Aceros Galvanizados

Aceros Galvanizados

El Galvanizado  

1. CORROSIÓN

1.1. Introducción

El acero expuesto a determinadas condiciones del medio puede sufrir corrosión, que se define como un conjunto de alteraciones físico químicas que sufre una sustancia por acción de determinados agentes naturales. La corrosión es un proceso natural, espontáneo y lineal que depende de las condiciones del medio y del tiempo en que esté expuesto a ellas. La corrosión se puede entender como el proceso inverso de la metalurgia, es decir, aquel en que el hierro vuelve al estado en que con mayor frecuencia se le encuentra en la corteza terrestre, o sea, en forma de óxidos de hierro.

Oxido de hierro.

 

1.2. Tipos de Corrosión

En el caso del acero, se describen tres tipos de corrosión:

CORROSION ATMOSFÉRICA: proceso electroquímico que se forma en la capa de humedad condensada sobre la superficie del acero. Se acelera en ambientes contaminados y ácidos (como el anhídrido sulfuroso de áreas urbanas) y en ambientes marinos (en que la sal destruye la película protectora de óxido superficial). Se diferencian la corrosión química o seca(una superficie metálica expuesta a la presencia de un gas puede desarrollar una reacción que forma óxido o sales. En el caso el Hierro, la presencia de oxígeno formará una capa de óxido sobre la superficie) y la corrosión electroquímica o húmeda (en la superficie metálica existen puntos o regiones con potenciales eléctricos diferentes -por alteraciones de la composición, variaciones de temperatura o alteraciones del medio ambiente- que son potenciales contactos eléctricos abiertos, pero que en presencia de humedad actúan como minúsculas pilas galvánicas).

CORROSION GALVÁNICA corriente electroestática entre metales más o menos nobles de la serie galvánica en presencia de humedad. Se acelera mientras mayor sea la distancia en la serie galvánica entre los metales.

CORROSION A ALTAS TEMPERATURAS se produce por el aumento muy rápido de la película de óxido superficial. Se presenta en procesos de laminación en que por el enfriamiento con agua se produce la laminilla o cascarilla de laminación, que se elimina en la industria. Procesos de Soldadura también generan altas temperaturas cuyo riesgo de corrosión se reduce por emisión de gases inertes que eliminan el oxígeno en torno al punto de la soldadura.

Se entiende por potencial de oxidación la capacidad de un metal de liberar electrones o de sufrir oxidación, que es distinto para cada metal, y está ordenada en la Serie Galvánica. Mientras más electronegativo es un metal, mayor es su potencial de oxidación. Metales más electropositivos tienen menor potencial de oxidación (metales nobles). En el caso de contacto entre metales de distinto potencial, siempre sufrirá corrosión el más electronegativo, en tanto se conservará el más noble. A mayor distancia en la serie galvánica de los metales puestos en contacto mayor es la diferencia de potencial y más rápidamente aparecerá óxido en el metal de menor potencial (ánodo).

Dadas estas condiciones, podemos resumir que para que se produzca corrosión en el acero debe haber contacto de agua y oxígeno con la superficie metálica; que la corrosión potencial depende de contaminación atmosférica, pero que la corrosión real depende del tiempo de exposición a la humedad y que, adicionalmente, el contacto con otros metales puede inducir corrosión localizada. En la práctica para combatir la corrosión se debe reducir el tiempo de exposición las condiciones corrosivas del ambiente y se debe aislar lo más posible de la humedad (e impedir el contacto del agua con la superficie).

