Acabado de metal

El tratamiento superficial de los metales aumenta su durabilidad y mejora su apariencia. Un solo producto puede someterse a más de un tratamiento de superficie; por ejemplo, un panel de carrocería de automóvil puede fosfatarse, imprimarse y pintarse. Este artículo trata sobre los procesos utilizados para el tratamiento de superficies de metales y los métodos utilizados para reducir su impacto ambiental.

Operar un negocio de acabado de metales requiere la cooperación entre la gerencia de la empresa, los empleados, el gobierno y la comunidad para minimizar de manera efectiva el efecto ambiental de las operaciones. La sociedad está preocupada por la cantidad y los efectos a largo plazo de la contaminación que entra en el aire, el agua y el medio ambiente terrestre. Gestión ambiental eficaz se establece a través del conocimiento detallado de todos los elementos, productos químicos, metales, procesos y productos.

Planificación de la prevención de la contaminación cambia la filosofía de gestión ambiental de reaccionar a los problemas a anticipar soluciones centrándose en la sustitución química, el cambio de proceso y el reciclaje interno, utilizando la siguiente secuencia de planificación:

1. Iniciar la prevención de la contaminación en todos los aspectos del negocio.
2. Identificar flujos de residuos.
3. Establecer prioridades para la acción.
4. Establecer la causa raíz del desperdicio.
5. Identificar e implementar cambios que reduzcan o eliminen el desperdicio.
6. Mide los resultados.

La mejora continua se logra estableciendo nuevas prioridades de acción y repitiendo la secuencia de acciones.

La documentación detallada del proceso identificará los flujos de residuos y permitirá establecer prioridades para las oportunidades de reducción de residuos. Las decisiones informadas sobre cambios potenciales fomentarán:

• mejoras operativas fáciles y prácticas
• Cambios en los procesos que involucran a clientes y proveedores.
• cambios a actividades menos dañinas cuando sea posible
• reutilizar y reciclar donde el cambio no es práctico
• utilizar los vertederos de residuos peligrosos sólo como último recurso.

Procesos principales y procesos operativos estándar

Limpieza se requiere porque todos los procesos de acabado de metales requieren que las piezas a terminar estén libres de suciedad orgánica e inorgánica, incluidos aceites, incrustaciones, pulido y compuestos para pulir. Los tres tipos básicos de limpiadores en uso son solventes, desengrasantes de vapor y detergentes alcalinos.

Los métodos de limpieza con disolventes y desengrasantes con vapor han sido sustituidos casi en su totalidad por materiales alcalinos donde los procesos posteriores son húmedos. Los solventes y los desengrasantes de vapor todavía se usan cuando las piezas deben estar limpias y secas sin más procesamiento húmedo. En algunos casos, los disolventes como los terpenos reemplazan a los disolventes volátiles. Los materiales menos tóxicos, como el 1,1,1-tricloroetano, se han sustituido por materiales más peligrosos en el desengrasado con vapor (aunque este solvente se está eliminando gradualmente como un agotador de la capa de ozono).

Los ciclos de limpieza alcalina generalmente incluyen una inmersión en remojo seguida de una electrolimpieza anódica, seguida de una inmersión en ácido débil. Los limpiadores que no decapan y no silicatan se utilizan normalmente para limpiar el aluminio. Los ácidos son típicamente sulfúrico, clorhídrico y nítrico.

Anodizado, un proceso electroquímico para espesar la película de óxido sobre la superficie del metal (frecuentemente aplicado al aluminio), trata las piezas con soluciones diluidas de ácido crómico o sulfúrico.

Revestimiento de conversión se utiliza como base para la pintura posterior o como pasivante para la protección contra la oxidación. Con el cromado, las piezas se sumergen en una solución de cromo hexavalente con agentes orgánicos e inorgánicos activos. Para el fosfatado, las piezas se sumergen en ácido fosfórico diluido con otros agentes. La pasivación se logra mediante inmersión en ácido nítrico o ácido nítrico con dicromato de sodio.

