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Efecto del proceso de soldadura por arco sobre la composición de humos producidos en la soldadura de un acero

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Academic year: 2020

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO ESCUELA DE POSTGRADO PROGRAMA DOCTORAL DE CIENCIAS AMBIENTALES. EFECTO DEL PROCESO DE SOLDADURA POR ARCO SOBRE LA COMPOSICIÓN DE HUMOS PRODUCIDOS EN LA SOLDADURA DE UN ACERO Tesis para optar al grado de Doctor en Ciencias Ambientales. AUTOR: Ms. JORGE WILFREDO VERA ALVARADO ASESOR: Dr. JORGE FLORES FRANCO TRUJILLO – PERÚ 2009.

(2) AGRADECIMIENTO Expreso mi agradecimiento:. Al Dr. Jorge Flores Franco, por su asesoría y ayuda en la planificación y desarrollo de este trabajo. A la Universidad Nacional de Trujillo, por la concesión de la beca de estudio y la Universidad Autónoma de México, por el apoyo para el desarrollo experimental.

(3) INDICE AGRADECIMIENTO…………………………………………………………….i INDICE……………………………………………………………………….... ii. INDICE DE TABLAS E ILUSTRACIONES……………………………….. iii. RESUMEN……………………………………………………………………….iv ABSTRACT ........................................................................................................... v INTRODUCCIÓN ………………………………………………………………7 1.1 Realidad Problemática …………………………………………………..…....1 1.2 Antecedentes Bibliográficos del problema………………………………....... 3 MATERIAL Y METODOS ................................................................................ 23 2.1 Material ........................................................................................................... 23 2.1.1 Población ...................................................................................................... 23 2.1.2 Muestra ........................................................................................................ 24 2.1.3 Unidad de análisis......................................................................................... 25 2.2 Método:............................................................................................................ 26 2.2.1 Tipo de estudio …………………………………………………………….26 2.2.2 Diseño de investigación……………………………………………………26 2.2.3 Variables y operativización de variables………………………………… . 27 2.2.4 Instrumentos de recolección de datos…………………………………….. 27 2.3 Procedimiento y análisis estadístico ............................................................... 28 RESULTADOS .................................................................................................... 33 3.1 Efecto del tipo de proceso de soldadura en Cromo (VI)……………. ……... 33 DISCUSION DE RESULTADOS ...................................................................... 40 4.1 Efecto del proceso de soldadura en la composición de humos….................. 40 PROPUESTA ....................................................................................................... 46 CONCLUSIONES ............................................................................................... 52 REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍCA. ……………………………………53.

(4) INDICE DE TABLAS. Tabla I.1 Contaminantes en soldadura .................................................................... 7 Tabla I.2 Valores límite ambiental de exposición para compuestos de cromo ....... 8 Tabla I.3 Reacciones química de Cr-O .................................................................. 16 Tabla II.1 Características del material Base .......................................................... 23 Tabla II.2 Propiedades mecánicas del material Base ............................................ 23 Tabla II.3 Especificaciones de los procedimiento de soldadura ............................ 24 Tabla II.4 Especificaciones de los Materiales de aporte ....................................... 24 Tabla II.5 Diseño experimental ………………………………………………....27 Tabla III.1 Cr(VI) soluble en humos de soldadura ………………………….……..33 Tabla III.1 Cr(VI) Insoluble en humos de soldadura ……………………………… 34 Tabla III.3 Efecto del proceso en la composición promedio…………………….34 Tabla III.4 Relaciones establecidas entre los Elementos presentes……………...36 Tabla III.5 Análisis de varianza para Cr(VI)sol …………………………………39 Tabla III.6 Análisis de varianza para Cr(VI)Inso… …………………………... 39. INDICE DE ILUSTRACIONES. Figura 1.1 Esquema del proceso SMAW. ............................................................. 10 Figura 1.2 Esquema del proceso GMAW. ............................................................. 12 Figura 1.3 Esquema del proceso STAW. .............................................................. 13 Figura 1.4 Formación de Cr hexavalente en GMAW. ........................................... 14 Figura 2.1 (a) Sistema de Filtros, (b) Porta filtros. ................................................ 25 Figura 2.2 Cámara para soldadura ………………………………………………29 Figura 2.3 Determinación de cromo hexavalente soluble. .............................. …..31 Figura 2.4 Determinación de cromo hexavalente insoluble. ................................. 32 Figura 3.1 Efecto del proceso de soldadura en Cr(VI)insoluble…………………….35 Figura 3.2 Efecto del proceso de soldadura en Cr(VI)soluble…………………….. 35 Fig. 4.1 Esquema de la formación del humo durante la soldadura………………41.

(5) RESUMEN. El propósito de este estudio es investigar el efecto del proceso de soldadura GMAW, GTAW y SMAW en la composición de humos. de soldadura en acero. inoxidable AISI 304 L. El diseño experimental permitió obtener simultáneamente ocho muestras por prueba, captadas en filtros de microfibra de vidrio impregnados con disolución de hidróxido sódico 1M. El método analítico permite determinar los compuestos de cromo presentes en humos de soldadura según el estado de oxidación y solubilidad, utilizando como técnica instrumental la espectrometría de absorción atómica. De los resultados observamos que el tipo de proceso de soldadura influye en la composición de los humos de soldadura. Cromo hexavalente soluble para proceso SMAW, es muy superior al hallado en los procesos GMAW y GTAW. Mientras que en GTAW hay menor generación de humos durante el desarrollo del proceso. Las cantidades de cromo hexavalente insoluble son muy inferiores a las encontradas de la especie soluble encontrándose la mayor cantidad en muestras procedentes de proceso SMAW.. Palabras clave: Cromo hexavalente, Humos de soldadura, procesos de soldadura.

(6) ABSTRACT. The intention of this study is to investigate the effect of the process of weld GMAW, GTAW and SMAW in the composition of smoke of stainless steel weld AISI 304 L. The experimental design allowed to obtain eight samples by test simultaneously, caught in fiber glass filters impregnated with dissolution of sodium hydroxide 1M. The analytical method allows determining present chromium compounds in weld smoke according to the oxidation state and solubility, using like instrumental technique the atomic absorption spectrometry. Of the results we observed that the type of weld process influences in the composition of the weld smoke. Soluble hexavalente chromium for process SMAW, is far beyond the found one in processes GMAW and GTAW. Whereas in GTAW there is minor generation of smoke during the development of the process. The amounts of insoluble hexavalente chromium are very inferiors to the found ones of the soluble species being the greater amount in samples coming from process SMAW.. Key words: Hexavalente chromium, Smoke of weld, processes of weld.

(7) INTRODUCCIÓN 1.1. REALIDAD PROBLEMATICA Se estima que aproximadamente el 1% del trabajo que se realiza en los. países industrializados está relacionado con procesos de soldadura de metales (Diebold F., Hubert G). En 1999 unos 700.000 trabajadores en Estados Unidos y 400.000 en Japón estaban ocupados en este tipo de operaciones (Saito H.), actualmente esta cifra se mantiene y son más de un millón de trabajadores en el mundo los que realizan operaciones de soldadura (Antonini J. M., Lewis A. B., Roberts J. R., Whaley D. A).. La Salud Ocupacional a nivel mundial es considerada como un pilar fundamental en el desarrollo de un país, siendo la salud ocupacional una estrategia de lucha contra la pobreza sus acciones están dirigidas a la promoción y protección de la salud de los trabajadores y la prevención de accidentes de trabajo y enfermedades ocupacionales causadas por las condiciones de trabajo y riesgos ocupacionales en las diversas actividades económicas. La Organización Internacional del Trabajo (OIT), informa en el año 2002, que cada año en el mundo 270 millones de asalariados son víctimas de accidentes de trabajo, y 160 millones contraen enfermedades profesionales. En América Latina, incluyendo Perú aún no se conoce bien la magnitud que alcanzan las enfermedades ocupacionales. La OIT estima, que en países en vías de desarrollo, el costo anual de los accidentes y enfermedades ocupacionales está entre el 2% al 11% del Producto Bruto Interno (PBI), en el Perú es de aproximadamente $ 50,000 millones de dólares americanos, es decir entre $1,000 y $5,500 millones de dólares americano anuales, es posible disminuir estos costos con acciones preventivas de bajo costo e inversión. En Perú, se desconoce la magnitud de la población trabajadora que se encuentra expuesta a diferentes riesgos ocupacionales y no se cuenta con información estadística sobre enfermedades y accidentes de trabajo. En el.

