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Tanques de dissolução de zinco para processo de zinco alcalino isento de cianetos

Robert Ludwig; Rick Holland - Columbia Chemical Corp., Cleveland

Tradução: Douglas de Brito Bandeira - Metal Coat Produtos Químicos


Resumo

O eletrólito alcalino de zinco livre de cianetos tem propriedades que, quando usadas corretamente, proporcionam maior rendimento, qualidade e estabilidade ao serviço de placa de zinco. Esses fatores são realmente essenciais para quem trabalha com chapa de zinco e precisa de volumes de produção relativamente maiores para ser competitivo. O tanque de dissolução de zinco atua, nesse sentido, sendo uma das ferramentas mais importantes para beneficiar o controle do processo, auxiliando os técnicos e chapas. Este artigo menciona a estrutura básica do tanque de dissolução e suas vantagens em comparação com o sistema padrão de dissolução.


Zincagem é um dos processos de maior volume na indústria de eletrodeposição, e o uso de zinco alcalino isento de cianetos é o processo que mais cresceu dentro deste segmento. Esta mudança está sendo influenciada pelo aumento das preocupações ambientais e de segurança associadas aos eletrólitos com cianetos. Os eletrólitos alcalinos isentos de cianetos de hoje se comparam aos cianídricos em relação a brilho, poder de penetração e ductilidade, sem os riscos relacionados ao cianeto. Estes banhos ainda oferecem custos operacionais mais baixos que os eletrólitos ácidos a base de cloreto de zinco, além de oferecer depósitos mais uniformes com relação à camada nas diferentes densidades de corrente.


Com o crescimento de uso deste tipo de tecnologia ocorre uma mudança no pensamento tradicional sobre tipo de anodos e o reabastecimento de zinco metálico no banho de tratamento. Os eletrólitos de zinco alcalino isento de cianetos requerem um controle mais rigoroso das concentrações de metal dissolvido do que nas soluções cianídricas.


O conceito de uso de anodos de aço inerte e um tanque “gerador de zinco” separado no lugar dos anodos tradicionais nestes processos já existem há muitos anos, no entanto, até recentemente, a disponibilidade de projetos práticos e experiência de campo era menos do que adequada. Este artigo aborda as vantagens de uso de um tanque gerador de zinco e fornece informações práticas para projetos.


Reforço do zinco


O zinco pode ser reposto nas soluções alcalinas isentas de cianeto da mesma forma que usualmente se faz nas soluções cianídricas, ou com o uso de tanques de dissolução em separado contendo uma solução de hidróxido de sódio. Esta solução rica em zinco é então circulada para o tanque de deposição. Diferentemente dos banhos de zinco cianídricos, os sais não dissolvidos não devem ser adicionados diretamente às soluções de zinco alcalino isentos de cianetos.


As formas mais populares de anodos de zinco utilizadas são as de bolas em cestos de aço ou placas/lingotes que podem estar em cestos ou pendurados em ganchos de aço nos barramentos anódicos. No entanto os operadores de processo chegaram à conclusão de que o uso de anodos de zinco dentro dos tanques de eletrodeposição como forma única de reposição de metal na solução pode ser inadequado e até problemático. A ausência de cianeto deixa mais limitado o poder de dissolução da solução, então controles mais rígidos são necessários para manter estável a concentração de zinco, especialmente conforme a produtividade aumenta. Normalmente para quem opera o processo é praticamente impossível monitorar e controlar todos os fatores que influenciam a concentração de zinco em uma solução alcalina sem cianeto diariamente: área de anodo de zinco, arraste da solução, corrente elétrica, temperatura da solução, quantidade de hidróxido, área catódica e volume de serviço a ser beneficiado.


Além disso, quando se torna necessário ajustar a quantidade de zinco na solução, fica obrigatório adicionar ou remover fisicamente os anodos e também ajustar a quantidade de hidróxidos na solução. Também mais testes de monitoramento e controle se fazem necessários para determinar outras correções adicionais.


Tanques de dissolução de zinco


A reposição de metal com um pequeno tanque de dissolução contendo anodos de zinco com hidróxido de sódio, e utilizando placas de aço como anodos no tanque de deposição conferem ao operador muito mais controle do que depender simplesmente da dissolução do zinco no tanque de trabalho.


Vantagens adicionais desta técnica incluem:

• O tempo associado aos testes da solução são reduzidos;

• Existe um controle separado da solução de trabalho e da solução de reforço;

• Está disponível reforço de zinco como ação imediata para o tanque, assim como reserva para futuras reposições;

• Uma forma simples e relativamente rápida de aumentar ou diminuir a concentração de zinco está disponível - para diferentes tipos de peças ou diferentes solicitações na operação;

• O uso de lingotes de zinco ao invés de metal em bolas é possível;

• A possibilidade de polarização de anodos, que pode contribuir com formação de aspereza nas peças, é evitada.