1.3. Ambientes Corrosivos

De lo anterior se desprende que uno de los aspectos importantes a considerar en el diseño de estructuras de acero es conocer las condiciones del medio al que va a estar expuesto. Muchos países cuentan con mapas de riesgo de corrosión, puesto que condiciones locales específicas suelen aumentar la agresividad potencial del ambiente. Sin embargo, esta información, que se construye a partir de estaciones de monitoreo que evalúan en el tiempo el efecto de los metales expuestos a la intemperie, no está disponible para todas las regiones y localidades. En general, se pueden clasificar los tipos de ambientes según el siguiente esquema:

2. ESTRATEGIAS DE PROTECCIÓN.

La corrosión produce importantes pérdidas en las economías de países industrializados y emergentes (en los primeros, se estima que alcanza el 4% del PIB). En consecuencia, todo aquello que se pueda hacer para prevenir y evitar la corrosión es de gran importancia. Para prevenir la corrosión se puede recurrir a las siguientes estrategias básicas:

MEDIANTE LA MODIFICACIÓN DEL ACERO BASE

Los aceros pueden modificarse agregando diferentes minerales a la aleación, con lo que se logran propiedades especiales. Tal es el caso de los  Aceros inoxidables ( en los que el material en sí tiene resistencia a la corrosión) y los  Aceros patinables (en que la protección está dada por capa de óxido (pátina) protectora que se forma con el contacto con la humedad ambiente), de los cuales el acero tipo Corten ha sido ampliamente usado en diversos proyectos que hemos presentado en estas páginas.

MEDIANTE REVESTIMIENTOS

Aunque hay una gran diversidad de tratamientos y revestimientos para proteger el acero de la corrosión, en esta sección trataremos básicamente el  Galvanizado en bobinas del material antes de ser procesado por el cliente de la siderurgia y el Galvanizado en cubas.

3 GALVANIZACIÓN

3.1. INTRODUCCIÓN

Una eficaz protección del acero frente a los riesgos de corrosión se puede lograr mediante la Galvanización, que es el recubrimiento del acero base mediante una capa de zinc. Como veremos más adelante, esta capa de zinc no es sólo un recubrimiento del tipo película (como las pinturas, por ejemplo) si no que se genera adicionalmente una unión metalúrgica con el acero formando capas de aleación entre el acero y el zinc de diferente composición de cada uno de ellos.

Básicamente existen dos formas de aplicación de esta protección galvanizada: a) por un proceso que se aplica a bobinas de espesores inferiores a 2,5mm en procesos continuos por inmersión en caliente o por electrodeposición o b) en procesos que se aplican a estructuras y/o perfiles pesados por inmersión de las piezas en cubas.

Estos materiales son distribuidos por las siderurgias o por los servicentros o empresas comercializadoras como bobinas o ya cortadas como chapas (lisas y eventualmente luego onduladas) o procesadas como perfiles conformados. O sea que son materiales estándares

GALVANIZACIÓN DE BOBINAS
GALVANIZACION CONTINUA EN CALIENTE (HOT DIP GALVANIZING)

Esta galvanización por inmersión en caliente se hace en un proceso continuo a partir de bobinas de chapas de acero laminadas en caliente decapados (casos especiales) o laminadas en frío sin recocer (espesores menores a 2,5mm), las que pasan por etapas sucesivas y continuas. El proceso se inicia con el desbobinado, el posterior ingreso de la chapa en un horno que cumple las funciones de limpieza y tratamiento térmico para luego pasar por una cuba de inmersión que contiene el zinc fundido. Posterior a esto, se somete a un proceso de enfriado mediante chorro de aire hasta los 50°C, se sigue en una estación de planchado y culmina con el rebobinado de la chapa. Estas bobinas de chapas de acero así galvanizado tienen amplia aplicación en la conformación de perfiles galvanizados de bajo espesor para estructuras de entramados ligeros, estructuras de cubiertas y de cielos suspendidos, además de la conformación de paneles de cerramientos y/o cubiertas. Con frecuencia, en estos últimos casos, las chapas son posteriormente pintadas en procesos también continuos, lo que le otorga una doble protección: por una parte la protección catódica y de barrera que provee la galvanización y, por el otro, la protección adicional de barrera de la pintura, lo que adicionalmente entrega una terminación y acabado mejores.

Este proceso se hace tanto mediante la aplicación de zinc (denominado galvanizado) como de aluminio (aluminizado) -poco usado- o mediante la combinación de ambos (conocido como tipo Galvalume, o Zincalum).