(8) sector Salud, de conformidad a lo dispuesto en la Ley del Ministerio de Salud, Ley No 27657 del año 2002, son dos las instituciones que tienen competencias en salud ocupacional: el Instituto Nacional de Salud (INS) cuya misión es desarrollar y difundir la investigación y la tecnología en salud ocupacional; y la Dirección General de Salud Ambiental (DIGESA) que es el órgano técnico normativo en los aspectos de salud ocupacional a través de la Dirección Ejecutiva de Salud Ocupacional (DESO), para lo cual coordina con los Institutos Especializados, Organismos Públicos Descentralizados de Salud, Órganos Desconcentrados y con la Comunidad Científica Nacional e Internacional. Los procesos de soldadura,. especialmente. los. que. no están. mecanizados, producen una cantidad de humo apreciable que puede contener elevadas. concentraciones. de. contaminantes. altamente. peligrosos,. estimándose que más del 95% de los humos son respirables (Stern. R. M.). La soldadura de acero inoxidable puede producir humos que contienen hasta el 25% de compuestos de cromo distribuido en todas las formas posibles de estados de oxidación y solubilidad, resultando prácticamente imposible predecir su composición (Ebbe Thomsem M.Sc). Los resultados obtenidos en diferentes estudios epidemiológicos no resultan coincidentes en cuanto al aumento del riesgo de cáncer de pulmón en soldadores de acero inoxidable (Diebold F., Hubert G) ya que, cuando se observa, dicho aumento puede ser atribuido a la exposición no sólo a compuestos de cromo presentes sino a otros contaminantes habituales en los humos producidos en esta operación (níquel, cadmio, arsénico, berilio). Estos datos justifican la importancia del estudio y conocimiento del efecto de los humos de soldadura sobre la salud de los trabajadores expuestos. La naturaleza y la concentración de los contaminantes químicos generados en cada proceso de soldadura y por lo tanto, su efecto sobre la salud, depende de las características de los materiales que intervienen y de la forma específica de ejecutar la operación 1.2 ANTECEDENTES BIBLIOGRAFICOS DEL PROBLEMA Perú tiene una tradición milenaria en la que el trabajo es considerado como un deber social. Durante la Conquista por los españoles, el sistema productivo se modificó. Desde la Colonia hasta la etapa Republicana se cimienta la coexistencia del modo de producción variado que influye en el paso.

(9) del Perú al proceso productivo industrial. En 1911 se dio la primera Ley sobre Accidentes de Trabajo, Ley No 1378 (José Matías Manzanilla), norma pionera en la región y avanzadísima para su época, introduce la teoría de responsabilidad por riesgo, quien crea un puesto de trabajo está creando un riesgo, no siendo necesario demostrar la culpa del empresario pues éste responde al riesgo existente en el trabajo por él creado. Los empresarios para cubrirse de esta responsabilidad aseguraban a sus trabajadores contratando pólizas con seguros privados; esto duró 60 años. En 1936 se crea el Seguro Social Obrero, en el que se establece cobertura por enfermedad, maternidad, invalidez, vejez y muerte, no considerando los accidentes y enfermedades ocupacionales. El 5 de Agosto de 1940 por Decreto Supremo se crea el Departamento de Higiene Industrial dentro del Ministerio de Salud Pública y Previsión Social. Por Ley 10833 de 1947 se crean los fondos, para el Departamento de Higiene Industrial, con el aporte del 1,8 % de la planilla de salarios de los trabajadores mineros, posteriormente Instituto de Salud Ocupacional. En 1957 el Departamento de Higiene Industrial se transforma en Instituto de Salud Ocupacional (ISO), durante este periodo se realizaron diversos estudios de investigación: “Diámetro transverso del corazón en los mineros de altura”, Diversos Estudios sobre Control de Polvos Contaminantes en Plantas Mineras” , “Silicosis” , “Tuberculosis y Mal de Montaña Crónico”, “Intoxicación por Insecticidas en valles de Cañete, Chincha, Pisco e Ica”, “Visita de inspección y control de las condiciones de trabajo”, “Investigación sobre la correlación del factor tiempo, concentración y la Silicosis”, “Diagnóstico de Silicosis”, “Límites Fisiológicos de Adaptación a la Altura - Factores Hemáticos y Cardiopulmonares”, “ Metabolismo Basal en el Frío”, “ Aplicación de la Cromatografía de Gases a los Estudios de Ventilación Pulmonar”. Fue el Centro de Capacitación Profesional Especializado a nivel latinoamericano. El ISO en 1985 se eleva a la categoría de Instituto Nacional de Salud Ocupacional (INSO). De 1990 a 1994 el INSO sufrió cambios, integrándose a la Dirección General de Salud Ambiental (DIGESA), en esta década el campo de la salud ocupacional fue minimizado por la corriente ambientalista. En abril de 2001 mediante R.M. No 223-2001-SA/DM, la Dirección Ejecutiva de Salud.

(10) Ocupacional se incorpora en el Reglamento de Organización Y funciones (ROF) de la DIGESA. En Julio de 2001 el INSO, pasa a ser un órgano desconcentrado de la estructura orgánica del Ministerio de Salud, denominándose Instituto de Salud Ocupacional “Alberto Hurtado Abadía”. Mediante la promulgación de la Ley del Ministerio de Salud, Ley No 27657 publicada en Enero del 2002, se crea el Centro Nacional de Salud Ocupacional y Protección del Ambiente para la Salud (CENSOPAS), como integrante del Instituto Nacional de Salud (INS), órgano descentralizado del MINSA. En Noviembre de 2002 según el D.S. Nº 014-2002-SA Reglamento de Organización y Funciones del MINSA, la Dirección Ejecutiva de Salud Ocupacional (DESO) se ubica en la estructura orgánica de la DIGESA. Durante el gobierno de Toledo, Mediante R. M. No 573-2003-SA/DM con fecha 27 de Mayo de 2003 se asigna funciones con competencias en salud ocupacional a las Direcciones de Salud y Direcciones de Redes de Salud, como órganos desconcentrados; una de estas funciones es la de vigilancia y control de riesgos en el trabajo, en las diversas actividades económicas; la cual requiere que sea estandarizada mediante el uso de instrumentos de gestión, así como del conocimiento de principios básicos en salud ocupacional, y de criterios técnicos normativos en los que se enmarca su competencia; por tal razón se presenta el Manual de Salud Ocupacional a consideración de los sectores académicos, técnicos, administrativos, gubernamentales, empresariales y de la opinión pública, a fin de controlar los riesgos ocupacionales en el marco de la descentralización y desarrollo sostenible y funciones, habiéndose constituido en el 2004 las Unidades de Salud Ocupacional como componente organizacional de las Direcciones Ejecutivas de Salud Ambiental (en las 34 DESAs) de las Direcciones Regionales de Salud (DIRESAs) y Direcciones de Salud (DISAs), las mismas que vienen realizando acciones de vigilancia de salud ocupacional en las regiones del país. Los Indicadores ambientales de la exposición en el Perú, la catalogación es hecha por Centro de Documentación OPS/OMS en el Perú Manual de Salud Ocupacional / Ministerio de Salud. Dirección General de Salud Ambiental. Dirección Ejecutiva de Salud Ocupacional. – Lima: Dirección General de Salud Ambiental, 2005 98 p. SALUD OCUPACIONAL / LEGISLACION LABORAL / RIESGOS LABORALES / PERU, sobre “la protección de la salud y seguridad.

(11) de los trabajadores contra los riesgos relacionados con los agentes químicos durante el trabajo”, define los VLA (Valores Límite Ambientales) como valores de referencia para las concentraciones de los agentes químicos en la zona de respiración del trabajador. Los VLA representan concentraciones por debajo de las cuales se cree que casi todos los trabajadores pueden estar expuestos repetidamente día tras día sin sufrir efectos adversos para la salud. Sin embargo, dada la gran variabilidad en la susceptibilidad individual, es posible que un pequeño porcentaje de trabajadores experimente malestar ante algunas sustancias a concentraciones iguales o inferiores al límite, mientras que un porcentaje menor puede resultar afectado más seriamente por el agravamiento de una condición que ya existía anteriormente o por la aparición de una enfermedad profesional. Los valores límite se basan en la información disponible obtenida mediante la experiencia en la industria, la experimentación humana y animal y, en ocasiones, por la combinación de las tres. La base sobre la que se establecen los valores límite puede diferir de una sustancia a otra; para unas, la protección contra el deterioro de la salud puede ser un factor que sirva de guía, mientras que para otras la ausencia de irritación, narcosis, molestias u otras formas de malestar puede constituir la base para fijar dicho valor. Los daños para la salud considerados se refieren a aquellos que disminuyen la esperanza de vida, comprometen la función fisiológica, disminuyen la capacidad para defenderse de otras sustancias tóxicas o procesos de enfermedad, o afectan de forma adversa a la función reproductora o procesos relacionados con el desarrollo. Los diferentes tipos de soldadura por arco eléctrico tienen en común el hecho de utilizar elevadas temperaturas para conseguir la fusión de los metales que intervienen en el proceso. Esta fusión implica la dispersión en el aire de partículas muy finas de compuestos metálicos, sales y óxidos, y la emisión de diversos gases formados por las reacciones químicas que tienen lugar alrededor del punto de soldadura. Con el nombre de”humos de soldadura” se designa habitualmente a la totalidad de los contaminantes emitidos, tanto materia particulada como gases (Shane Ashby H.). La formación de humos sigue diferentes mecanismos: las partículas más pequeñas se forman por.