A instalação de um tanque de dissolução no processo de zinco alcalino isento de cianetos não irá resolver todas as preocupações do operador. A preocupação com limpeza apropriada anterior ao tratamento e com o monitoramento e controle dos efluentes continuará. Mas mesmo assim irá simplificar a operação e estabilizar o banho produzindo com brilho e uniformidade no dia a dia.


Tanque de dissolução é necessário?


Certos fatores da operação de zincagem determinarão o quanto será importante o uso de um tanque de dissolução para a linha. O gerador de zinco geralmente se comprova como extremamente benéfico tanto para linhas rotativas quanto de gancheiras. Considere as seguintes questões antes de montar um tanque de dissolução de zinco.

• A linha de zincagem será de alto volume?

• As peças processadas podem ser consideradas como “responsáveis por grande arraste”?

• As peças a serem tratadas utilizaram uma corrente relativamente alta?

• A linha de zincagem trabalhara todos os dias?

• Existe espaço adequado para o tanque de dissolução?


Se “sim” for a resposta para qualquer uma destas perguntas então o uso do tanque de dissolução parece ser indicado.


O Zinco é depositado e arrastado como efluente em diferentes medidas dependendo das peças processadas e do ciclo de trabalho da linha. Operadores do processo utilizando zinco em bolas ou placas/lingotes como anodos vão concluir que, continuamente trabalhando com altos volumes ou alta densidade de corrente, será quase impossível manter estável a concentração de zinco no banho. Após apenas algumas horas de trabalho será necessário aumentar a área de anodos de zinco e/ou a concentração de soda dentro do banho. Depois de alguns períodos ociosos provavelmente será necessário retirar anodos do banho, pois mesmo não trabalhando o zinco continuará se dissolvendo e aumentando sua concentração na solução. Eventualmente tempos de parada de produção ou baixa produtividade podem ocorrer aguardando que o banho retorne em sua faixa ideal de trabalho.

Figura 1 - Tanque de dissolução e filtração externos com utilização de cestos de aço carbono cheios de zinco em bolas.


Uniformidade da camada depositada também é um problema. Uma linha típica de zinco alcalino isento de cianeto que trabalha com anodos de zinco na solução de trabalho pode iniciar a semana com concentrações de zinco entre 11 e 12 g/l, e após 8 horas de trabalho, por exemplo a cada dia da semana, cair a concentração na solução para 6 a 7 g/l. Frequentemente, os operadores neste sistema são obrigados a contar com a parada de produção durante o final de semana (e às vezes durante a semana de forma não programada) para repor o zinco na solução de trabalho. De forma contraria, linhas com alta produção e alto arraste de solução são capazes de trabalhar continuamente sem paradas eventuais de ajuste, isto se estão fazendo uso de tanques apropriados de dissolução.


Galvânicas que utilizam os tanques de dissolução também contam com eletrólitos de trabalho muito mais estáveis durante toda a semana com relação à concentração de zinco, resultando em muito mais qualidade de trabalho. Reduzindo a variação na concentração de zinco metal fica o sistema de aditivos do processo mais eficiente e mais constante quanto ao consumo e às características de depósito. Também torna possível alterar rapidamente a concentração de zinco na solução de forma a tender necessidades diferentes em diferentes tipos de peça a beneficiar.


Projeto do tanque de dissolução de zinco


Projetando um pequeno tanque de dissolução de zinco contendo uma solução altamente concentrada de hidróxido de sódio (115 a 165 g/l) e uma ampla quantidade de zinco, permitirá ao zincador circular a solução concentrada de zinco para o banho e manter concentrações estáveis de zinco com facilidade. A primeira diretiva é a de que o zinco no tanque de dissolução esteja em contato constante com as cestas e ou placas de aço carbono. Isto formará uma célula galvânica que permite que o zinco se dissolva rapidamente, e com uma taxa uniforme de dissolução. Se o zinco metálico não estiver em contato com o aço carbono a dissolução será lenta prejudicando o fornecimento de zinco dissolvido para o processo.


Em seguida, agitação a ar e bomba de circulação interna ou externa para transferir a solução de zincato continuamente do tanque de dissolução. Não havendo movimentação adequada da solução fará com que os lingotes, placas ou bolas de zinco formem uma crosta de óxidos/hidróxidos de zinco que poderão impedir a sua dissolução. Se ocorrer a formação desta crosta ela deve ser removida ou o zinco não se dissolverá da forma prevista.

Figura 2 - Tanque de dissolução interno com filtração externa com utilização de cestos de aço carbono cheios de zinco em bolas.


