 115.94 117.49 114.31 120.84 112.49 99.94
K 769.90 110.44 101.32 139.84 118.70 116.69 118.41 118.41 124.27 113.57 104.13
87
O 777.19 353.36 292.63 163.14 323.04 359.06 414.04 333.98 406.03 343.67 285.03
O 777.42 367.06 305.64 162.67 332.31 372.44 428.32 345.03 417.56 356.71 298.17
O 777.54 308.65 252.94 154.09 286.90 316.24 362.91 296.78 355.28 302.74 248.17
Na 818.33 180.19 180.45 173.53 183.62 201.24 182.74 187.67 170.98 191.13 174.81
Na 819.48 154.49 140.43 196.88 165.84 173.80 162.70 165.38 160.35 163.48 141.27
Na 819.48 154.49 140.43 196.88 165.84 173.80 162.70 165.38 160.35 163.48 141.27
Cl 822.17 247.39 272.28 166.52 248.37 287.26 251.48 257.69 214.15 270.08 258.22
Cl 842.83 145.26 128.45 368.44 153.04 156.47 150.90 150.49 151.43 148.69 128.94
O 844.63 726.51 930.34 239.95 716.71 921.33 705.33 743.53 527.85 801.40 848.80
O 844.64 726.51 930.34 239.95 716.71 921.33 705.33 743.53 527.85 801.40 848.80
O 844.68 726.51 930.34 239.95 716.71 921.33 705.33 743.53 527.85 801.40 848.80
Ca 854.21 137.12 125.37 173.78 147.88 150.24 144.95 147.65 198.24 153.05 128.23
Ba 856.00 137.55 123.94 457.76 148.17 150.45 145.70 145.76 147.81 143.97 124.77
Pu 863.02 414.02 507.55 190.47 420.28 490.03 409.93 421.17 331.61 457.74 470.47
N 868.03 717.88 922.11 217.10 649.96 800.80 644.00 695.94 479.01 762.39 848.44
N 868.34 753.27 919.22 269.70 820.72 980.17 794.32 809.45 596.43 874.31 842.15
O 926.60 186.54 192.66 151.40 206.20 224.84 198.28 199.40 184.35 204.82 185.99
C 940.57 133.30 118.80 142.59 142.48 139.33 139.93 137.54 143.73 118.91
88
ANEXO 2
ESPECTROS ALEACIONES DOBLES
89
Aleación N.17 Latas de cerveza con perfil pintado
Aleación N.18 Latas de cerveza con perfil sin pintura
Aleación No.19 Latas de cerveza con zamak
Aleación No. 20 Latas de cerveza con planchas corrugadas
Aleación No. 21 Perfil con pintura y sin
pintura
Aleación No.22 Perfil con pintura y
zamak
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm)
Al
N
ClH
OMg Fe Ba Ca
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm)
Al
Mg
Ca NaO
H
N
Cl
Fe Ba
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm)
O
H
N
ClAl
Mg
Si
Ca
Na
Fe Ba
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm)
N
Na
O
ClHAl
Mg
BaCu Ca
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm)
Si Cu
Mg
Ca
O
HAl
N
Cl
BaFe Na
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm)
NMg
Al
O
H
Na
Cl
Ba
Ca
90
Aleación No. 23 Perfil con pintura y planchas
corrugadas
Aleación No. 24 Perfil sin pintura y
Zamak
Aleación No. 25 Perfil sin pintura y planchas corrugadas
Aleación No. 26 Zamak y planchas corrugadas
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm)
Al
Mg
Si
Ca
Na
O
H
N
Cl
BaCu
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000C
ount
s
Wavelength (nm)
N
Na
Ca
Al
Mg
O
H
Fe
Cl
Ba
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000C
ount
s
Wavelength (nm)
Mg
Si
Al
Ca Na
N
H
OCu Ba
Cl
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavlength (nm)
ClAl
Fe
H
O
N
NaBaMg
91
ANEXO 3
ESPECTROS DE ALEACIONES TRIPLES
92
Aleación No. 7 Latas de Cerveza, perfil con pontura y perfil sin pintura
Aleación No.8 Latas de cerveza, perfil con
con pintura y planchas
Aleación No.9 Latas de cerveza, zamak y planchas corrugadas
Aleación No.10 Perfil sin pintura, zamak y planchas corrugadas
Aleación No.11 Perfil con pintura, perfil sin pintura y zamak ,