Galjanoplastia electrolítica implica una deposición de metal sin electricidad. La deposición sin electricidad de cobre o níquel se utiliza en la fabricación de placas de circuito impreso.

galvanoplastia consiste en la deposición de una fina capa de metal (zinc, níquel, cobre, cromo, cadmio, estaño, latón, bronce, plomo, estaño-plomo, oro, plata y otros metales como el platino) sobre un sustrato (ferroso o no ferroso). Los baños de proceso incluyen metales en solución en formulaciones ácidas, alcalinas neutras y alcalinas de cianuro (ver figura 1).

Figura 1. Entradas y salidas para una línea típica de galvanoplastia

Molienda y grabado químico son procesos de inmersión de disolución controlada que utilizan reactivos químicos y grabadores. El aluminio normalmente se graba con sosa cáustica antes del anodizado o se abrillanta químicamente en una solución que puede contener ácidos nítrico, fosfórico y sulfúrico.

Recubrimientos por inmersión en caliente Implican la aplicación de metal a una pieza de trabajo por inmersión en metal fundido (galvanización de acero con zinc o estaño).

Buenas practicas de gestion

Se pueden lograr mejoras importantes en seguridad, salud y medio ambiente a través de mejoras en los procesos, tales como:

• utilizando controles de conductividad y enjuague a contracorriente
• aumentar el tiempo de drenaje
• usando más o mejores agentes humectantes
• mantener las temperaturas del proceso lo más altas posible para reducir la viscosidad, aumentando así la recuperación por arrastre (es decir, la recuperación de la solución que queda en el metal)
• uso de agitación de aire en el enjuague para aumentar la eficiencia del enjuague
• uso de bolas de plástico en tanques de recubrimiento para reducir el empañamiento
• uso de filtración mejorada en tanques de placas para reducir la frecuencia del tratamiento de purificación
• colocar un bordillo alrededor de todas las áreas de proceso para contener los derrames
• usar tratamientos separados para metales recuperables como el níquel
• instalación de sistemas de recuperación como intercambio iónico, evaporación atmosférica, evaporación al vacío, recuperación electrolítica, ósmosis inversa y electrodiálisis
• complementar los sistemas de recuperación de arrastre con reducciones en el arrastre de contaminantes y sistemas de limpieza mejorados
• usar controles de inventario modernos para reducir los desechos y los riesgos en el lugar de trabajo
• aplicar procedimientos estándar (es decir, procedimientos escritos, revisiones operativas periódicas y registros operativos sólidos) para proporcionar la base para una estructura de gestión ambiental sólida.

Planificación ambiental para residuos específicos

Los flujos de desechos específicos, generalmente soluciones de revestimiento usadas, se pueden reducir mediante:

• Filtración. Se pueden utilizar filtros de cartucho o de tierra de diatomeas para eliminar la acumulación de sólidos, que reducen la eficiencia del proceso.
• tratamiento de carbono se puede utilizar para eliminar contaminantes orgánicos (más comúnmente aplicado en niquelado, electrochapado en cobre y enchapado en zinc y cadmio).
• Agua purificada. Los contaminantes naturales del agua de reposición y enjuague (p. ej., calcio, hierro, magnesio, manganeso, cloro y carbonatos) se pueden eliminar mediante desionización, destilación u ósmosis inversa. Mejorar la eficiencia del agua de enjuague reduce el volumen de lodos de baño que requieren tratamiento.
• Congelación de carbonato en baño de cianuro. Bajar la temperatura del baño a –3 °C cristaliza los carbonatos formados en el baño de cianuro por la descomposición del cianuro, las densidades de corriente anódica excesivas y la adsorción de dióxido de carbono del aire y facilita su eliminación.
• Precipitación. La eliminación de los contaminantes metálicos que ingresan al baño como impurezas en los ánodos se puede lograr mediante la precipitación con cianuro de bario, hidróxido de bario, hidróxido de calcio, sulfato de calcio o cianuro de calcio.
• Alternativas al cromo hexavalente. El cromo hexavalente se puede reemplazar con soluciones de cromado trivalente para revestimientos decorativos. Los recubrimientos de conversión de cromo para pretratamientos de pintura a veces se pueden reemplazar por recubrimientos de conversión sin cromo o productos químicos de cromo sin enjuague.
• Procesos químicos no quelados. En lugar de agregar quelantes a los baños de proceso para controlar la concentración de iones libres en la solución, se pueden usar procesos químicos no quelados para que no sea necesario mantener los metales en solución. Se puede permitir que estos metales precipiten y se pueden eliminar mediante filtración continua.
• Productos químicos de proceso sin cianuro. Los flujos de desechos que contienen cianuro libre generalmente se tratan con hipoclorito o cloro para lograr la oxidación, y los cianuros complejos comúnmente se precipitan con sulfato ferroso. El uso de procesos químicos sin cianuro elimina un paso de tratamiento y reduce el volumen de lodos.
• Desengrase con disolvente. Se pueden usar baños de limpieza alcalinos calientes en lugar del desengrasado con solvente de las piezas de trabajo antes del procesamiento. La eficacia de los limpiadores alcalinos se puede mejorar mediante la aplicación de corriente eléctrica o ultrasonidos. Los beneficios de evitar los vapores y lodos de solventes a menudo superan cualquier costo operativo adicional.
• Limpiadores alcalinos. Tener que desechar los limpiadores alcalinos cuando la acumulación de aceite, grasa y suciedad por el uso alcanza un nivel que perjudica la eficiencia de limpieza del baño se puede evitar usando dispositivos desnatadores para eliminar los aceites que flotan libremente, dispositivos de sedimentación o filtros de cartucho para eliminar partículas y coalescedores de aceite y agua y mediante el uso de microfiltración o ultrafiltración para eliminar los aceites emulsionados.
• Reducción de arrastre. Reducir el volumen de arrastre de los baños del proceso sirve para reducir la cantidad de productos químicos de proceso valiosos que contaminan el agua de enjuague, lo que a su vez reduce la cantidad de lodo generado por un proceso de tratamiento de precipitación de metales convencional.

Varios métodos para reducir el arrastre incluyen:

• Concentración operativa del baño de proceso. La concentración de productos químicos debe mantenerse lo más baja posible para minimizar la viscosidad (para un drenaje más rápido) y la cantidad de productos químicos (en la película).
• Temperatura de funcionamiento del baño de proceso. La viscosidad de la solución del proceso se puede reducir aumentando la temperatura del baño.
• Agentes humectantes. La tensión superficial de la solución se puede reducir agregando agentes humectantes al baño de proceso.
• Posicionamiento de la pieza de trabajo. La pieza de trabajo debe colocarse en la rejilla de modo que la película adherida se escurra libremente y no quede atrapada en ranuras o cavidades.
• Tiempo de retiro o drenaje. Cuanto más rápido se retira una pieza de trabajo del baño de proceso, más gruesa es la película sobre la superficie de la pieza de trabajo.
• Cuchillas de aire. Soplar aire en la pieza de trabajo a medida que el estante de la pieza de trabajo se eleva por encima del tanque de proceso puede mejorar el drenaje y el secado.
• Enjuagues por pulverización. Estos se pueden usar encima de los baños calentados para que la tasa de flujo de enjuague sea igual a la tasa de evaporación del tanque.
• Baños de emplatado. Los carbonatos y los contaminantes orgánicos deben eliminarse para evitar la acumulación de contaminación que aumente la viscosidad del baño de galvanoplastia.
• Tableros de drenaje. Los espacios entre los tanques de proceso deben cubrirse con tablas de drenaje para capturar las soluciones de proceso y devolverlas al baño de proceso.
• Tanques de arrastre. Las piezas de trabajo deben colocarse en tanques de arrastre (tanques de "enjuague estático") antes de la operación de enjuague estándar.