(12) condensación de los metales vaporizados, mientras que las más gruesas se producen por aglomeración posterior de las partículas finas. De forma aproximada puede señalarse que el 85% de partículas presenta un tamaño inferior a 1 m (Neulicht R., Holt C F). Diferentes componentes están presentes en los humos emitidos por los diferentes procesos de soldadura, su distribución, tanto cualitativa, cuantitativa, estado de oxidación y solubilidad de los compuestos formados, está determinada por tantas variables que resulta prácticamente imposible establecer generalizaciones. A pesar de esto, los datos recogidos en la bibliografía están de acuerdo en señalar que, en relación con los procesos GMAW, en la soldadura SMAW se encuentra una mayor presencia tanto de compuestos de cromo hexavalente como de cromo total. Cuando se utilizan electrodos que contienen cromo, la concentración del cromo hexavalente puede alcanzar el 5% del total de los humos en forma de cromatos o dicromatos de sodio y potasio. Estos elementos metálicos se encuentran como silicatos en el recubrimiento de los electrodos (Dennis J. H). La. soldadura. GMAW. produce. la. mayor. cantidad. de. ozono,. especialmente cuando se suelda aluminio. Estos vapores irritan los ojos, la nariz, la garganta y los pulmones y pueden dañar los pulmones. Los óxidos nitrosos pueden producir líquido en los pulmones y si con el tiempo Ha respirado gases y vapores en grandes cantidades, su salud va a sufrir algunos efectos como problemas crónicos con los pulmones: bronquitis, neumonía, asma, cáncer al pulmón, cáncer a la laringe, cáncer a las vías urinarias (De Bruin A) Los Vapores de soldadura son vapores de metales tóxicos que generalmente tienen diferentes composiciones, dependiendo de los metales que se usan para soldar. Por este motivo contienen varias sustancias contaminantes. Los tipos de vapores y gases se producen durante el proceso de soldadura son: monóxido de carbono, fluoruro de hidrógeno, óxido de nitrógeno y ozono y Vapores como molibdeno, níquel, vanadio, óxidos de zinc, fluoruro, óxido de hierro, plomo, manganeso, aluminio, Berilio, óxidos de cadmio, cromo, cobre.

(13) El Standard de la oficina federal de OSHA 29CFR1910.252 cubre requisitos de seguridad específicos, en la siguiente tabla se exponen los valores límites permisibles (There sold) Tabla 1.1 Contaminantes en soldadura CONTAMINANTES EN SOLDADURA Contaminantes. TLV ( mg/m3). Contaminantes. TLV. Óxido de Hierro. 5. Ozono. (0.05-0.1) p.p.m.. Óxido de Cromo. 0.5. NO2. 3 p.p.m.. Óxido de Aluminio. 10. CO. 25 p.p.m. Óxido de Níquel. 1. CO2. 500 p.p.m. Óxido de Cobre. 0.2. Fosgeno. (0.02-0.08) p.p.m. Óxido de Plomo. 0.15. Humos (NCOF). 5 mg/m3. Óxido de Zinc. 5. En España hay 3 categorías o clases de valores límites permisibles: o Valor límite permisible ponderado en el tiempo (TLV-TWA) Es la concentración promedio para un día normal de trabajo de 8 horas o una semana de 40 horas y a la cual puede estar expuesto el trabajador sin sufrir efectos adversos en su salud. o Valor límite permisible para breve tiempos de exposición (TLV-STEL) Es la concentración máxima a la cual pueden estar expuestos en forma continua los trabajadores durante un período no mayor de 15 minutos sin sufrir irritación, alteraciones crónicas e irreversibles en los tejidos, narcosis que reduzca la capacidad de trabajo o aumente la posibilidad de accidentes. Solo se permiten 4 exposiciones diarias a esta concentración máxima y además los intervalos entre las exposiciones no pueden ser inferiores a 60 minutos. o. Valor límite techo (TLV- Ceiling) Es la concentración que no debe ser superada en ningún instante de la jornada diaria de trabajo.. Los valores límite para compuestos de cromo varían según el país de que se trate. En la tabla 1.2 se muestran los valores límite ambiental propuesto por diferentes países en el año 2001 (Health Safety and Environment Guidelines for Chromium)..

(14) Tabla 1.2 Valores límite ambiental de exposición para compuestos de cromo (2001) PAIS COMPUESTO DE CROMO LIMITE DE EXPOSCIÓN (mg/m3) Finlandia Compuestos de Cr, Cr(II) y Cr(III) 0.5 Compuesto de Cr (VI) 0.05 Francia Cr metálico 0.5 Compuesto de Cr (VI) Alemania Compuesto de Cr(VI) Excepto insolubles 0.05 Compuesto de Cr(VI) en humos soldadura SMAW 0.05 Otros compuesto de Cr (VI) 0.025 Japon Compuestos de Cr(VI) 0.05 Reino Cromo metálico y compuestos de Cr(III) 0.5 Unido Compuestos de Cr(VI) 0.05. En Perú se han utilizado estándares ambientales a ser requeridos durante el desarrollo del Proyecto Pisco. La selección del estándar se basó en un análisis de la legislación tanto peruana como internacional como así también guías de diversos organismos, respecto a calidad de aire, calidad de agua, ruido, vertidos, manejo de residuos sólidos , en lo que se refiere al elemento Cromo+6, se utilizó 0,1 (mg/l) como valor limite y este dato se tomó de acuerdo al Banco Mundial, el cual es un estándar para vertido de efluentes de calidad de agua de mar , en el diario El Peruano - Edición del 06/07/2005 - Pagina 32 proporciona. los. VALORES. LIMITE. PERMISIBLES. PARA. QUIMICOS CANCERIGENOS EN EL AMBIENTE DE TRABAJO. AGENTES como el. Cromo (VI) compuesto soluble, esto es Cr. 0.05 mg/m3, sin embargo no hay normativa vigente sobre contaminantes en soldadura De las consideraciones realizadas en relación con los diferentes valores límite ambientales propuestos para evaluar la exposición laboral, se deduce fácilmente la necesidad de disponer de un método analítico que dé respuesta a la gama más amplia de requerimientos, permitiendo la determinación diferencial de las distintas especies de cromo atendiendo tanto a la valencia del elemento en el compuesto como a la solubilidad de éste, teniendo en cuenta que, si bien el primer concepto resulta inequívoco, cuando se hable de solubilidad es preciso especificar el medio al que está referido.

(15) 1.3 MARCO TEORICO La soldadura manual con electrodo revestido (SMAW) opera mediante el calentamiento del metal con un arco eléctrico entre un electrodo de metal recubierto, y los metales a ser unidos. El arco es creado entre el electrodo y la pieza de trabajo debido al flujo de electricidad. Este arco provee calor, o energía, para fundir el metal base, metal de aporte y recubrimiento del electrodo. A medida que el arco de soldadura avanza, deja detrás metal de soldadura solidificado cubierto por una capa de fundente, conocido como escoria. Esta escoria tiende a flotar fuera del metal debido a que solidifica después que el metal fundido haya solidificado. Otra característica es la presencia de gas de protección, producido cuando el recubrimiento del electrodo es calentado y descompuesto.. Figura 1.1 Esquema del proceso SMAW (De Roy Neulicht y Charles F Holt Emission Factors for Electric Arc Welding. MRI Project nº 4601-02. 1994). Una característica importante para el proceso de soldadura por arco con gas de protección (GMAW), es que toda la protección para la soldadura es provista por una atmósfera de gas protector que también es suministrado a través de la pistola de soldadura desde alguna fuente externa. Los gases usados incluyen los del tipo inerte y los reactivos. Para algunas aplicaciones se usan gases inertes tales como el argón y el helio. Puede usarse uno sólo, en combinación con el otro, o mezclado con otros gases reactivos como el oxígeno o el dióxido de carbono. Los electrodos usados en este proceso son alambres sólidos que se proveen en bobinas o rollos de distintos tamaños. Como en el caso de.

