Tuberías de acero galvanizado por inmersión en caliente: principio, proceso y rendimiento
Tubos de acero galvanizado en caliente, también conocidos como tuberías recubiertas de zinc en caliente, son tuberías de metal producidas aplicando una capa de zinc sobre la superficie de tuberías de acero ordinarias a través de un proceso especializado. El principio central de esta tecnología es permitir que el zinc fundido reaccione químicamente con el sustrato de hierro del Pipa de acero, formando una capa intermetálica aleada que une el recubrimiento de zinc firmemente al material base. Comparado con con el electrogalvanizado, el galvanizado en caliente produce un recubrimiento de zinc mucho más grueso. Mientras que las capas electrogalvanizadas suelen tener un grosor de solo 5 a 15 micras, los recubrimientos galvanizados en caliente suelen superar las 65 micras y pueden alcanzar las 100 micras o más, lo que proporciona una protección contra la corrosión más duradera.
Para entender el mecanismo de protección contra la corrosión de las tuberías de acero galvanizado en caliente, es esencial examinar primero las características fundamentales del zinc. El zinc es un metal anfótero, lo que significa que puede disolverse tanto en ambientes ácidos como alcalinos. En aire seco, el zinc permanece muy estable con cambio químico mínimo. Sin embargo, en aire húmedo, se forma una película protectora delgada de carbonato de zinc básico en la superficie del zinc, que actúa como una barrera natural contra la corrosión.
A pesar de sus ventajas protectoras, el zinc puede exhibir poca resistencia a la corrosión en ciertos ambientes. Los recubrimientos de zinc son vulnerables en atmósferas que contienen dióxido de azufre, sulfuro de hidrógeno o sales marinas. En ambientes de alta temperatura y alta humedad con ácidos orgánicos, los recubrimientos de zinc son particularmente susceptibles a la degradación. Por lo tanto, aunque las tuberías de acero galvanizado en caliente ofrecen una fuerte resistencia a la corrosión, el entorno operativo real debe evaluarse cuidadosamente antes de la aplicación.
La producción de tuberías de acero galvanizado en caliente implica múltiples etapas de procesamiento, que incluyen inspección de tuberías, limpieza con ácido, enjuague, tratamiento de flujo, alineación, secado, galvanización en caliente, soplado de aire externo e interno, enfriamiento, inspección, pasivación, limpieza, secado, marcado, pasivación por aspersión, molienda y empaque.
Después de entrar en la línea de producción, las tuberías de acero deben someterse a una inspección de la superficie. Si hay contaminación por aceite, se requiere una limpieza alcalina. El siguiente paso crítico es el decapado ácido, normalmente utilizando ácido clorhídrico para eliminar las incrustaciones de óxido y el óxido de la superficie del acero. Después del decapado, es necesario enjuagar para eliminar el ácido residual y las sales de hierro adheridas a la superficie.
El tratamiento de fundente es otro paso esencial. La función de la solución de fundente es eliminar completamente las impurezas de la superficie del acero, asegurando un contacto limpio entre el acero y el zinc fundido para formar un recubrimiento de alta calidad. El valor de pH de la solución de fundente generalmente se mantiene alrededor de 5. Durante la operación, se pueden formar compuestos que contienen hierro de color marrón rojizo y deben filtrarse periódicamente.
El secado también es indispensable porque los cambios bruscos de temperatura cuando la tubería entra en el baño de zinc pueden causar grietas o reventones estructurales.
La temperatura del baño de zinc debe controlarse estrictamente a 450 ± 5 ° C. Este rango de temperatura se selecciona en función de las características de reacción metalúrgica.
Dentro del horno de galvanización, las tuberías de acero se transportan a través de tres pistas de inmersión en espiral. Estas tres espirales funcionan en diferentes fases, lo que permite que la tubería permanezca en una postura inclinada. A medida que las espirales giran, la tubería se mueve hacia abajo a lo largo de un lado, entra gradualmente en el baño de zinc y finalmente se desliza automáticamente sobre la pista dentro de la tetera de zinc.