En este último caso, que data de hace ya algunas décadas, se aplica una aleación de zinc y aluminio que otorga aún mejores propiedades a la protección, mejorando sensiblemente la durabilidad de las chapas así protegidas. Esta aleación de Aluminio y Zinc tiene una composición nominal de Aluminio 55%, Zinc 42% y Silicio 1.6%, y protege al acero proporcionándole una alta resistencia a la corrosión en que las zonas ricas en aluminio actúan como un recubrimiento barrera a largo plazo, mientras que las zonas ricas en zinc proporcionan la protección galvánica que se necesita para reducir al mínimo la tendencia de las manchas de óxido en los bordes desnudos o sin protección y otras zonas de acero expuestas.

Estos procesos se aplican en chapas de espesores en general inferiores a 2,50mm y, en general entre 0,35mm y 1,60 mm

ELECTROCINCADO CONTINUO

Otra forma de aplicar la protección de zinc es mediante el proceso de electrocincado continuo en el que la chapa laminada en frío recibe un recubrimiento de zinc por una o dos caras mediante deposición electrolítica. La chapa es inicialmente sometida a un proceso de pre limpieza para eliminar la capa de aceite, pasando por un túnel de desengrasado antes de iniciar el proceso de limpieza electroquímica y entrar en las cubas de decapado. En la etapa siguiente, el material decapado pasa a las células de galvanoplastia. En ellas, tanto la banda de acero como los ánodos de zinc están sumergidos en una solución electrolítica que permite el paso de una corriente eléctrica entre los ánodos de zinc y la banda de chapa de acero que actúa como cátodo. Controlando la velocidad de avance de la chapa y la intensidad de la corriente eléctrica se puede regular el espesor del recubrimiento continuo de zinc sobre la chapa. El resultado del proceso es una chapa de acero que lograuna alta resistencia a la corrosión, buen aspecto superficial y mejora anclaje de pinturas. Las chapas electro cincadas se usan especialmente en la industria de artículos para el hogar y en la industria automotriz y no tienen aplicación masiva en la construcción.

 

GALVANIZACIÓN POR INMERSION EN CALIENTE EN CUBAS

Para espesores gruesos de chapa no se usa el galvanizado en bobinas. Lo que se realiza es el galvanizado en cubas de las piezas fabricadas o sea los perfiles conformados gruesos o los perfiles soldados a partir de chapas. También se galvanizan en cubas los perfiles laminados. En todos los casos se destaca que son piezas de espesores considerables para estructuras medianas o pesadas. Este proceso es realizado por empresas especializadas fuera de la siderurgia y el material resultante es enviado a continuación directamente al cantero de la obra para su montaje. Las piezas galvanizadas son entregadas contra pedido y no son estándares.

Descripción

El Galvanizado por Inmersión en Caliente es un proceso industrial por medio del cual se protege todo tipo de productos de hierro o acero contra la corrosión. La protección anti corrosiva la otorga un recubrimiento de zinc sobre el acero, lo que se logra mediante la inmersión del elemento a proteger en un crisol con Zinc fundido a 450 grados Centígrados. Durante este baño se produce una reacción química entre los metales, originando un recubrimiento unido metalúrgicamente al acero mediante diferentes capas de aleaciones. La reacción de difusión entre los metales da como resultado la formación de una barrera impermeable que protege a las superficies metálicas del medio ambiente. El espesor del recubrimiento depende del tiempo de inmersión.

Los elementos recién salidos del proceso de galvanización por inmersión en caliente presentan un aspecto metálico brillante que va desapareciendo con el tiempo hasta estabilizarse en un color gris mate, que corresponde a la llamada capa de pasivación, formada por hidróxidos y carbonatos básicos de zinc, que aísla el zinc del medio ambiente. Como se menciona arriba, una de las características más importantes de la protección mediante galvanizado por inmersión en caliente es que el recubrimiento no es, estrictamente, una película de zinc depositada sobre el elemento de hierro a proteger sino una unión metalúrgica entre el acero y el zinc en que se crean distintas capas en el metal que tienen contenidos de acero y zinc diferenciados.