(16) soldadura por arco con electrodo revestido, hay un método de identificación de los electrodos de soldadura por arco con alambre y protección gaseosa aprobado por la American Welding Society. Se distinguen por las letras “ER” seguidas por dos o tres números, la letra “S”, un guión, y finalmente otro número, “ER” designa al alambre que es a la vez electrodo y varilla, esto significa que puede conducir electricidad (electrodo), o ser simplemente aplicado como metal de aporte (varilla) cuando es usado con otro proceso. Se trata de un proceso de soldadura que produce un arco entre el material a soldar y un hilo consumible utilizado como metal de aporte, este hilo se va incorporando de forma continua a medida que se va consumiendo. En el extremo del electrodo se suministra un gas inerte, generalmente argón, para proteger el arco. Este tipo de soldadura también se denomina MIG por hacer referencia explícita a la naturaleza inerte del gas protector tradicionalmente utilizado. Dicho procedimiento permite trabajar de forma semiautomática o automática y puede utilizarse para soldar metales de importancia comercial como acero al carbono, acero inoxidable, aleaciones de níquel, titanio, aluminio y cobre. La principal ventaja de la GMAW es los Kilogramo por hora de metal depositado que reduce el costo de mano de obra. Otro beneficio de la soldadura por arco con alambre y protección gaseosa es que se trata de un proceso relativamente limpio, principalmente debido a que no hay fundente presente en el proceso. En los locales con problemas de ventilación pueden verse aliviados cambiando a soldadura por arco con alambre y protección gaseosa donde se usaba soldadura por arco con electrodo revestido o soldadura por arco con alambre tubular, porque se genera menor cantidad de humos. Con la existencia de numerosos tipos de electrodos y equipos que se han transformado más portátiles, se continúa mejorando la versatilidad de la soldadura por arco con alambre y protección gaseosa. Algunos estudios revelan que variando el caudal del gas de protección (Argón con 5% de CO2) entre 0 y 30 l/min la cantidad de cromo hexavalente permanece prácticamente constante, mientras que la presencia de otros contaminantes como el ozono se ve afectada de forma muy significativa. Asimismo, no se observan cambios en la concentración de compuestos de cromo hexavalente cuando varía la distancia entre la varilla con relación al.

(17) punto de soldadura desde 15 a 30 mm. Cuando se cambia el voltaje de soldadura desde 15 a 35 V se aprecia un máximo en la concentración ambiental de cromo hexavalente alrededor de 20 V, aunque no hay variaciones significativas en toda la gama de voltajes aplicados. Se han realizado estudios con 9 gases de protección y se ha podido comprobar que este factor afecta de forma notable a la presencia de cromo hexavalente, aunque el efecto no siempre tiene el mismo sentido para todos los contaminantes. La máxima concentración de los compuestos de cromo hexavalente corresponde a la utilización de argón puro mientras que los valores mínimos corresponden a la utilización de argón con 300 ppm de NO y a argón con 300 ppm de CF2Cl2. En este último caso la concentración de la especie hexavalente es del 20% con relación a la obtenida con argón puro (Dennis J. H). Figura 1.2 Proceso de soldadura GMAW (De Roy Neulicht y Charles F. Holt Development of Particulate and Hazardous Emission Factors for Arc Welding). En el proceso de soldadura por arco con gas de protección y usando electrodo de Tungsteno (GTAW), el electrodo usado no se consume durante la operación de soldadura. En este caso el Tungsteno es puro o aleado, y tiene la capacidad de soportar temperaturas muy altas, incluso aquellas del arco de soldadura. Por esto, cuando pasa la corriente, se crea un arco entre el electrodo de tungsteno y la pieza. Cuando se requiere metal de aporte, se debe agregar en forma externa, usualmente manual, o usando algún sistema de alimentación mecánica. La totalidad de la protección del arco y del metal se alcanza a través del uso de gases inertes que fluyen fuera de la buza rodeando al electrodo de tungsteno. El cordón de soldadura depositado no tiene escoria que quitar debido a que no se usa fundente. Como con los otros procesos, hay un sistema donde.

(18) distintos tipos de electrodos de tungsteno pueden identificarse fácilmente. Las denominaciones consisten en una serie de letras comenzando con una “E” que se pone por electrodo. Luego viene una “W" que es la designación química para el tungsteno. Estas letras están seguidas por letras y números que describen el tipo de aleación. Hay cinco clasificaciones diferentes, se diferencian comúnmente usando un sistema de códigos de colores. El desarrollo de la soldadura mediante el proceso GTAW, también denominado TIG, hace que sean soldaduras más limpias y puras comparadas con otros métodos. La soldadura mediante el proceso TIG efectúa la unión del metal por medio del calentamiento que produce el arco eléctrico. Una Terminal es generalmente un electrodo de tungsteno, de elevado punto de fusión (3301ºC), y la otra es la pieza que se va a soldar. La presencia de torio y circonio ayuda en mejorar las características eléctricas, haciendo al tungsteno ligeramente más emisor. Esto significa únicamente que es más fácil iniciar el arco con estos electrodos con torio y circonio que en los casos de electrodos de tungsteno puro. El tungsteno puro es más frecuentemente usado para soldar aluminio, debido a su habilidad para formar una terminación con forma esférica en el extremo cuando es calentado.. El tipo EWTh- 2 es el más comúnmente usado para la unión de materiales ferrosos.. Figura 1.3 Proceso de soldadura GTAW (De Roy Neulicht y Charles F. Holt Development of Particulate and Hazardous Emission Factors for Electric Arc Welding). El procedimiento GTAW es poco “emisivo” y por ello, su utilización debería ser recomendada siempre que fuese técnicamente viable, ya que permite una considerable disminución de la exposición de los trabajadores a.

(19) humos de soldadura (Diebold F., Hubert G). Aunque es muy difícil hacer estimaciones precisas, se considera que las concentraciones medias diarias de humo de soldadura son bajas (1-2mg/m3) en la zona de respiración del trabajador durante la operación de soldadura TIG (Saito H). A veces se ha llegado a indicar que aunque los compuestos de cromo hexavalente pueden estar presentes en los humos procedentes del proceso de soldadura GTAW, sus niveles son demasiado bajos para hacer una estimación precisa de la cantidad, especialmente si se tiene en cuenta la presencia relativamente alta de compuestos de cromo trivalente (Lautner G. M). En la siguiente figura se pretende explicar la formación de Cr (VI) en un proceso de soldadura GMAW. Fig. 1.4 Formación de Cr hexavalente en GMAW Annals of Occupational Hygiene 46:1, 43-48. 2002.. La oxidación es un factor critico en la evaluación de las actividades de los compuestos de Cromo, este elemento existe en variadas formas y estados de oxidación de los cuales Cr(VI) y Cr(III) son de mayor interés, Cr (VI) es mas toxico que Cr(III) (M.D Cohen, B. Kargochin, C.B Klein) El análisis termoquímico evalúa el potencial de oxidación de la mezcla de gas, la estabilidad termoquímica del metal condensado y fases oxidadas y la presión de vapor de las especies en las fases condensadas, están en función de la temperatura y contenido de oxigeno en la mezcla de gas. La ecuación básica es: ΔGo = -RTlnKP.

(20) Para un metal puro, la energía libre de evaporación es: ΔGoE = -RTlnPAo Si es no puro, el cambio de energía libre de evaporación es: ΔGE = ΔGoe – ΔĜ Donde: ΔĜ, es la energía libre parcial de mezcla. Para la reacción: ASOLUCIÓN ↔ AGAS Donde A es el metal evaporado de la aleación. El cambio de energía libre total es: ΔGoTOTAL = RT ln [ PĀ/ PAO ] = RT ln aA Las especies volátiles son formadas por evaporación directa y por la adición o remoción de oxigeno de Cr(s,l) y. Cr2O3(s,l) respectivamente. La. siguiente tabla muestra las reacciones químicas para Cr-O así como especies volátiles y la fase condensada Cr(s,l) y Cr2O3(s,l) Tabla 1.3 Reacciones química de Cr-O Cr(s,l) ↔ Cr(g) Cr(s,l) + 0.5O2 ↔ CrO(g) Cr(s,l) + O2 ↔ CrO2(g) Cr(s,l) + 1.5O2 ↔ CrO3(s) Cr(s,l) + 1.5O2 ↔ CrO3(g) 2Cr(s,l) + 1.5O2 ↔ Cr2O3(s,l) Equilibrio sobre Cr2O3 (s,l) 2Cr(g) + 1.5O2 ↔ Cr2O3(s,l) 2CrO(g) + 0.5O2 ↔ Cr2O3(s,l) 2CrO2(g) ↔ Cr2O3(s,l) + 0.5O2 2CrO3(g) ↔ Cr2O3(s,l) + 1.5O2. de.