La recuperación por arrastre de sustancias químicas utiliza una variedad de tecnologías. Éstas incluyen:

• Evaporación. Los evaporadores atmosféricos son los más comunes y los evaporadores de vacío ofrecen ahorros de energía.
• Intercambio iónico se utiliza para la recuperación química del agua de enjuague.
• Electroobtención. Este es un proceso electrolítico mediante el cual los metales disueltos en la solución se reducen y depositan en el cátodo. Luego se recupera el metal depositado.
• Electrodiálisis. Esto utiliza membranas permeables a los iones y corriente aplicada para separar las especies iónicas de la solución.
• Osmosis inversa. Este utiliza una membrana semipermeable para producir agua purificada y una solución iónica concentrada. Se usa alta presión para forzar el agua a través de la membrana, mientras que la membrana retiene la mayoría de las sales disueltas.

Agua de enjuague

La mayor parte de los desechos peligrosos producidos en una instalación de acabado de metales proviene de las aguas residuales generadas por las operaciones de enjuague que siguen a la limpieza y el enchapado. Al aumentar la eficiencia del enjuague, una instalación puede reducir significativamente el flujo de aguas residuales.

Dos estrategias básicas mejoran la eficiencia del enjuague. En primer lugar, se pueden generar turbulencias entre la pieza de trabajo y el agua de enjuague mediante enjuagues por aspersión y agitación del agua de enjuague. Se utiliza movimiento de la rejilla o agua o aire forzado. En segundo lugar, se puede aumentar el tiempo de contacto entre la pieza de trabajo y el agua de enjuague. Múltiples tanques de enjuague configurados en contracorriente en serie reducirán la cantidad de agua de enjuague utilizada.

Recubrimientos Industriales

El término revestimientos incluye pinturas, barnices, lacas, esmaltes y gomas lacas, masillas, masillas y selladores para madera, quitapinturas y barnices, limpiadores de pinceles y productos de pintura afines. Los recubrimientos líquidos contienen pigmentos y aditivos dispersos en una mezcla líquida de aglutinante y solvente. Los pigmentos son compuestos inorgánicos u orgánicos que brindan color y opacidad al recubrimiento e influyen en el flujo y la durabilidad del recubrimiento. Los pigmentos suelen contener metales pesados ​​como cadmio, plomo, zinc, cromo y cobalto. El aglutinante aumenta la adhesividad, la cohesión y la consistencia del recubrimiento y es el componente principal que permanece en la superficie cuando se completa el recubrimiento. Los aglutinantes incluyen una variedad de aceites, resinas, cauchos y polímeros. Se pueden agregar aditivos como rellenos y extensores a los recubrimientos para reducir los costos de fabricación y aumentar la durabilidad del recubrimiento.

Los tipos de disolventes orgánicos utilizados en los revestimientos incluyen hidrocarburos alifáticos, hidrocarburos aromáticos, ésteres, cetonas, éteres de glicol y alcoholes. Los solventes dispersan o disuelven los aglutinantes y disminuyen la viscosidad y el espesor del recubrimiento. Los solventes utilizados en las formulaciones de recubrimientos son peligrosos porque muchos son carcinógenos humanos y son inflamables o explosivos. La mayoría de los solventes contenidos en un recubrimiento se evaporan cuando el recubrimiento se cura, lo que genera emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV). Las emisiones de COV se están regulando cada vez más debido a los efectos negativos sobre la salud humana y el medio ambiente. Las preocupaciones ambientales asociadas con los ingredientes convencionales, las tecnologías de aplicación de recubrimientos y los desechos de recubrimientos son una fuerza impulsora para desarrollar alternativas de prevención de la contaminación.

La mayoría de los revestimientos se utilizan en productos arquitectónicos, industriales o especiales. Los revestimientos arquitectónicos se utilizan en edificios y productos de construcción y para servicios decorativos y de protección, como barnices para proteger la madera. Las instalaciones industriales incorporan operaciones de recubrimiento en varios procesos de producción. Las industrias automotriz, de latas de metal, maquinaria agrícola, revestimiento de bobinas, muebles y accesorios de madera y metal y electrodomésticos son los principales consumidores de revestimientos industriales.