 

composicion

Técnicamente estas capas se denominan ETA (que contiene un 100% de Zn); ZETA (con un contenido de 94% Zn y 6% de Fe); DELTA (que contiene un 90% Zn y 10% de Fe) y GAMMA (con contenido de un 75% Zn y 25% de Fe).

Ventajas

Las ventajas de una protección por galvanización en caliente son muchas, pero hay que destacar que la principal es que asegura una mayor vida útil a los productos. La protección por galvanización en caliente aumenta significativamente la durabilidad de los elementos de acero expuestos a ambientes corrosivos. Aunque su costo directo no es necesariamente elevado, en toda evaluación económica, necesariamente se debe considerar este aumento de la vida útil del producto. Esta prolongación de la vida útil tiene gran importancia en la evaluación ambiental de un producto o proceso. En efecto, al proteger una tonelada de acero se evita consumir la energía necesaria para su producción. Probablemente, la galvanización por inmersión en caliente sea uno de los procesos más amigables con el medio ambiente para proteger estructuras de acero. Como se comenta en el documento de Latiza anexo, cada 90 segundos en el mundo se consume una tonelada de acero por la corrosión, y de cada dos toneladas de acero producido, una es para reemplazar el acero corroído. A lo anterior (que merece un comentario mucho más detallado que se puede encontrar en el documento anexo La Galvanización y la Construcción sostenible, de Tom Woolley) hay que sumar que tanto el zinc como el acero son metales 100% e indefinidamente reciclables: no pierden sus propiedades y características en el proceso de reciclado.

Otro aspecto importante a mencionar es que la galvanización por inmersión en caliente es especialmente adecuada para condiciones de riesgo de corrosión severo. En obras emplazadas en los primeros 200m del borde marino, la galvanización por inmersión en caliente debe considerarse como una condición de protección básica.

 

Lo anterior se explica porque la protección por galvanización por inmersión en caliente se logra con la acción copulativa de dos principios:

Protección por barrera física: El recubrimiento es evita el contacto directo del acero con el agua y/o el oxígeno, generando una protección de barrera de gran mayor dureza y resistencia.

Protección sacrificio: debido a su posición relativa en la serie galvanizada, el zinc actuará como ánodo de sacrificio, corroyéndose antes que el acero, aunque a una tasa significativamente menor.Con el paso del tiempo se forma una fina capa de óxido de zinc que actúa como aislante del galvanizado. Además, la capa de zinc que protege el acero tiene la capacidad de auto curado, ya que ante raspaduras superficiales, se produce un taponamiento por reacción química de la superficie dañada. En síntesis, la galvanización por inmersión en caliente es un tratamiento que no requiere de grandes faenas ni costos de mantenimiento.

Aún así, si se quiere mejorar las prestaciones o cambiar la apariencia, siempre es posible aplicar posteriormente una protección mediante un revestimiento o pintura de protección y/o terminación. Con ello, se agregan a las propiedades de la galvanización por inmersión en caliente las propiedades de las resinas de la protección superficial las que actuarán como una barrera de protección adicional que se suma a la galvanización.

Proceso  

Actividades previas

Antes de entrar en el proceso de galvanización o en el baño en el crisol de zinc fundido, las piezas de acero deben cumplir algunas etapas previas. La primera será de inspección visual de las piezas a galvanizar. Se debe cuidar que las piezas sean de dimensiones posibles de sumergir en el crisol. Por otra parte, se deberá verificar que la geometría de las piezas permita el escurrimiento del zinc fundido excedente del proceso sin que se formen depósitos o bolsas. Asimismo, se debe asegurar que las piezas huecas a sumergir en el zinc fundido tengan aberturas en sus extremos que permitan la evacuación del aire y de los gases a fin de evitar daños y hasta explosiones producto de las dilataciones que se generan. La preparación de las piezas es, pues, fundamental. En caso de encontrarse condiciones inconvenientes, con frecuencia se deben hacer perforaciones o destajes, lo que se puede evitar con un adecuado diseño y detallamiento previo.