(21) La reacción de oxidación de Cr puede ser escrita como: X Cr+ + Y O2 ↔CrxOy Ln [P CrxOy/P o2Y aCrX ] = - [ΔGo/RT]. Podemos observar que la presión parcial de los óxidos de cromo son función de la To y de la presión parcial de oxigeno contenido en el gas protector, al aumentar la temperatura disminuye la presencia de CrO 3 (g) y aumenta la estabilidad de Cr(g) y CrO (T.W.Eagar, Sc. D, P. Sfee Catan, N.T. Jenkins) El cromo es un metal blanco grisáceo, duro, brillante y frágil que funde a 1890 ºC tiene estructura Hexagonal a temperatura ambiente, número atómico 24, peso atómico 52 gr./mol y densidad 7,2 g/cm 3, y tiene un punto de ebullición de 2672 ºC. Sus estados de oxidación son +2, +3 y +6 aunque el estado divalente es inestable y se oxida rápidamente a la forma trivalente. Para el elemento y para sus disoluciones acuosas, el estado de oxidación más estable es el de +3, cuya característica más sobresaliente es la capacidad de formar un gran número de complejos muy estables desde el punto de vista termodinámico. En su estado de oxidación más alto forma compuestos con un gran poder oxidante (Langard S., Norseth T). En los ambientes laborales solamente tienen importancia el cromo metal y los compuestos de cromo trivalente y hexavalente (Chromium). Sin embargo, en los materiales biológicos el cromo se encuentra probablemente siempre en forma trivalente, excepto durante un corto periodo después de la exposición que puede encontrarse en forma hexavalente (Harzdorf C., Lewalter J.). Cromo tiene buena resistencia a los agentes corrosivos ordinarios, esto lo hace interesante para múltiples aplicaciones industriales especialmente en los aceros inoxidables. El metal se disuelve con relativa facilidad en ácidos minerales no oxidantes como ácido clorhídrico o sulfúrico, pero no es atacado por agua regia ni por ácido nítrico. Si no se requiere que esté puro, se obtiene por reducción en un horno con carbón a partir de cromita de hierro, FeCr2O4 , que es una espínela (óxido doble de metal divalente y trivalente) que contiene cromo trivalente en los lugares octaédricos y hierro divalente en los tetraédricos..

(22) También puede obtenerse mediante un proceso más complejo si se requiere mayor pureza. En sistemas biológicos, los dos estados de oxidación en los que se encuentra el cromo son +3 y +6, se manifiestan de forma muy diferente en cuanto a su comportamiento bioquímico y toxicológico (G. Wuilloud). En relación con los procesos metabólicos básicos en los que interviene este elemento, cabe destacar los siguientes aspectos: como la Absorción que se produce por contacto dérmico, ingestión e inhalación, siendo esta última la principal vía en la exposición laboral a dicho elemento. En general, los compuestos solubles de cromo hexavalente son absorbidos más rápidamente por cualquier vía (Gil Tocados G.). En la sangre, el cromo se encuentra, principalmente en estado trivalente, en el hígado, el bazo, el riñón, tejidos blandos y hueso (Gil Tocados G). En personas expuestas profesionalmente a cromo puede detectarse en los pulmones una cantidad significativa en forma trivalente e insoluble (Friberg L). El cromo puede encontrarse en el feto y en neonatos. El hecho de que una dieta rica en cromo en ratas gestantes implique un aumento del metal en el feto, indica el paso de dicho elemento a través de la placenta especialmente en forma hexavalente (Gil Tocados G). Cromo trivalente presente en la corriente sanguínea, ya sea por absorción o por reducción de cromo hexavalente en plasma, se elimina por la orina (Harzdorf C., Lewalter J). En menor grado puede eliminarse también a través de otras vías más lentas como bilis, descarnación de la piel (células, pelo, sudor) y heces. En personas no expuestas, la concentración normal en suero oscila entre 1-3 nmol/l y en orina entre 2-10 nmol/l (Brune D). Los riesgos para la salud de las personas expuestas a cromo y sus compuestos están determinados básicamente por el grado de oxidación del elemento y por la solubilidad del compuesto. Otros factores a tener en cuenta son la vía de entrada, el tamaño de partícula y, evidentemente, el nivel de exposición. Los principales órganos diana, donde se ejerce la acción tóxica, son la piel, el tracto respiratorio y los riñones (Harzdorf C., Lewalter J y Friberg L). Cromo trivalente es considerado un elemento esencial para el mantenimiento de la tolerancia normal a la glucosa, al colesterol y para el metabolismo de los ácidos grasos (Gil Tocados G). Su presencia también se.

(23) ha relacionado con determinadas funciones psicológicas (Harzdorf C., Lewalter). Aunque se han descrito efectos debidos a deficiencia de cromo, como intolerancia a la glucosa y neuropatías (Gil Tocados G y Harzdorf C., Lewalter), no se ha logrado definir cuantitativamente el requerimiento diario de cromo en la alimentación (Friberg L). Por el contrario, se considera que los compuestos de cromo hexavalente presentan diferentes efectos nocivos para los humanos expuestos, algunos de ellos de carácter grave (Hsien-Wen K., Mei-Liang W y Huang Y-L., Chen C-Y., Sheu J-Y., Chuan Chuang I). El contacto directo de los compuestos de cromo hexavalente con la piel puede dar lugar a dermatitis de tipo irritativo o alérgico. En el primer caso, se origina una reacción inflamatoria no alérgica, mientras que en el segundo se produce una reacción de hipersensibilidad de tipo retardado. También los compuestos de cromo trivalente pueden resultar irritantes o producir alergias en personas susceptibles (Bulikowski W., Tyras H). La diferencia en la capacidad de sensibilización entre los dos estados de oxidación se debe a la facilidad del cromo hexavalente para pasar a través de la piel intacta, siendo posteriormente reducido a estado trivalente, que es capaz de formar enlaces covalentes con proteínas u otros componentes de la piel para formar alérgenos. Una vez desarrollada la sensibilización, pequeñas cantidades de cromo trivalente pueden dar lugar a reacciones alérgicas en la piel. Si existen pequeñas heridas en la epidermis pueden aparecer úlceras de diversa gravedad inducidas por la acción corrosiva de los compuestos crómicos. A veces estas úlceras resultan indoloras y, aunque su desarrollo es lento, pueden permanecer durante meses (Friberg L). Un efecto característico de la exposición a cromo hexavalente es la irritación de la mucosa, puede producir ulceraciones que se desarrollan cuando el agente se encuentra en el ambiente en forma de nieblas o como materia finamente particulada en concentraciones de 0,1 mg/m3 aproximadamente. Cuando las ulceraciones se producen a ambos lados del septo, se produce una necrosis local del cartílago y la consiguiente perforación del mismo (Friberg L y Lee C. R., Yoo C. I., Lee J. H., Kang S. H). Aunque mucho menos frecuentes que las alergias cutáneas, se han descrito crisis de asma bronquial en trabajadores expuestos a cromo hexavalente. Diferentes autores han aportado pruebas de que la crisis asmática puede aparecer entre 4 -8 horas después de.

(24) la exposición (Friberg L). La inhalación de polvo y humos procedentes de la fabricación de dicromato a partir de cromita puede provocar irritación faríngea, tos, bronquitis crónica, sensación de dolor retroesternal y broncoespasmo (Gil Tocados G). Se han estudiado diferentes efectos de la exposición de trabajadores a compuestos de cromo hexavalente sobre la reproducción. Se puede producir retraso en la concepción (Rachootin P., Olsen J.), aumento del riesgo de reducir la calidad del esperma en soldadores de acero inoxidable debido a una disminución. significativa. en. el. recuento. y. en. la. movilidad. de. los. espermatozoides, así como una disminución significativa de la actividad de algunos enzimas presentes en el semen en relación con el grupo control (Li H y Zheng Y., Bonde J. P., Ernst E., Mortensen J. T., Egense). Estudios epidemiológicos realizados en un elevado número de trabajadores de una planta de cromatos han concluido que hay suficiente evidencia de que todas las formas de cromo son cancerígenas. Por tanto, de ser ciertas estas conclusiones, el riesgo de sufrir esta enfermedad no estaría limitado a la forma hexavalente, que es identificada con el cromo soluble por algunos autores, y se mantendría la hipótesis de que la presencia de cromo trivalente o insoluble produce un incremento del riesgo de cáncer (Mancuso T. F.). Algunos autores, no obstante, señalan diferentes errores en el análisis de los datos anteriores. La hipótesis comentada implica la identificación del cromo trivalente con el cromo insoluble y del cromo hexavalente con el cromo soluble en agua, sin embargo, dichos autores señalan que tanto la especie hexavalente como trivalente pueden formar compuestos que cubren una gama de solubilidad muy amplia que abarca desde compuestos altamente solubles en agua hasta muy insolubles (Proctor D. M). Los VLB (Valores Límite Biológicos) son índices de referencia para evaluar los resultados del control biológico y representan los niveles de los determinantes que se observan en las muestras tomadas en los trabajadores sanos que han estado expuestos por inhalación a los compuestos químicos en el mismo grado que el VLA. Las excepciones con respecto a lo anterior son los VLB para los compuestos químicos cuyos VLA están basados en la protección frente a los efectos no sistémicos ( irritación o deterioro respiratorio) en donde es conveniente realizar el control biológico debido a la absorción potencial.

