RESUMEN Se identificó los principales procesos en el decapado, donde se estableció las condiciones óptimas para el proceso, donde se empezó pesando los metales a tratar anotando sus pesos iniciales, se preparó las sustancias a diferentes concentraciones, una vez preparado se colocó los metales colocándolos cada uno en los diferentes materiales volumétricos y se fueron sometidas a diferentes temperaturas por determinado tiempo, para después anotar el peso final de los diferentes metales. Se puede concluir que a partir de este método se puede realizar el proceso de decapado para diferentes metales oxidados a partir de la influencia de diferentes variables.
PALABRAS CLAVE: DECAPADO // TEMPERATURA // CONCENTRACION // METALES
PRÁCTICA 2 DECAPADO 1. OBJETIVOS 1.1. Identificar las variables principales en el proceso de decapado. 1.2. Establecer las condiciones óptimas para el proceso. 1.3 Realizar un análisis de varianza para establecer la influencia de las variables dependientes en la variable respuesta.
2. TEORÍA 2.1. Composición del Herrín. El herrín son las capas de óxido que se forman en la superficie de los metales cuando son sometidos a elevadas temperaturas que se forma durante distintas operaciones, por ejemplo, en la fundición, forja, laminado en caliente y recocido. La composición y estructura física del herrín depende de las condiciones en que se forma. Así, se relaciona con una serie de factores, tales como la temperatura y duración del caldeo, los efectos mecánicos del laminado, el forjado, la composición de la atmósfera del horno y la duración del enfriamiento. En general el óxido formado al calentar el hierro está constituido por tres capas distintas:
a) La capa más externa, que es relativamente delgada; contiene la mayor proporción de oxígeno y consiste en óxido férrico Fe 203. b) Una capa intermedia, que es más bien gruesa; está compuesta de óxido ferroso férrico Fe304. c) Una capa relativamente compacta en la proximidad del hierro inalterado; contiene la mayor proporción de este elemento y su composición corresponde al óxido ferroso FeO. En el caso del herrín formado por debajo de la temperatura de transición de 570ºC de la capa más interna del mismo que contiene Fe 203, Fe304 o una mezcla de ambos. (1) 2.2. Decapado. El decapado es el uso de productos químicos para limpiar un metal mediante la eliminación de defectos y la película superficial de óxidos, para a continuación, eliminar algunos micrómetros del metal base, siendo el proceso químico más común para quitar óxidos y contaminación de hierro. Además de eliminar la capa oxidada por un proceso de corrosión controlado, se eliminan también las zonas de menos resistencia a la corrosión como son las zonas de bajo contenido de otros contaminantes presentes en la superficie y dejando expuesta una capa de metal original, preparando para su pasivación. En este proceso se eliminan las capas de termosoldadura y en función de la exposición de los productos utilizados queda una superficie gris satinadada consecuencia de la eliminación de metal. (1)
El decapado es la eliminación de una fina capa de metal de la superficie del 2.3. Variables Operacionales del Decapado . Los factores más importantes que influyen a la hora de mantener el baño de decapado son: la concentración de ácido, la temperatura del ácido y la duración del tratamiento. La concentración del baño de decapado es de un 14-16% en peso en caso de utilizar ácido clorhídrico y de un 10-14% en peso para el ácido sulfúrico, siendo la temperatura de trabajo de 60-80ºC. La actividad del baño de decapado va disminuyendo al aumentar su concentración en hierro, por lo que es necesario realizar adiciones periódicas de ácido para mantenerla. Así mismo, será necesario reponer las pérdidas producidas tanto por evaporación como por arrastre de las piezas, compensándose estas pérdidas mediante la adición de agua. Este sistema puede mantenerse así hasta que se alcanza el límite de solubilidad del cloruro ferroso FeCl 2 en el propio ácido clorhídrico, por lo que una vez que se ha llegado a este límite ( ∼150 g/L), el baño de decapado estará agotado siendo necesaria su renovación. (2)
2.4. Ácidos Empleados en el proceso. El decapado normalmente involucra una mezcla de ácidos que contienen ácido nítrico (HNO3), ácido fluorhídrico (HF) y, a veces, también ácido sulfúrico (H 2SO4) y ácido clorhídrico (HCl) aunque se debe evitar los agentes que contienen este último ácido debido a la posibilidad de que se produzca corrosión por picadura. (2)
2.5. Eliminación de Líquidos Residuales del Decapado. El ácido residual se neutraliza con álcalis, en instalaciones apropiadas, antes de pasar a los desagues: El método consagrado por el tiempo consiste en hacer pasar la solución residual del ácido a través de una cámara, construida con ladrillos resistentes, que contiene cal, a menudo mezclada con virutas de acero para evitar conglomeración del neutralizante.
Figura 1: Esquema de una cámara de neutralización de aguas residuales. Fuente: Fosfamet-Proceso de decapado para metales pág. 16. (2)
Otra alternativa es el uso de un dializador para la recuperación del ácido de tratamiento del decapado, el mismo que utiliza dos membranas cargadas positivamente, en los cuales se lleva a cabo la transferencia de iones, estas membranas están sujetos por unos soportes plásticos que poseen canales para facilitar la distribución de los líquidos sobre las mismas.
