Jérôme Barraqué
Jobin Yvon S.A.S., 16-18 rue du Canal, 91 165 Longjumeau, France

1 - Introducción

El analizador de hidrógeno JY HORIBA EMGA 621W ha sido diseñado para mediciones precisas de contenido de hidrógeno en diferentes tipos de muestras tales como metales ferrosos, metales no ferrosos, semiconductores o materiales electrónicos. El contenido de hidrogeno se extrae por fusión de la muestra en gas inerte y es analizado por un detector de conductividad térmica de alta sensibilidad También es posible evitar la fusión y extraer el contenido de hidrógeno en la muestra calentándola por debajo del punto de fusión. Los propósitos de esta nota es explicar cuándo usar fusión o extracción sólida, los beneficios, las aplicaciones y muestras.

Figura 1: Principio del EMGA 621 W

2 Principio de la EMGA 621W

La muestra se coloca en un crisol de grafito. El crisol se mantiene entre el superior y el electrodo inferior del horno de impulso. Una alta corriente pasa a través del crisol creando un aumento de la temperatura. El gas generado en el horno se analiza por el detector de conductividad térmica después de la eliminación polvo y humedad.

3 Crisoles de grafito

Para el análisis de hidrógeno, dos tipos diferentes de crisoles de grafito se puede utilizar: crisoles pequeños y largos.

3.1 Crisol pequeño

El crisol pequeño (figura 2) se usa para concentración con alto contenido de hidrógeno. Una pequeña cantidad de muestra puede ser utilizado con este crisol.

3.2 Crisol de forma larga

El crisol de forma larga (figura 3) es para muestra baja concentración de hidrógeno. En este tipo de crisol un se analiza una mayor cantidad de muestra.

3.3 Crisol interior

Otro pequeño crisol de grafito, llamado crisol interior. (figura 4), puede agregar homogeneidad para mejorar la temperatura. Este crisol se puede introducir dentro de los dos crisoles anteriores.

El siguiente gráfico muestra la correlación entre la potencia aplicada en el horno EMGA 621W y la temperatura obtenida en diferentes posiciones del crisol.

Figura 2: crisol pequeño

Figura 3: crisol largo

Figura 4: crisol para interior

Figura 5: Correlación Potencia-Temperatura

4 Métodos de Extracción

Para extraer el contenido de hidrógeno en la muestra se utilizan dos diferentes métodos:

Método de extracción sólida sin fundir la muestra donde el hidrógeno migrará fuera de la muestra sólida,

Método de fusión con fusión de la muestra.

4.1 Método de extracción sólida

La temperatura utilizada para extraer el contenido de hidrógeno, está por debajo del punto de fusión (500°C-1200°C) durante toda la medición (ver figura 6) la muestra no se fundidora.
La ventaja de este método es que el mismo crisol se puede reutilizar para varios análisis, lo que reduce el costo por análisis. Con este método el análisis será más largo en tiempo y para algunos casos es posible que algo de hidrógeno permanezca en la muestra.
En el ejemplo mostrado en la figura 6, la extracción de la temperatura fue de 900°C. Es necesario optimizar la temperatura del extracto de acuerdo con el tipo de muestra y sus propiedades, generalmente de 500°C a 1200°C.
La programación es muy fácil porque es posible introducir directamente la temperatura en °C incluso si el control del horno es potencia (kW).

4.2 Método de fusión

La temperatura utilizada para extraer el contenido de hidrógeno, es de aproximadamente 2000°C durante toda la medición (ver figura 7). La muestra se derretirá por completo.
La ventaja del método de fusión es que todo el contenido de hidrógeno se extrae y la medición es rápido (menos de 2 minutos). cada crisol es usado una sola vez durante el método de fusión.

Figura 6: Parámetros de extracción de sólidos

Figura 7: Parámetros de fusión

5 Preparación de Muestras

Para analizar muestras de acero, cobre, titanio, tierras raras, aluminio varillas o bloques, la muestra tiene que estar preparada antes del análisis para eliminar la contaminación superficial.
Evite contaminación. Deben prepararse con cuidado. La temperatura de la muestra no se debe incrementar porque el hidrógeno se puede disparar fuera de la muestra y una pérdida de hidrógeno puede ocurrir durante la preparación de la muestra.