(25) significativa a través de una vía adicional de entrada (generalmente la vía dérmica). El VLB generalmente representa la concentración por debajo de la cual la mayor parte de los trabajadores no deberían experimentar efectos adversos para la salud. El determinante propuesto como VLB puede ser el mismo compuesto químico, uno o más metabolitos o un cambio bioquímico reversible característico inducido por el propio compuesto. El control biológico permite detectar y determinar la absorción por vía dérmica o por el sistema gastrointestinal, valorar el contenido corporal, reconstruir la exposición pasada en ausencia de otras medidas de exposición y detectar la exposición no laboral entre los trabajadores (A.C.G.I.H). Por lo anterior expuesto pretendemos estudiar Cuál es el efecto del proceso de soldadura por arco eléctrico SMAW, y GMAW y GTAW en la cantidad de Cr (VI) soluble, Cr (VI) insoluble,. presentes en los humos de. soldadura producidos al soldar un acero inoxidable AISI 304L Pensamos. que al. realizar la unión modificando los. procesos de. soldadura por arco, se obtiene en los humos de soldadura lo siguiente o Hay diferencias significativas en los contenidos de Cr (VI) soluble, Cr (VI) insoluble, al variar el proceso de soldadura por arco o Mayor nivel de Cr(VI) soluble e insoluble, en los humos de soldadura generados mediante el proceso SMAW o Menor nivel de Cr(VI) soluble e insoluble, en los humos de soldadura generados mediante el proceso GTAW En aspectos de globalización, los cambios en el mundo del trabajo han sido tan vertiginosos y rápidos como en el campo de la informática y de las comunicaciones, afectando a la salud de los trabajadores. Es por ello que creemos conveniente estudiar la composición de agentes contaminantes producidos en los humos de soldadura por arco. Este estudio se centra en la determinación de compuestos de cromo presentes en los humos de soldadura. Planteamos el estudio de los procesos de soldadura SMAW, GMAW y GTAW, por ser los más frecuentemente utilizados en la industria. Para ello, se ha diseñado un sistema experimental que permite generar humos de soldadura de características muy similares a las que se dan en procesos industriales reales, bajo condiciones controladas. Para conseguir resultados reproducibles se han controlado las posibles variables que pueden influir en el proceso como el.

(26) voltaje, intensidad, características del metal base, composición del electrodo, etc.. MATERIAL Y METODOS 2.1 Material 2.1.1 Población En el presente trabajo la población muestral fueron los componentes presentes en los humos que se producen en la soldadura por arco eléctrico para la unión del acero inoxidable AISI 304. Cuya composición depende del proceso de soldadura y de las especificaciones del. procedimiento de. soldadura. Como material de estudio se ha seleccionado el acero AISI 304L, el cual es un acero Inoxidable austenitico, el cual tienen las siguientes características: Tabla 2.1 Características del material Base Material Base. AISI 304 L. COMPOSICIÓN QUIMICA %C. % Cr. 0.03. 18-20. ESPESOR. ESTADO DE. (mm). SUMINISTRO. 6.35. Recocido. %Ni 8-12. Las propiedades mecánicas del acero inoxidable AISI 304 se muestran a continuación: Tabla 2.2 Propiedades mecánicas del material Base RESISTENCIA A. TENSIÓN DE. ELONGACIÓN. DUREZA. TRACCIÓN (Mpa). FLUENCIA (Mpa). 2“ (%). (RB). 558.62. 268.96. 55. 79. Para la unión por soldadura se han realizado los procedimientos de soldadura SMAW, GMAW (Semiautomática) y GTAW (Semiautomática) cuyas especificaciones de los procedimientos de soldadura se muestran a continuación:.

(27) Tabla 2.3 Especificaciones de los procedimiento de soldadura SMAW. GMAW. GTAW. Metal de Aporte. E308-16 (AWS A5.4). ER308L (AWS A5.9). ER308L (AWSA5.9). Clase de electrodo. -. -. EW Th-1 AWS A5.12. Diámetro. 3.97 mm. 1.58 mm. 1.58 mm. Gas de Protección. -. Ar (100%). Ar (100%). Flujo de gas. -. 3 lt/min. 3 lt/min. Transferencia. -. Spray. -. Tipo de Corriente. DC(+). DC(+). DC(-). Amperaje. 125. 225. 120. Voltaje. 28 v. Ratio Alimentación. -. 50 mm/ses. -. Posición. Plana. Plana. Plana. Los humos que se generan en la soldadura por arco eléctrico de aceros inoxidables pueden contener en su composición varios compuestos, muchas veces formando compuestos y complejos de diversa naturaleza, esta composición en humos depende no solo de la composición química de los elementos presentes en el material base, sino también en los materiales de aporte, estos datos fueron proporcionados por el fabricante los cuales se adecuan a las normas AWS para materiales de aporte. Tabla 2.4 Especificaciones de los Materiales de aporte %C. % Mn. % Cr. % Ni. %P. %S. E308-16 (AWS A5.4). 0.03. 0.9. 19. 9.9. 0.02. 0.02. ER308L (AWS A5.9). 0.025. 1.8. 20.5. 10.0. 0.02. 0.02. ER308L (AWSA5.9). 0.025. 1.8. 20.5. 10.0. 0.02. 0.02. 2.1.2 Muestra Las muestras se han obtenido mediante la captación de humos de soldadura con filtros, sobre el que queda retenida el material particulado, el número de filtros ha sido de 8 por prueba de soldadura realizamos 2 pruebas por cada proceso de soldadura haciendo un total de 48 filtros para los 3.

(28) procesos (GMAW, GTAW y SMAW). El tiempo de muestreo fue, en todos los casos, de 10 minutos y el caudal de aspiración de la bomba de 2 l/min. , después de obtenidos los filtros se analizaron los elementos Cr (VI) soluble y Cr (VI) insoluble. Estos se visualizan en las figuras 2.1. Fig.2.1 (a) Sistema de Filtros, (b) Porta filtros 2.1.3 Unidad de análisis En cuanto a la técnica experimental para la detección, hacemos una separación de las distintas especies de acuerdo con los valores límite que sea preceptivo utilizar. Esta separación puede llevase a efecto mediante operaciones previas, como sucede cuando la técnica que se va a utilizar para la detección final es la espectrometría de absorción atómica con llama (Paleólogos E.K y López-García I., Merino Meroño B., Campillo N., Hernández-Córdoba M ) o con atomizador electrotérmico (Šcancar J., Milacic R. A) En este trabajo el proceso analítico consta de tres etapas básicas: 1. Lixiviación y pretratamiento. En esta etapa el filtro de captación se trata, con una disolución reguladora ligeramente alcalina durante un tiempo variable, aunque siempre menor de 60 minutos, y a una temperatura que oscila entre la ambiental y los 80ºC. El pretratamiento, posterior a la lixiviación, se reduce a una dilución con una disolución igual o similar a la utilizada en la extracción primitiva y a una filtración del material extraído. 2. Separación.. puede. realizarse. en. una. operación. previa. mediante. cromatografía en columna o con resina líquida, o mediante un proceso “en línea” en el mismo instrumento analítico..

(29) 3. Detección. Dentro de esta fase se considera de forma independiente la determinación de las dos especies separadas en las anteriores etapas: cromo hexavalente y cromo total soluble. Para la determinación de la primera especie se utilizan la espectroscopia ultravioleta-visible para la determinación del complejo CrO42- - DPC, la espectrometría de absorción atómica con atomizador electrotérmico y con llama, la cromatografía líquida de alta resolución con detector UV, la espectrometría de masas con dilución isotópica y la espectrometría de emisión atómica mediante plasma acoplado inductivamente. 2.2 Método: 2.2.1 Tipo de estudio Es un trabajo Experimental, de acuerdo a su origen la investigación es aplicada, y de acuerdo a la técnica de contratación es explicativa 2.2.2 Diseño de investigación El diseño y metodología experimental se ha llevado a cabo teniendo en cuenta los aspectos siguientes: 1. Ámbito de aplicación. Como se ha indicado con anterioridad han sido estudiados los procesos de soldadura SMAW, GMAW y GTAW, por ser los más frecuentemente utilizados en la industria. Para ello, se ha diseñado un sistema experimental que permite generar humos de soldadura de características muy similares a las que se dan en procesos industriales reales,. bajo. condiciones. controladas.. Para. conseguir. resultados. reproducibles se han controlado las posibles variables que pueden influir en el proceso como el voltaje, intensidad, características del metal base, composición del electrodo. 2. Especies contaminantes a evaluar. Dentro de las especies metálicas presentes en humos de soldadura se han seleccionado como más representativas las de cromo en sus distintas formas. Algunos compuestos de cromo hexavalente como los cromatos de cinc y potasio. Otros compuestos de cromo hexavalente como los cromatos de estroncio y potasio son sustancias carcinogénicas de segunda categoría. En el presente trabajo de Investigación se ha realizado un estudio comparativo, para determinar el efecto del proceso de soldadura en la producción de Cr (VI) en los gases producidos al soldar la variable.