Figura 2: Diagrama de flujo del sistema integrado. Fuente: Diseño y construcción de un sistema continuo de reciclamiento de ácido clorhídrico para decapado mediante difusión diálisis pág. 3. (1) 3. PARTE EXPERIMENTAL 3.1. Material y Equipos
Placas oxidadas Clavos oxidados Vasos de Precipitación Pinza Balanza Reverbero
3.2. Sustancias y Reactivos
Ácido Clorhidrico Ácido Fosfórico
HCl H3PO4
3.3. Procedimiento
Prepara soluciones de ácido clorhídrico al 2%, 4% y 6% Prepara una solución de ácido fosfórico a una concentración de 50 ppm Se coloca 100ml de la solución de ácido al 2% y se lleva a calentamiento hasta alcanzar una temperatura de 30°C Se pesa las placas o clavos de metal a decapar y se registra los valores Una vez alcanzada la temperatura deseada se introduce la placa o el clavo y se deja en la solución por 5 min Se repite las experiencias anteriores modificando la combinación de temperatura y concentración como se indica en la tabla de datos
4. DATOS 4.1. Datos Experimentales Tabla 1.
Temperatura (°C) 30 40 60
Datos experimentales (Pesos Iniciales) Concentración
Tabla 2.
Temperatura (°C) 30 40 60 Observaciones
2,51 2,45 2,46
4,72 4,93 4,90
2,50 2,58 5,23
Datos experimentales (Pesos Finales)
Concentración 2 51 2 4396 2 4599
4 7197 4 9257 4 8999
2 4868 2 5595 5 1568
Temperatura(°C) 30 40 60 Concentr ación Observaciones No se puede apreciar la No se puede apreciar la Se puede apreciar una leve remoción de los óxidos del remoción de los óxidos coloración amarillenta, la 1% clavo, la solución no del clavo, la solución no remoción de los sólidos es cambia de color cambia de color muy lenta. Se aprecia una coloración más Se observa un leve La solución presenta intensa, empieza a burbujeo, la solución no una leve coloración 2% evidenciarse la precipitación cambia de color amarillenta de los óxidos La coloración amarillenta es La coloración aún más intensa. Se observa La solución se torna de amarillenta es un poco que los óxidos se desprenden color amarillento opaco. Se más intensa. Se observa del clavo con mayor rapidez, observa que los óxidos se que los óxidos se y precipitan formando una desprenden del clavo, y desprenden del clavo capa con mayor cantidad de 3% precipitan formando una con mayor rapidez, y óxidos en el fondo del matraz. pequeña capa de óxidos en precipitan formando una La reacción es mucho más el fondo del matraz capa de óxidos en el rápida se puede apreciar un fondo del matraz. burbujeo instantáneo entre el ácido y clavo. La acción de las soluciones de HCl sobre los clavos corroídos fue diferente dependiendo de la concentración usada, en el caso de la solución al 3% v/v de HCl la solución tomo un color amarillo más intenso que en las soluciones de 2% y 1%. De la misma manera se observa mayor remoción de óxidos con el aumento de temperatura.
5. CÁLCULOS 5.1. Cantidad de óxidos removidos. (1)
P óxidos removidos = P inicial – P final
CLAVOS EN ACIDO CLORHÍDRICO DE CONCENTRACIÓN 15% T = 30°C P óxidos removidos = (2,51 – 2,51)g P óxidos removidos = 0g
CLAVOS EN ACIDO CLORHÍDRICO DE CONCENTRACIÓN 15% T = 40°C P óxidos removidos = (2,45 – 2,4396)g P óxidos removidos = 0,0104g
CLAVOS EN ACIDO CLORHÍDRICO DE CONCENTRACIÓN 15% T = 60°C P óxidos removidos = (2,46 – 2,4599)g P óxidos removidos = 0,0001g
5.2. Realizar un análisis ANOVA de la tabla que se muestra en los resultados. 5.3. Reacciones 5.3.1. Reacciones a las capas de óxido. () + 6() → 2 () + 3 ()
Ec. 5.3.1-1 () + 8() → () + 2 () + 4 ()
Ec. 5.3.1-2 () + 2() → () + ()
Ec. 5.3.1-3 5.3.2. Reacción al metal base. () + 2() → () +↑ ()
Ec. 5.3.2-1
6. RESULTADOS 6.1. Cantidad de óxidos removidos. Tabla 3.
Temperatura (°C) 30 40 60
Resultados (Cantidad de óxido Removido).