Aleación No. 12 Perfil con pintura, perfil sin pintura y planchas corrugadas
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm)
Al
Ca Na
O
H
NCu
Mg
BaFe
Cl
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm)
Al
Ca Na
O
H
NCu
Mg
BaFe
Cl
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm)
Si
Al
Mg
Ca
Cu
H
O
N
Cl
NaBaFe
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm)
Al
Mg
Fe
Cu
Ca Na O
H
Cl
N
Ba
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm
Al
Mg
Fe
Cu
NaCaO
H
Cl
Ba
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm)
Al
Mg
CaN
O
H
Cl
NaBa
93
Aleación No. 13 Perfil con pintura, zamak y panchas corrugadas
Aleación No.14 Latas de Cerveza, perfil con pintura y zamak
Aleación No.15 Latas de cerveza, perfil sin pintura y zamak,
Aleación No. 16 Latas de cerveza, perfil sin pintura y planchas
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm)
Al
Cu CaFe
Mg Na
H
O
N
Cl
Ba
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm)
Al
Na
H
O
O
Cl
CaMg
Ba
Cu
Fe
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm)
Al
Mg CaFe NaO
H N
Cl
Ba
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm)
Mg
Al
Cu Ca O
HN
Na
Ba
Cl
94
ANEXO 4
ESPECTROS DE ALEACIONES CUADRUPLES
95
Aleación No. 2 Latas de cerveza, perfil con
pintura, perfil sin pintura y zamak.
Aleación No.3 Latas de cerveza, perfil sin
pintura, perfil con pintura y planchas
corrugadas
Aleación No. 4 Latas de cerveza, perfil con pintura, zamak y planchas corrugadas
Aleación No.5 Latas de cerveza, perfil pintura, zamak y planchas corrugadas
Aleación No. 6 Perfil con pintura, perfil sin pintura, zamak y planchas
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm)
Al
Mg
H
O
N
Cl
BaCa
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000C
ount
s
Wavelength (nm)
Al
Mg N
O
ClH
NaCa BaFeCu
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm)
Al
H
Na
Cl
O
N
Mg
Fe
Cu
Ca Ba
100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000C
ount
s
Wavelength (nm)
Al
Mg
H
Na
N
O
Cl
CaFe
Cu
Ba
200 300 400 500 600 700 800 900 10000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Cou
nts
Wavelength (nm)
Al
Mg
FeSi
Cu
Ca Na
H
N
Cl
OBa
96
ANEXO 5
ANALISIS DE MUESTRA DE LATAS DE CERVEZA CON DIFRACCIÓN DE RAYOS X
97
98
Picos característicos de Aluminio detectados por difracción de Rayos x
Base de datos del equipo de Difracción po Rayos X
99
ANEXO 6
ANÁLISIS CUALITATITO DE LATAS DE CERVEZA Y ANÁLISIS CUANTITATIVO DE PERFIL DE VENTANA CON ESPECTROMETRÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA
100
101
102
ANEXO 7
CHATARRA DE ALUMINIO ESTUDIADO
Latas de cerveza antes de fundirse Caja de Disco Duro
Desechos de
Latas de cerveza antes de fundirse Caja de Disco Duro
esechos de perfiles de Aluminio, con y sin pintura
Planchas Corrugadas
103
Latas de cerveza antes de fundirse Caja de Disco Duro
104
ANEXO 8
MUESTRAS DE DE CHATARRA DEL METAL FUNDIDO
105
Muestras de chatarra de aluminio inicial fundido
Aleaciones realizadas con los 5 tipos de chatarra iniciales
106
ANEXO 9
EQUIPO UTILIZADO PARA ESTA INVESTIGACIÓN
107
Equipo LIBS del Dpto. de Física de la Escuela Politécnica Nacional
Proceso de Análisis con LIBS
108
Proceso de Fundición en Horno a gas del Lab. De Fun dición de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Escuela Polit écnica Nacional
Horno a Gas
Proceso de fundición