Um tanque de dissolução bem projetado possibilita acesso fácil para reabastecimento do zinco metálico e reforço do hidróxido de sódio. Normalmente as linhas de zincagem com um tanque de dissolução não necessitam de reposições de hidróxido de sódio no taque de deposição. Tanto o zinco quanto a soda cáustica são fornecidos pelo tanque de dissolução. Manter linhas com suprimento adequado de zinco resulta em diferentes formas de operação do sistema. Linhas de alto volume de produção necessitam de tanques de dissolução de maior volume, linhas com baixo volume de produção ou ociosidade já não necessitam de tanto volume. O volume médio de um tanque de dissolução varia de 15 a 20% do volume total do tanque de deposição. Em alguns casos de produção muito alta os volumes dos tanques de dissolução chegam a 33% do volume do tanque de zincagem. Para determinar o tamanho do tanque de dissolução ideal, o fornecedor deve levar em consideração o volume de produção, o tempo de banho e as limitações de espaço da linha. Para instalar um tanque de dissolução que tenha de 15 a 20% do volume do tanque de trabalho, o zincador deve prever espaço para tanque, filtros, bombas, sistema de exaustão para vapores, e encanamento para circulação da solução entre o tanque de trabalho e o de dissolução.


Normalmente o tanque de dissolução fica localizado próximo ao tanque de deposição conectado com entrada e retorno de solução através de encanamento e bombas adequadas. Preferencialmente, a posição do encanamento deve possibilitar que a solução retorne do tanque de trabalho por gravidade para evitar custos extras, de bombas por exemplo (consulte as figuras 1 e 2). Para remover partículas de zinco não dissolvidas que possam causar aspereza no processo utiliza-se filtro antes do tanque de deposição.


A construção do tanque de dissolução de zinco


Os tanques de dissolução são construídos em aço carbono. Cestos e ou divisórias, também de aço, são instalados nos tanques fornecendo área de retenção para as bolas ou placas de zinco. Os cestos e placas de aço devem ser removíveis para fornecer espaço para a manutenção e alcance para alguma operação dentro do tanque. As cestas e chapas de aço carbono devem ser aquecidas ao fogo antes da instalação. O filme de óxido azulado resultante da exposição ao fogo atua como um catalizador na dissolução do zinco. As placas de contato podem ser de aço expandido (muito utilizado em passarelas nas linhas de revestimento). O encanamento que conecta o tanque de zincagem ao tanque de geração de zinco deve permitir que a solução se desloque livremente de um tanque para o outro. A posição de instalação adequada das bombas e filtros garantirá o fluxo e circulação adequados da solução de zincato, assim como o controle da concentração de zinco no tanque de deposição.


Existem vários métodos de agitação da solução. Ar comprimido através de tubos perfurados no fundo do tanque de dissolução fornece excelente movimentação da solução e permite uma boa dissolução do zinco. A bomba de circulação também é uma alternativa desde que seja de material apropriado e permita um grande fluxo da solução. O encanamento externo com uma bomba de circulação mantém a solução em movimento, mas isso requer a operação de uma bomba adicional. O sistema de encanamento do tanque de dissolução precisa ser composto de tubos de polipropileno para suportar a exposição à solução extremamente cáustica. As válvulas também devem ser de polipropileno de alta qualidade para garantir vida longa e confiabilidade ao direcionar a solução para o tanque de zincagem. O diâmetro do tubo dependerá do tamanho do tanque de revestimento e do volume de serviço que será normalmente processado. Especifique bombas que trabalhem com soluções viscosas e fortemente alcalinas sem problemas. O número de bombas a ser utilizado dependerá da configuração do encanamento, do tamanho da bomba e da distância que a solução precisa percorrer. Bombas e filtros devem ser dimensionados permitindo que o volume total do banho circule de duas a três vezes por hora. Por exemplo, um banho de 5.000 litros necessita de um conjunto de bomba e filtro que permita a circulação de 10.000 a 15.000 litros/hora para um ótimo desempenho. Filtro e bomba podem ser fornecidos separadamente ou como unidade combinada. As unidades combinadas costumam ser bem eficientes e incluem bomba, filtro, tubulação e tanque de contenção. Combinando a potência da bomba (ex. 1, 3 ou 5 hp) com o correto tamanho de filtro otimizará o fluxo da solução através da área máxima filtrante. Uma regra prática de vasão é aproximadamente 4.000 litros/hora para cada 10 dm2 de área filtrante.


Os filtros são imperativos para qualquer sistema de zinco alcalino e devem ser colocados anteriores à entrada do tanque de deposição (consulte as figuras 1 e 2). A vida útil do filtro pode ser estendida com auxiliares de filtração como terra de diatomáceas ou carvão ativo. Ao usar um tanque de dissolução acoplado à bomba filtro os elementos de filtração serão facilmente impregnados, isto prolongará o tempo de manutenção do filtro e também aumentará o poder de filtração.