Figura 8: Protocolo de preparación de muestras

6 Métodos de Calibración

Para calibrar el EMGA 621W, dos métodos diferentes se pueden utilizar: una muestra de calibración usando un estándar certificado de hidrogeno y un gas de calibración usando gas puro de hidrogeno.

6.1 Calibración de Muestra

Para la calibración de la muestra, tres blancos y un estándar de hidrogeno son medidos tres veces. La concentración de la muestra estándar será seleccionada para cubrir toda la concentración del rango de las muestras.

6.2 Calibración de Gases

Para la calibración de gas, un volumen fijo de gas puro de hidrógeno es inyectado en el circuito de flujo. Establecido sobre este volumen y la concentración de gas puro, la concentración equivalente de la muestra es calculada: aproximadamente 200 ppm para 100% de gas hidrógeno).

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7 Tipo de Método Recomendado

Una de las ventajas más importantes de la EMGA 621W es que una extracción sólida y un método de fusión se puede hacer en el mismo instrumento. En la siguiente tabla, verá qué método se recomienda para analizar los diferentes tipos de muestras.

Tabla 1: Método recomendado para diversas aplicaciones

Aplicaciones	Extracción Sólida	Fusión	Comentarios
Acero	Si	Si	No problema en ambos métodos
Acero Inoxidable	Si	Si	Sin difusión a temperatura ambiente (difusión 1100°C)
Aleaciones de acero	Si	Si	No hay problema en ambos métodos.
Níquel	Si	Si	Mismo comportamiento que el acero.
Aluminio	No	No	Problema de hidrógeno superficial.
Circonio	Si	Si	Difícil en la extracción de sólidos.
Titanio	No	Si	Fusión recomendada.

8 Resultados

Para calibrar el EMGA 621W, dos métodos diferentes se pueden utilizar: una muestra de calibración usando un estándar certificado de hidrogeno y un gas de calibración usando gas puro de hidrogeno.

Tabla 2: Muestra de acero con 3% de cromo

Fusión (H ppm)	Extracción tiempo (s)	Extracción solida (H ppm)	Tiempo extracción (s)
1.9	80	1.9	295
1.9	80	1.8	295
2.0	80	1.9	295

Las concentraciones a continuación están cerca de los resultados anteriores. Muestra en este caso, que el hidrógeno se difunde muy lentamente de este tipo de muestra.

D

Tabla 3: Muestra de acero con 3% de cromo (dejado largo tiempo a temperatura ambiente)

Fusión (H ppm)	Tiempo de Extracción (s)	Extracción solida (H ppm)	Tiempo de Extracción (s)
1.6	80	1.6	295
1.7	80	1.7	295
1.6	80	1.5	295

8.1 Ejemplo de curvas de fusión y extracción de sólidos

El gráfico de la figura 10 a continuación muestra la fusión y la gráfica de extracción sólida para la misma muestra. En el gráfico, la curva roja representa la temperatura de fusión (2000°C) y la temperatura de extracción sólida (900°C). Una línea azul es la curva de extracción de Hidrógeno en modo fusión y el otro para extracción sólida. El tiempo de extracción es más rápido en el modo fusión.

Figura 10: Curvas de fusión y extracción de sólidos

9 Conclusión

El EMGA 621W proporciona métodos de fusión y extracción sólida. Según la matriz de la muestra (titanio, zirconio, aluminio...) y la expectativa del analista es posible seleccionar el método adecuado. Se debe tener cuidado con la preparación de la muestra para evitar la pérdida de hidrógeno debido a un aumento de la temperatura de la muestra.

Referencias:

Análisis de hidrógeno en acero y metales: Extracción en Sólido o Fusión - Autor: Jérôme Barraqué Jobin Yvon S.A.S., 16-18 rue du Canal, 91 165 Longjumeau, France