Cuando la tubería se eleva a la zona de agitación magnética, se atrae y se transfiere a la pista de la rueda de tracción. Los procesos de soplado de aire externos e internos posteriores utilizan aire comprimido para eliminar el exceso de zinc de la superficie de la tubería. El soplado externo elimina el zinc de la superficie exterior para obtener una apariencia suave, mientras que el soplado interno elimina el exceso de zinc de la pared interior. Las gotas de zinc eliminadas forman polvo de zinc que se puede reciclar.
Reducir la velocidad de extracción de la tubería puede controlar eficazmente el grosor del recubrimiento y reducir el consumo de zinc.
El tanque de refrigeración por agua se mantiene a aproximadamente 80 ° C para enfriar rápidamente la tubería galvanizada. El tratamiento de pasivación se realiza luego rociando solución de pasivación sobre la superficie de la tubería para formar una película protectora de pasivación, mejorando aún más la resistencia a la corrosión. Después de pasar por el anillo de soplado externo, el exceso de solución de pasivación se elimina con aire comprimido.
Finalmente, la tubería galvanizada se coloca en la plataforma de inspección para pruebas de calidad. Los productos no conformes se eliminan y los productos calificados se empaquetan para su almacenamiento.
La formación de un recubrimiento galvanizado en caliente es esencialmente una reacción metalúrgica entre el sustrato de hierro y el zinc. Cuando el componente de acero se sumerge en zinc fundido, se forma primero una solución sólida de zinc y alfa-hierro en la interfaz. Esto representa una estructura cristalina donde los átomos de zinc se disuelven en hierro sólido, creando una disposición atómica fusionada entre los dos metales.
Una vez que el zinc alcanza la saturación dentro de la capa de solución sólida, se produce la difusión atómica entre el zinc y el hierro. Los átomos de zinc migran a la celosía de hierro y forman gradualmente aleaciones de hierro-zinc, mientras que los átomos de hierro que se difunden en zinc fundido reaccionan para formar el compuesto intermetálico FeZn⚔. Debido a que este compuesto tiene una densidad relativamente alta, se asienta en el fondo del baño de zinc y forma lo que comúnmente se conoce como escoria de zinc.
Cuando la pieza de trabajo se retira del baño de zinc, se forma una capa de zinc puro en la superficie. Esta capa tiene una estructura cristalina hexagonal con con un contenido de hierro no superior al 0,003%. La combinación de la capa de aleación y la capa de zinc puro proporciona una excelente adherencia y una resistencia superior a la corrosión.
La excelente resistencia a la corrosión es la ventaja más destacada de los tubos de acero galvanizado en caliente. El recubrimiento de zinc protege el sustrato de acero a través de dos mecanismos. Primero, proporciona protección mecánica al formar una barrera densa que evita que los medios corrosivos entren en contacto con la superficie del acero. Segundo, ofrece protección electroquímica. Cuando se produce daño en el recubrimiento y se expone el sustrato de acero, se forma una celda microgalvánica entre el zinc y el hierro. Dado que el zinc tiene un potencial de electrodo estándar de -0,76 V en comparación con el hierro -0,44 V, el zinc se corroe preferentemente como ánodo mientras protege el hierro como cátodo.
En condiciones de corrosión atmosférica, se forman películas protectoras compuestas de ZnO, Zn (OH) ₂ y carbonato de zinc básico en la superficie de zinc. Esta capa, a veces conocida como óxido blanco, ralentiza aún más la corrosión. Incluso si la película protectora está dañada, una nueva película puede reformarse gradualmente y seguir proporcionando protección.
Los recubrimientos galvanizados en caliente también exhiben buenas propiedades físicas. La estructura del recubrimiento es densa y libre de inclusiones orgánicas, con fuerte capacidad de cobertura. La capa de aleación de zinc-hierro se une firmemente con al sustrato de acero, proporcionando una buena resistencia al desgaste. Debido a la ductilidad del zinc, los componentes galvanizados pueden someterse a procesos de laminado, flexión, formación en frío y dibujo sin dañar el recubrimiento. La capa de zinc puro tiene una plasticidad cercana a la del zinc puro, lo que permite que la tubería tolere un cierto grado de deformación durante la instalación.