El diseño de una formulación de recubrimiento depende del propósito de la aplicación del recubrimiento. Los revestimientos proporcionan estética y protección contra la corrosión y la superficie. El costo, la función, la seguridad del producto, la seguridad ambiental, la eficiencia de transferencia y la velocidad de secado y curado determinan las formulaciones.

Procesos de recubrimiento

Hay cinco operaciones que comprenden la mayoría de los procesos de recubrimiento: manipulación y preparación de materias primas, preparación de superficies, recubrimiento, limpieza de equipos y gestión de residuos.

Manipulación y preparación de materias primas.

El manejo y la preparación de la materia prima implica el almacenamiento de inventario, las operaciones de mezcla, la dilución y el ajuste de los recubrimientos y la transferencia de la materia prima a través de la instalación. Se necesitan procedimientos y prácticas de monitoreo y manejo para minimizar la generación de desechos por deterioro, fuera de las especificaciones y preparación inadecuada que puede resultar del aclareo excesivo y el consiguiente desperdicio. La transferencia, ya sea manual o mediante un sistema de tuberías, debe programarse para evitar el deterioro.

Preparación de la superficie

El tipo de técnica de preparación de la superficie utilizada depende de la superficie que se va a recubrir: preparación previa, cantidad de suciedad, grasa, el recubrimiento que se aplicará y el acabado superficial requerido. Las operaciones de preparación comunes incluyen el desengrasado, el recubrimiento previo o el fosfatado y la eliminación del recubrimiento. Para fines de acabado de metales, el desengrasado implica la limpieza con solventes, limpieza en frío o desengrasado con vapor con solventes halogenados, limpieza alcalina acuosa, limpieza semiacuosa o limpieza con hidrocarburos alifáticos para eliminar la suciedad orgánica, la suciedad, el aceite y la grasa. El decapado con ácido, la limpieza abrasiva o la limpieza con llama se utilizan para eliminar la cascarilla de laminación y el óxido.

La operación de preparación más común para las superficies metálicas, aparte de la limpieza, es el revestimiento con fosfato, que se utiliza para promover la adhesión de revestimientos orgánicos sobre las superficies metálicas y retardar la corrosión. Los recubrimientos de fosfato se aplican sumergiendo o rociando superficies metálicas con una solución de fosfato de zinc, hierro o manganeso. El fosfatado es un proceso de acabado de superficies similar a la galvanoplastia, que consiste en una serie de baños de enjuague y productos químicos de proceso en los que se sumergen las piezas para lograr la preparación deseada de la superficie. Ver el artículo “Tratamiento superficial de metales” en este capítulo.

La eliminación del revestimiento, químico o mecánico, se lleva a cabo en superficies que requieren un nuevo revestimiento, reparación o inspección. El método de eliminación de revestimiento químico más común es el decapado con disolvente. Estas soluciones suelen contener fenol, cloruro de metileno y un ácido orgánico para disolver el revestimiento de la superficie revestida. Un lavado final con agua para eliminar los productos químicos puede generar grandes cantidades de aguas residuales. El chorreado abrasivo es el proceso mecánico común, una operación en seco que utiliza aire comprimido para impulsar un medio de chorreado contra la superficie para eliminar el revestimiento.

Las operaciones de preparación de la superficie afectan la cantidad de residuos del proceso específico de preparación. Si la preparación de la superficie es inadecuada, lo que da como resultado un revestimiento deficiente, la eliminación del revestimiento y el repintado se suman a la generación de residuos.

Estucado

La operación de revestimiento implica transferir el revestimiento a la superficie y curar el revestimiento sobre la superficie. La mayoría de las tecnologías de recubrimiento se clasifican en 1 de 5 categorías básicas: recubrimiento por inmersión, recubrimiento por rodillo, recubrimiento por flujo, recubrimiento por rociado y la técnica más común, recubrimiento por rociado atomizado con aire utilizando recubrimientos a base de solventes.