(30) independiente es el tipo de proceso de soldadura y la dependiente la concentración de Cr (VI), con 8 repeticiones Tabla 2.5 Diseño experimental GMAW. SMAW. GTAW. PRUEBA 1. PRUEBA2. PRUEBA 1. PRUEBA2. PRUEBA 1. PRUEBA2. Filtro 1. Filtro 9. Filtro 17. Filtro 25. Filtro 33. Filtro 41. Filtro 2. Filtro 10. Filtro 18. Filtro 26. Filtro 34. Filtro 42. Filtro 3. Filtro 11. Filtro 19. Filtro 27. Filtro 35. Filtro 43. Filtro 4. Filtro 12. Filtro 20. Filtro 28. Filtro 36. Filtro 44. Filtro 5. Filtro 13. Filtro 21. Filtro 29. Filtro 37. Filtro 45. Filtro 6. Filtro 14. Filtro 22. Filtro 30. Filtro 38. Filtro 46. Filtro 7. Filtro 15. Filtro 23. Filtro 31. Filtro 39. Filtro 47. Filtro 8. Filtro 16. Filtro 24. Filtro 32. Filtro 40. Filtro 48. 2.2.3 Variables y operativización de variables Variables Independientes: o Proceso GMAW o Proceso SMAW o Proceso GTAW Variables dependientes: o Cr(VI) soluble en Humos de soldadura (µ g / Filtro) o Cr(VI) Insoluble en Humos de Soldadura (µ g / Filtro) 2.2.4 Instrumentos de recolección de datos Reactivos o Metilisobutílcetona de Merck. o Ácido nítrico concentrado (65% m/m) de Merck. o Ácido clorhídrico (32% m/m) de Merck. o Hidróxido sódico (contenido mínimo 99%) de Merck. o Carbonato sódico (contenido mínimo 99,5%) de Merck. o Sulfato amónico de Aldrich. o Hidróxido amónico de Dupont. o Amberlita LA-2 de BDH..

(31) o Disoluciones estándar de cromo, hierro, manganeso y níquel (1000 g/ ml) de Titrisol. o Filtros de microfibra de vidrio borosilicatado sin resina ligante, de 25 mm de diámetro y una eficacia de retención no inferior al 99,5 % para partículas de diámetro aerodinámico medio de 0,3 m de Millipore. o Prefiltros de microfibra de vidrio borosilicatado sin ligante de Millipore. o Cronómetro. o Velómetro ALNOR CGA-65P. o Electrodos para soldadura SMAW : o Hilo continuo para soldadura GMAW o Hilo continuo para soldadura GMAW o Material base: Acero inoxidable AISI 304 L o Gas inerte: Argón Equipos o. Espectrómetro de absorción atómica con atomización electrotérmica PerkinElmer- AAnalyst 600. o. Espectrómetro de absorción atómica con llama PerkinElmer-1100B. o. Maquina de soldar Proceso GMAW. o. Maquina de soldar Proceso SMAW. o. Maquina de soldar Proceso GTAW. o. Equipo para la generación de humos de soldadura. o. Mesa de soldadura. o. Campana para la toma de muestras. o. Cabina de soldadura. 2.3 Procedimiento y análisis estadístico En las operaciones de soldadura: 1. Ubicamos la probeta de acero Inoxidable sobre la mesa y dentro de la cabina de soldadura. Figura 2.2 2. preparamos el sistema para tomar muestras, situando los filtros en la campana, (se han tomado 8 muestras en cada prueba). 3. Se conecta el ventilador de aspiración 4. Comenzada la soldadura, se conecta el sistema de toma de muestras. Transcurrido el tiempo de muestreo prefijado se desconectan todos los sistemas..

(32) Figura 2.2 Cámara para soldadura. El procedimiento analítico empleado para analizar las muestras de humos de soldadura se ha diseñado en base a los siguientes criterios: La separación de las especies de cromo hexavalente por su solubilidad se realiza siguiendo el criterio propuesto por el proyecto de norma ISO 16740: “Determination of Hexavalent Chromium in Airborne Particulate Matter”. Una vez separadas, las especies de cromo hexavalente se extraen utilizando una resina líquida de intercambio iónico (Amberlita LA-2) y se analizan mediante espectrometría de absorción atómica con atomización electrotérmica. Las resinas de intercambio iónico se caracterizan por su capacidad de intercambio, directamente relacionada con la naturaleza y el número de grupos ionizables en su estructura. La capacidad se expresa en miliequivalentes de un ión por gramo de resina (o por mililitros si es líquida). Partiendo de la muestra ambiental captada sobre un filtro, el método analítico optimizado consta, en esencia, de las siguientes etapas fundamentales: o Separación y determinación de cromo hexavalente soluble. o Separación y determinación de cromo hexavalente insoluble. 1. Separación y determinación de cromo hexavalente soluble El filtro donde se realizó la captación de la muestra se deposita en un vaso de precipitados y se trata durante 60 minutos con 5 ml de agua.

(33) desionizada a temperatura ambiente. Es importante que el filtro permanezca completamente inmerso en el agua. Posteriormente, la disolución procedente del tratamiento de la muestra se pasa a través de un filtro de membrana de PVC utilizando un aparato de filtración por succión. Cada filtro se lava con 3 alícuotas de 1 ml de agua desionizada, se recoge la solución filtrada en un tubo de vidrio y se lleva a un volumen final de 10,0 ml. Se ajusta el pH a 8. 0,5 con. una mínima cantidad (200 l) de una disolución reguladora que contiene 2 mol/l de (NH4)2SO4 y 1 mol/l de NH4OH. Se reservan los filtros para un tratamiento posterior con objeto de determinar las especies de cromo hexavalente que no se han disuelto. Se transfiere la disolución a un tubo de centrífuga graduado y se añaden 5 ml de disolución reguladora alcalina (2% NaOH – 3% Na2CO3). El contenido del tubo se trata con 5 ml de una disolución de Amberlita LA-2, ácido clorhídrico y MIBC en la proporción LA-2: HCl: MIBC 2:1:2. La muestra se agita mecánicamente y se centrífuga durante 10 minutos a 2500 rpm. Se determina cromo hexavalente soluble en la fase orgánica mediante espectrometría de absorción atómica con atomización electrotérmica. La calibración se lleva a cabo a partir de disoluciones de concentración conocida de cromo que, junto a un ensayo en blanco 2. Separación y determinación de cromo hexavalente insoluble Para analizar las especies de cromo hexavalente insoluble se toman los filtros donde se captó la muestra de los que previamente se han extraído las especies de cromo hexavalente soluble. Se tratan en un tubo de centrífuga con 5 ml de disolución 0,05 mol/l (NH4)2SO4 – 0,05 mol/l NH4OH (pH 8) y se cierran herméticamente. Posteriormente, se calientan a 135ºC durante 60 minutos en un bloque calefactor, una vez transcurrido el tiempo se dejan enfriar a temperatura ambiente y se ajusta el pH a 8. 0,5 con disolución reguladora 2. mol/l (NH4)2SO4 – 1 mol/l NH4OH. Posteriormente, se enrasa a 10 ml con una disolución que contiene 0,05 mol/l de (NH4)2SO4 y 0,05 mol/l de NH4OH. Se añade tampón alcalino y la disolución de Amberlita LA-2, ácido clorhídrico y MIBC en las proporciones indicadas anteriormente. La muestra se agita mecánicamente y se centrífuga durante 10 minutos a 2500 rpm. Finalmente, se determina cromo hexavalente en la fase orgánica mediante.