Gerador de zinco: composição, operação e manutenção da solução


Após o projeto e a instalação da linha de revestimento de zinco ter sido concluída, assim como o foram o tanque de dissolução, as bombas, os filtros e as tubulações, é hora então de abastecer o tanque vazio com bolas/ placas de zinco e solução de hidróxido de sódio. A variação da área de zinco e a variação da concentração de hidróxido provocarão diferentes taxas de dissolução de zinco. A operação inicial do tanque de dissolução deve ser com os cestos cheios de ½ a ¾ de sua capacidade à solução de soda cáustica com concentração de 120 a 140 g/l.


Se ocorrer excesso de zinco na solução, simplesmente tire uma parte do zinco dos cestos, no caso contrário, havendo pouca formação de zinco para a necessidade da linha, então coloque mais zinco nos cestos (placas, bolas ou lingotes) aumentando a sua área ou aumente a concentração de soda para 160 g/l.


O tanque de dissolução de zinco não deve apenas gerar zinco para repor o consumo eletrodepositado, ele pode também dissolver o zinco para uma nova montagem do banho em sua totalidade. Dissolvendo o zinco em múltiplas bateladas no tanque de dissolução e transferindo esta solução para o tanque de deposição é possível gerar milhares de litros de banho novo, pronto para uso, de zinco alcalino isento de cianetos. Bastando apenas adicionar os aditivos do processo para começar a trabalhar.


Fórmulas para operar com tanques de dissolução são boas em teoria, mas em uma linha de produção, elas não consideram o arraste da solução, o volume de produção e vários outros fatores. O melhor é que cada linha tenha a experiência com seu tanque de dissolução de aproximadamente duas semanas, e se adapte ao seu uso de acordo com as suas características de processo. Observando como o zinco deve ser gerado para manter níveis constantes de concentração de metal na solução do banho de eletrodeposição. Em geral mantenha a solução de zinco no gerador com aproximadamente de 2 a 6 g/l acima do nível desejado no tanque de trabalho e o hidróxido de sódio também com concentração de 6 a 20 g/l mais alta do que a solução de eletrodeposição. Isto deve permitir que a maioria das plantas de produção consiga gerar solução de zincato em quantidade e concentração suficientes para repor o zinco na solução de deposição.


A manutenção do tanque de dissolução é bastante simples, manter o zinco nos cestos e chapas, e o hidróxido de sódio na concentração indicada e manter uma boa agitação na solução em todo o tanque do gerador minimizará problemas.


Projeto de anodos insolúveis de aço carbono


Os anodos inertes são construídos em aço carbono ou ferro, chapa estendida que é muito utilizada em pisos elevados/passarelas de equipamentos. A área do anodo deve ser maximizada para permitir a distribuição adequada da placa. Existem basicamente duas maneiras de conectar os anodos de aço aos barramentos de cobre. O método tradicional utiliza barras de cobre ou aço posicionados sobre a solução de eletrodeposição. Os anodos de aço ficam pendurados na barra anódica. O contato entre o anodo e a barra anódica deve ser limpo periodicamente para impedir que óxidos que se formem impeçam a passagem de corrente. Cuidado tem que ser tomado quando for feita a limpeza das barras para impedir contato do cobre com a solução de deposição. Outro método, que é o preferido, utiliza barras anódicas de aço carbono submersos na solução de deposição. Neste caso os anodos podem ficar encaixados ou parafusados na barra submersa. Este método garante contato adequado entre o anodo de aço e o barramento, eliminando qualquer acúmulo de óxido ou isolamento nos locais de conexão. Como a corrente aplicada sai tipicamente da parte inferior dos anodos, é benéfico escalonar a altura (profundidade) desses anodos em todo o tanque de tratamento. Variando a extensão dos anodos de ½ a ¾ da distância até o fundo a corrente fluirá para diferentes áreas de trabalho deixando mais homogênea a densidade de corrente.


Conclusão


Como o revestimento alcalino de zinco sem cianeto continua a crescer em popularidade, seria prudente a qualquer zincagem que utilize um sistema alcalino isento de cianetos considerar a instalação de um tanque de dissolução. Anodos de zinco tradicionais requerem cuidados constantes com monitoramento e trabalho físico que é difícil e não prático. Embora seja possível trabalhar com os anodos de zinco no tanque de eletrodeposição, um tanque que gere a solução de zincato eliminará muitos problemas associados aos eletrólitos de zinco alcalino isentos de cianetos. O tanque de dissolução proporciona ao zincador mais controle e reduz o trabalho manual e mantém a química do banho mais uniforme por um período de tempo maior. Quando os componentes do banho estão sob controle os aditivos trabalham de forma mais previsível e produzem com mais consistência e mais qualidade a partir da linha de zincagem. Um tanque de dissolução de zinco bem projetado se comprova como grande aliado a quem opera com processo de zinco isento de cianetos.


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