Los recubrimientos por rociado con aire atomizado generalmente se llevan a cabo en un ambiente controlado debido a las emisiones de solventes y el exceso de rociado. Los dispositivos de control de exceso de rociado son filtros de tela o paredes de agua, que generan filtros usados ​​o aguas residuales de los sistemas de depuración de aire.

El curado se lleva a cabo para convertir el aglutinante del revestimiento en una superficie adherente dura y tenaz. Los mecanismos de curado incluyen: secado, horneado o exposición a un haz de electrones o luz infrarroja o ultravioleta. El curado genera COV significativos a partir de recubrimientos a base de solventes y presenta un potencial de explosión si las concentraciones de solventes superan el límite explosivo inferior. En consecuencia, las operaciones de curado están equipadas con dispositivos de control de la contaminación del aire para evitar las emisiones de COV y para el control de seguridad para evitar explosiones.

Las preocupaciones ambientales y de salud, el aumento de las reglamentaciones que afectan a las formulaciones de recubrimientos convencionales, los altos costos de solventes y la costosa eliminación de desechos peligrosos han creado una demanda de formulaciones de recubrimientos alternativas que contengan componentes menos peligrosos y generen menos desechos cuando se apliquen. Las formulaciones de recubrimiento alternativas incluyen:

• Recubrimientos de alto contenido de sólidos, que contiene el doble de pigmento y resina en el mismo volumen de solvente que los recubrimientos convencionales. La aplicación reduce las emisiones de VOC entre un 62 y un 85 % en comparación con los recubrimientos convencionales a base de solventes con bajo contenido de sólidos porque se reduce el contenido de solventes.
• Recubrimientos a base de agua usando agua y una mezcla de disolventes orgánicos como vehículo con agua como base. En comparación con los recubrimientos a base de solventes, los recubrimientos a base de agua generan entre un 80 y un 95 % menos de emisiones de VOC y de solventes gastados que los recubrimientos convencionales a base de solventes con bajo contenido de sólidos.
• Recubrimientos en polvo que no contiene disolvente orgánico, que consiste en partículas de pigmento y resina finamente pulverizadas. Son polvos termoplásticos (resina de alto peso molecular para recubrimientos gruesos) o termoendurecibles (compuestos de bajo peso molecular que forman una capa delgada antes de la reticulación química).

Limpieza de equipos

La limpieza del equipo es una operación de mantenimiento de rutina necesaria en los procesos de recubrimiento. Esto crea cantidades significativas de desechos peligrosos, particularmente si se usan solventes halogenados para la limpieza. La limpieza de equipos para recubrimientos a base de solventes se ha realizado tradicionalmente de forma manual con solventes orgánicos para eliminar los recubrimientos de los equipos de proceso. La tubería requiere lavado con solvente en lotes hasta que esté limpia. El equipo de recubrimiento debe limpiarse entre cambios de producto y después de paradas del proceso. Los procedimientos y prácticas utilizados determinarán el nivel de residuos generados por estas actividades.

Gestión de residuos

Los procesos de recubrimiento generan varias corrientes de desechos. Los residuos sólidos incluyen contenedores de revestimiento vacíos, lodos de revestimiento del exceso de rociado y limpieza de equipos, filtros usados ​​y materiales abrasivos, revestimiento seco y trapos de limpieza.

Los desechos líquidos incluyen aguas residuales de la preparación de superficies, control de exceso de rociado o limpieza de equipos, materiales de preparación de superficies o recubrimientos fuera de especificación o en exceso, exceso de rociado, derrames y soluciones de limpieza usadas. El reciclaje de circuito cerrado en el sitio se está volviendo más popular para los solventes usados ​​a medida que aumentan los costos de eliminación. Los líquidos a base de agua generalmente se tratan en el sitio antes de descargarlos a los sistemas de tratamiento de propiedad pública.

Las emisiones de VOC son generadas por todos los procesos de recubrimiento convencionales que utilizan recubrimientos a base de solventes, lo que requiere dispositivos de control como unidades de adsorción de carbón, condensadores u oxidantes catalíticos térmicos.

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