(34) espectrometría de absorción atómica con atomización electrotérmica. La calibración se lleva a cabo a partir de disoluciones de concentración conocida de cromo que, junto a un ensayo en blanco. En las figuras 2.3 y 2.4 se esquematizan los procedimientos descritos anteriormente.. Filtro con humos de soldadura. Tratamiento con agua desionizada. Filtración por succión y lavado con 3 alícuotas de 1 mm de agua desionizada Enrase a 10 ml con agua desionizada Ajuste a pH a 8 Adición de solución reguladora. Análisis de Cr(VI) en la fase orgánica por Etapas. Agitación mecánica y centrifugación a 2500 rpm por 10 minutos. Adición de disolución de Amberlita LA-2 HCl y MIBC Proporción 2:1:2. Figura 2.3 Determinación de cromo hexavalente soluble.. Filtro con humos de soldadura (*). Análisis de Cr(VI) en la fase orgánica por ETAAS. Tratamiento con (NH4)2SO4 – (NH4)OH (pH = 8). Adición de disolución reguladora. Adición de solución de Amberlita LA-2, HCl y MIBC (proporción 2:1:2). Calentamiento a 135oC durante 60 minutos. Ajuste de pH con 2 mol/l (NH4)2SO4 y 1 mol/l (NH4)OH enrase a 10 ml con 0.05 mol/l de (NH4)2SO4 y 0.05 mol/l de (NH4)OH. (*)Procedente de la extracción de cromo hexavalente soluble.. Figura 2.4 Determinación de cromo hexavalente insoluble.. Finalmente los resultados se analizaron utilizando el software Origin Lab 8.0 y SPSS Versión 15 para análisis estadístico descriptivo, prueba de promedios mediante la prueba t student y análisis de varianza, que permitieron validar nuestros resultados.

(35) RESULTADOS 3.1 Efecto del tipo de proceso de soldadura en Cromo (VI) Las. pruebas. se. han. realizado. bajo. las. mismas. condiciones. experimentales, el mismo tiempo de toma de muestra e iguales condiciones de soldadura. El diseño experimental de soldadura permite la obtención simultánea de ocho muestras equivalentes en condiciones controladas. Los procesos se han llevado a cabo de forma automática para soldadura GMAG y de forma manual para soldadura SMAW y GTAW. obtenidas las muestras de soldadura, captadas en filtros de microfibra de vidrio, el método analítico permite diferenciar las especies de cromo según la valencia de dicho elemento en los compuestos y distinguir dichos compuestos en función de la solubilidad. Las cantidades de cromo hexavalente insoluble son muy inferiores a la especie soluble para los tres procesos de soldadura. Siendo. el cromo. hexavalente tanto soluble como insoluble producido en los humos por proceso SMAW muy superior a la hallada en los humos procedentes de soldaduras GMAW y GTAW. Esto se aprecia en la tabla 3.1, 3.2 y 3.3. Y figuras 3.1 y 3.2 Tabla 3.1 Cr(VI) soluble en humos de soldadura Cr(VI)soluble (µg/Filtro) GMAW PRUEBA 1 11.21 11.25 11.52 11.56 12.24 12.89 11.58 11.45. SMAW PRUEBA2 10.16 11.18 12.16 11.18 10.26 11.17 11.18 11.98. PRUEBA 1 26.85 26.64 26.28 27.88 28.87 26.63 27.19 28.65. GTAW PRUEBA2 25.52 25.98 27.1 26.78 25.65 26.14 27.67 27.36. PRUEBA 1 1.96 1.86 2.01 1.83 1.93 2.12 2.05 2.13. PRUEBA2 2.12 2.11 1.97 2.05 2.11 2.14 2.13 1.98.

(36) Tabla 3.2 Cr(VI) insoluble en humos de soldadura Cr(VI)insoluble (µg/Filtro) SMAW. GMAW PRUEBA 1 0.18 0.16 0.15 0.21 0.23 0.19 0.21 0.16. PRUEBA2 0.15 0.17 0.18 0.15 0.17 0.19 0.14 0.16. PRUEBA 1 0.37 0.41 0.43 0.39 0.45 0.41 0.39 0.38. PRUEBA2 0.37 0.41 0.43 0.41 0.46 0.43 0.38 0.42. GTAW PRUEBA 1 0.13 0.11 0.12 0.14 0.12 0.11 0.10 0.11. PRUEBA2 0.15 0.11 0.17 0.12 0.11 0.13 0.12 0.16. Tabla 3.3 Efecto del proceso de soldadura en la composición promedio de Cromo (VI). Tipo de Proceso NUMERO DE PRUEBA SMAW PRUEBA1 PRUEBA2 Total GMAW. PRUEBA1 PRUEBA2 Total. GTAW. PRUEBA1 PRUEBA2 Total. Media Desv. típ. Media Desv. típ. Media Desv. típ. Media Desv. típ. Media Desv. típ. Media Desv. típ. Media Desv. típ. Media Desv. típ. Media Desv. típ.. Cromo (VI) soluble 27.3738 .97978 26.5250 .81283 26.9494 .97386 11.7125 .57046 11.1588 .70546 11.4356 .68255 1.9863 .11173 2.0763 .06802 2.0313 .10072. Cromo (VI) insoluble .4038 .02669 .4138 .02875 .4088 .02729 .1863 .02875 .1638 .01685 .1750 .02556 .1175 .01282 .1338 .02326 .1256 .01999.

(37) NUMERO DE PRUEBA. 0,50. PRUEBA1 PRUEBA2. Media Cromo (VI) insoluble. 0,40. 0,30. 0,20. 0,10. 0,00 SMAW. GMAW. GTAW. Tipo de Proceso. Fig. 3.1 Efecto del proceso de soldadura en la composición promedio de Cr(VI)insoluble NUMERO DE PRUEBA. 30,00. Media Cromo (VI) soluble. PRUEBA1 PRUEBA2. 20,00. 10,00. 0,00 SMAW. GMAW. GTAW. Tipo de Proceso. Fig. 3.2 Efecto del proceso de soldadura en la composición promedio de Cr(VI)soluble. Las relaciones entre Cr(VI)S / Cr(VI)Ins en las dos pruebas en proceso los procesos GMAW, SMAW y GTAW son indicadores del correcto funcionamiento del sistema de captación de muestras y que las especificaciones del procedimiento de soldadura se han mantenido en ambas pruebas Tabla 3.4 Relaciones establecidas entre los Elementos metálicos presentes en los Humos de soldadura RELACIÓN PRUEBA 1 PRUEBA 2 Cr(VI)S /Cr (VI)I (GMAW) 62.85 68.12 Cr(VI)S /Cr (VI)I (SMAW) 67.79 64.09 Cr(VI)S /Cr (VI)I (GTAW) 16.90 15.51.

(38) Por los resultados podemos observar que los componentes generados durante la operación de soldadura y sus cantidades en Cr (VI) soluble e insoluble dependen directamente del proceso de soldadura, siendo el proceso SMAW en donde se produce mayor cantidad de de Cr(VI) y al realizar la soldadura mediante GTAW la contaminación en Cr(VI) en humos de soldadura resulta ser la menor. Los cálculos estadísticos nos permiten afirmar de acuerdo a la prueba t de student que para muestras relacionada se obtienen los mismos resultados de Cr (VI) soluble en las dos pruebas realizadas por cada proceso de soldadura, esto es el valor de la significancia en proceso SMAW es (p=0.095>0.05), en proceso GMAW es (p=0.149>0.05) y en proceso GTAW es (p=0.109>0.05) y para. Cr(VI). insoluble. tenemos. significancia. en. proceso. SMAW. es. (p=0.095>0.05) , en proceso GMAW es (p=0.149>0.05) y en proceso GTAW es (p=0.109>0.05) por lo que resulta que la prueba es No significativa, es decir aceptamos la hipótesis nula y concluimos que las dos pruebas realizadas (8 muestras por prueba) por cada proceso de soldadura han producido las mismas mediciones de Cromo hexavalente soluble e insoluble, validando de esta manera la respetabilidad de nuestro procedimiento experimental. Ver apéndice 1 tabla 1.1 y 1.2 Para realizar la prueba de hipótesis en muestras independientes, es decir, para comparando los proceso de soldadura, y verificar si hay diferencias significativas en las medias de los resultados obtenidos en los tres proceso de soldadura, con sus respectivos Cromos producidos se muestran a continuación: Comparando los procesos SMAW y GMAW obtenemos que los resultados obtenidos en esta prueba de hipótesis es la prueba de Levene y al evaluar el valor la significancia (p=0.151>0.05), resulta que la prueba es no significativa, por lo tanto aceptamos la hipótesis nula y concluimos que las varianzas son iguales en ambos procesos. Luego en la segunda parte correspondiente a la prueba t para muestras obtenidas de procesos independientes verificamos que p=0.000<0.05, resulta que la diferencia es significativa por lo que aceptamos la hipótesis alterna, es decir la concentración promedio de Cr(VI) soluble en los procesos SMAW y GMAW son diferentes. Ver apéndice 1, tabla 1.3 y 1.4.

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Tabla 1.1 Contaminantes en soldadura  CONTAMINANTES EN SOLDADURA
Tabla 1.2 Valores límite ambiental de exposición para compuestos de cromo (2001)
Figura 1.1  Esquema del proceso SMAW (De Roy Neulicht y Charles F Holt Emission
Figura 1.2  Proceso de soldadura GMAW (De Roy Neulicht y Charles F. Holt
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