Tanto el diseño de detalle como el adecuado dimensionamiento de las piezas son factores que deben ser considerados en la etapa de diseño de los proyectos. En síntesis, se debe verificar dimensión de la tina o crisol disponible en la planta próxima al taller o a la obra en que se disponga contratar la galvanización por inmersión en caliente. Piezas mayores a la capacidad se pueden proteger por doble inmersión (una vez un extremo, luego el otro). Lo anterior es importante porque es recomendable que las conexiones de obra sean apernadas, ya que la temperatura de la soldadura es superior a la temperatura de fusión del zinc y el proceso remueve la capa galvanizada. Aunque existen normas y recomendaciones para hacer las reparaciones en este caso (aplicación de pinturas con alto contenido de zinc en suspensión), en general se recomienda evitar o minimizar la soldadura en obra de las piezas galvanizadas. Además, se debe considerar diseñar y preparar las piezas a proteger por galvanización por inmersión en caliente con los destajes y perforaciones que aseguren correcto escurrimiento del zinc al salir del baño. Un buen diseño de detalles y conexiones debe incluir estos aspectos a fin de lograr una buena presentación

Proceso

Una vez conseguidas las condiciones señaladas, las piezas son colgadas para iniciar el proceso de galvanización por inmersión en caliente, el que incluye, al menos, las siguientes etapas:

  • Desengrase. Procedimiento en el que se remueven de la superficie del acero residuos de aceites, grasas, lacas y pinturas.
  • Lavado. Limpieza en agua que se realiza para evitar el arrastre del líquido desengrasante al decapado.
  • Decapado Ácido. Con soluciones en base de Ácido Clorhídrico o Sulfúrico se remueven los óxidos y calamina de las piezas de hierro o acero.
  • Lavado. Enjuague con agua limpia de los materiales para evitar el arrastre de ácido y hierro a la solución de flux.
  • Secado en aire caliente. Los productos mojados por la solución acuosa de las sales del flux, debe secarse antes de su introducción en el baño de zinc, lo que se realiza en un foso de secado con aire caliente.
  • Galvanizado - baño de zinc. La galvanización se realiza sumergiendo las piezas en un baño de zinc fundido, a temperatura comprendida entre 440°C y 460°C. Durante la inmersión de los productos en el zinc fundido se produce la difusión del zinc en la superficie del acero lo que da lugar a la formación de diferentes capas de aleaciones zinc - hierro de distinta composición. Cuando los productos se extraen del baño de galvanización, éstos quedan recubiertos de una capa externa del baño de zinc. El tiempo durante el que los productos deben estar sumergidos en el baño de zinc, para obtener un recubrimiento galvanizado correcto, depende, entre otros factores, de la composición del acero, de la temperatura del baño de zinc, y del espesor del acero de los productos. En cualquier caso, los productos deben estar sumergidos en el zinc hasta que alcancen la temperatura del baño.
  • Enfriamiento. Una vez fuera del baño de galvanización los productos pueden enfriarse en agua o dejarse enfriar al aire. A continuación pasan al área de acabado para eliminar rebabas, gotas punzantes y adherencias superficiales de cenizas o restos de sales y finalmente, se someten a inspección. Los recubrimientos galvanizados sobre artículos diversos deben cumplir una serie de requerimientos sobre aspecto superficial, adherencia y espesor que vienen especificados en las normas. Por último los productos se pesan para determinar su precio.
  • Inspección y control de calidad. Se realiza con equipos magnéticos para medir espesores del recubrimiento e inspecciones visuales de la apariencia y acabado en el acero y en el recubrimiento.

 

proceso
inmersion

Pieza galvanizada por inmersión en caliente a la salida del baño de zinc.

Adjuntamos algunos documentos que pueden ser de interés para profundizar en esta materia y para conocer procedimientos y normas relacionadas al proceso de galvanización que pueden servir de guía y consulta para los interesados.

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