Además, el galvanizado por inmersión en caliente puede mejorar las propiedades mecánicas del substrato. El proceso funciona de manera similar al tratamiento de recocido, ayudando a aliviar las tensiones internas generadas durante las operaciones de soldadura o conformado y facilitando los procesos de mecanizado posteriores.
Los tubos de acero galvanizado en caliente también ofrecen una larga vida útil. Debido al revestimiento grueso, la fuerte unión metalúrgica y el mecanismo completo de protección contra la corrosión, su vida útil es significativamente más larga que la de los tubos de acero ordinarios o los tubos electrogalvanizados. Aunque el costo inicial es mayor, la eficiencia económica del ciclo de vida suele ser superior.
A pesar de las ventajas del galvanizado en caliente, lograr recubrimientos de alta calidad es técnicamente desafiante. Problemas comunes como la formación excesiva de escoria de zinc, el espesor desigual del recubrimiento y los altos costos de producción generalmente se deben a un control inadecuado del proceso. Por lo tanto, dominar los parámetros críticos del proceso es esencial para garantizar la calidad del producto y reducir los costos de fabricación.
La temperatura es uno de los parámetros más importantes en la galvanización por inmersión en caliente. De acuerdo con el comportamiento de solubilidad del hierro en el zinc fundido, la pérdida de hierro varía significativamente con la temperatura y el tiempo de retención.
Alrededor de 500 ° C, la disolución de hierro aumenta rápidamente con el tiempo de calentamiento y retención, mostrando una tendencia de crecimiento casi lineal. Dentro del rango de 480 - 510 ° C, la corrosión del baño de zinc tanto de la pieza de trabajo como de la tetera de zinc se vuelve más grave. Esta zona a menudo se conoce como la "zona de disolución crítica". Fuera de este rango, la tasa de pérdida de hierro se ralentiza a medida que se desvía la temperatura.
Cuando la temperatura supera los 560 ° C, la pérdida de hierro aumenta de nuevo. A temperaturas superiores a 660 ° C, el zinc fundido provoca una corrosión destructiva del sustrato de hierro, lo que provoca una rápida formación de escoria de zinc y hace que las operaciones de galvanización no sean prácticas.
En la producción práctica, las temperaturas de galvanización generalmente se controlan dentro de dos rangos seguros: 450 - 480 ° C y 520 - 560 ° C.
La ceniza de zinc y la escoria de zinc son las principales pérdidas de material durante la galvanización y afectan directamente el costo de producción y la calidad del producto. La ceniza de zinc es un residuo de óxido formado en la superficie del baño de zinc, mientras que la escoria de zinc se refiere a compuestos intermetálicos de hierro-zinc con poca fluidez que se forma cuando la concentración de hierro en zinc fundido supera su límite de solubilidad a una temperatura dada. La escoria de zinc puede contener hasta 95% de zinc, lo que la convierte en un importante contribuyente al costo de producción.
Por lo general, el consumo de zinc oscila entre 80 y 120 kg por tonelada de piezas de trabajo galvanizadas. Si la ceniza de zinc y la formación de escoria son graves, el consumo puede aumentar a 140-200 kg por tonelada.
El control de cenizas de zinc depende principalmente de la gestión de la temperatura para reducir la oxidación de la superficie. Algunos fabricantes domésticos utilizan arena refractaria o ceniza de carbón para cubrir la superficie del baño, mientras que los fabricantes extranjeros suelen utilizar recubrimientos de cuentas de cerámica o vidrio. Estos materiales tienen baja conductividad térmica, altos puntos de fusión, baja densidad y no reaccionan al con zinc fundido. Ayudan a reducir la pérdida de calor y evitan la oxidación mientras son fácilmente desplazados por las piezas de trabajo.
La clave para reducir la escoria de zinc es reducir el contenido de hierro en el baño de zinc. Las medidas incluyen evitar las operaciones de galvanización dentro de la zona crítica de disolución de 480-510 ° C, usar placas de acero con bajo contenido de carbono y silicio para fabricar calderas de zinc (comúnmente acero al carbono de alta calidad 08F con contenido de carbono de 0,087% y silicio ≤ 0,03%, junto con con trazas de níquel y cromo para inhibir la corrosión), eliminar regularmente la escoria, evitar que las piezas de trabajo caigan al baño de zinc, controlar el contenido de hierro en soluciones de flujo y agregar aproximadamente 0,01% de aluminio para mejorar la fluidez del zinc y el brillo del recubrimiento mientras se reduce la formación de escoria y ceniza.
La elección del material de la caldera de zinc afecta directamente la vida útil y la calidad del zinc fundido. El acero al carbono ordinario no debe usarse para calderas de zinc porque aumenta el consumo de zinc y acorta la vida útil de la caldera. Aunque el carburo de silicio se ha propuesto como un material alternativo de baño de zinc para eliminar la pérdida de hierro, su proceso de formación sigue siendo técnicamente difícil.
Los sistemas de calefacción deben garantizar un aumento uniforme de la temperatura para evitar el sobrecalentamiento localizado y el daño al equipo, al tiempo que mejoran la calidad del recubrimiento.
El galvanizado en caliente y el electrogalvanizado son dos métodos comunes de recubrimiento de zinc, cada uno con ventajas y limitaciones.
El galvanizado por inmersión en caliente proporciona una mayor resistencia a la corrosión, una mayor adherencia y dureza del revestimiento y una vida útil más larga. Es adecuado para entornos hostiles, especialmente para la construcción marina y la protección contra la corrosión industrial. Sin embargo, es relativamente caro, requiere equipos y espacio de taller más grandes y puede causar deformación de componentes estructurales muy delgados.
Electro-galvanización ofrece un menor costo y produce un acabado superficial más suave, por lo que es adecuado para aplicaciones que requieren alta calidad estética, pero que funcionan en ambientes corrosivos menos agresivos. Sin embargo, el espesor del recubrimiento es mucho más delgado y la resistencia a la corrosión es más débil.
Para aplicaciones que requieren protección contra la corrosión atmosférica a largo plazo, el galvanizado en caliente es claramente la opción preferida.
Debido a su excelente rendimiento, los tubos de acero galvanizado en caliente se utilizan ampliamente en múltiples industrias.
En el sector de la construcción, se utilizan en estructuras de acero, sistemas de andamios y tuberías de construcción. En ingeniería municipal, sirven en tuberías de suministro de agua, drenaje y transmisión de gas. En las industrias eléctrica y de telecomunicaciones, se utilizan para conductos de protección de cables y estructuras de torres de transmisión. En transporte, se aplican en barandillas de carreteras y estructuras de puentes. En agricultura, se utilizan para estructuras de invernaderos y tuberías de riego. En la fabricación industrial, se utilizan en estructuras mecánicas, soportes de equipos y sistemas de tuberías industriales.
Las tuberías de acero galvanizado en caliente son particularmente preferidas en la construcción marina y la protección contra la corrosión industrial debido a su densa capa de aleación de hierro y zinc, que proporciona una resistencia superior a la corrosión.
Como un producto de protección contra la corrosión de metal maduro, las tuberías de acero galvanizado en caliente brindan protección a largo plazo a través de un procesamiento científico y un estricto control de calidad. Comprender los mecanismos de corrosión, dominar los parámetros clave del proceso y optimizar el control de costos son esenciales tanto para los fabricantes como para los usuarios.
Con continuo avance tecnológico, los procesos de galvanización en caliente continúan mejorando y jugarán un papel cada vez más importante en los campos más industriales. Al seleccionar tuberías de acero galvanizado en caliente, los usuarios deben considerar el entorno operativo, los requisitos de protección contra la corrosión y las restricciones presupuestarias, y comparar diferentes opciones de protección, como galvanización en caliente, electrogalvanización y recubrimientos ricos en zinc, para elegir la solución más adecuada. También es necesario un mantenimiento adecuado durante el servicio para maximizar la resistencia a la corrosión y prolongar la vida útil.