Concentración 0 0 0104 0,0001
0 0003 0.0043 0.0001
0 0132 0 0205 0,0732
7. DISCUSIÓN Los métodos cualitativo y cuantitativo utilizados para identificar las principales variables que influyen en el proceso de decapado fueron los adecuados; en base a la observación, experimentación y tratamiento estadístico de los datos se determinó que la temperatura y la concentración son las principales variables que influyen en dicho proceso. Los clavos corroídos, utilizados en la experimentación, presentaban distintas impurezas que pudieron influir en el proceso de decapado, impidiendo que el ácido remueva eficazmente los óxidos presentes en el metal; siendo éste un error sistemático del proceso. Considerando el material y el tipo de corrosión presente se puede dificultar el entendimiento del comportamiento del decapado siendo también un error sistemático. Se presentaron errores aleatorios, por parte del observador, al momento de preparar las soluciones de ácido clorhídrico, influyendo en la concentración de las mismas y por ende en la extracción de los óxidos. Al pesar los clavos luego del decapado su peso era superior debido, posiblemente, a la absorción de agua por las porosidades que presenta el material. Se recomienda para experimentaciones posteriores buscar materiales oxidados con similares características de corrosión para interpretar de manera precisa el cambio en el peso en el decapado en una aleación conocida o en material puro. Se recomienda además utilizar diferentes ácidos durante el proceso de decapado, para poder determinar su influencia en dicho proceso. 8. CONCLUSIONES 8.1. Se identificó las variables principales que afectan el proceso de decapado como es la temperatura, concentración de ácido y la solubilidad del clavo y su oxido, en el cual se pudo apreciar de mejor manera la reacción del clavo con cada uno de los ácidos utilizados. 8.2. Se concluye que el tiempo para limpiar el clavo, este depende la temperatura, debido que al incrementarla este disminuye notablemente, como se observa que a 40% de concentración sometida a calentamiento de 60°C se obtuvo mayor cantidad de óxido removido en poco tiempo, que a bajas concentraciones y bajas temperaturas.
8.3. Mediante las reacciones obtenidas se concluye que el hidrogeno del ácido fue sustituido por los iones negativos como el cloruro y se obtiene una combinación de
FeCl2 , como también el cambio de coloración de la solución debido a la cantidad de óxido en el material. 9. CUESTIONARIO 9.1. Clasificación de los decapantes DECAPANTES QUIMICOS. -
Los que tienen como base disolventes que reblandecen la película de pintura o de barniz en algunos minutos o algunas horas, hasta que la capa se reblandece y levanta, y puede ser arrancada por espátula, rascador, brocha, o por lavado con agua a presión.
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Los ácidos y las bases fuertes que actúan más lentamente descomponiendo el revestimiento.
DECAPANTES INDUSTRIALES. -
Su composición química (componentes mayoritarios).
-
Su clasificación química: neutro, alcalino y acido.
-
El método de aplicación: con brocha o pincel, con rodillo, con paleta, con pistola, por inmersión, etc.
-
El método de eliminación de la capa de revestimiento: aclarado con agua, secado al aire, o aclarado con disolvente.
-
La clase de riesgos que origina: inflamable, corrosivo.
-
El uso que se le dé: decapantes para pinturas, tintas, barnices; decapantes para hornos o decapantes para metalurgia y la mecánica.
9.2. Que otro tipo de sustancias pueden ser utilizadas como decapantes. El 90% de los productos estudiados son ácidos minerales u orgánicos, como los ácidos nítrico, fosfórico, fluorhídrico, clorhídrico, y otros ácidos orgánicos como el sulfamico, acético, y fórmico. Suelen ir combinados con agua, alcoholes, fluoruro o nitrato de magnesio, fosfato y óxido de zinc, bifluoruro de amonio, sulfato de bario, y / o tenso activos e inhibidores de corrosión. El 10% restante son formulaciones muy variadas como el diclorometano.
9.3. ¿Existe algún proceso para recuperar el ácido o mezcla de estos usada en el decapado? Si lo hay, indique cual es y en que consiste. En el caso de las aguas de decepado sulfúricas, se han descrito procedimientos basados en la utilización de resinas de intercambio, separación del hierro y ácido mediante electrólisis, tostación y extracción con disolventes.
Así mismo, en el CENIM, se ha estudiado también un procedimiento de oxiprecipitación de lejías sulfúricas mediante el cual se llega a la formación de oxihidróxidos de hierro, a partir de los cuales, y mediante calentamiento con hidróxido de bario, puede obtenerse hexaferrita de bario. En relación con las aguas de decapado nítrico-fluorhídricas, las modernas plantas de decapado de aceros inoxidables están equipadas con sistemas que permiten la recuperación de los ácidos contenidos en las aguas. Los procesos Outokumpu, RECOFLO y REK son buenos ejemplos de ello. Estos sistemas consisten en la recuperación de los ácidos libres mediante tratamiento en vacío en presencia de ácido sulfúrico, utilización de resinas cambiadores de iones, extracción con disolventes, evaporación-condensación para la recuperación de los ácidos y obtención de óxido férrico. Tratamiento en vacío en presencia de ácido sulfúrico, utilización de resinas cambiadores de iones, extracción con disolventes, evaporación-condensación para la recuperación de los ácidos y obtención de óxido férrico.
10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 10.1. Referencias (1) Treviño, B., y García Orozco, J. (2002). Diseño y construcción de un sistema continuo de reciclamiento de ácido clorhídrico para decapado mediante difusión diálisis. XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, 26, 3-8. (2) Fosfamet. (2005). Proceso de Decapado de Metales, 1, 1-7 11. ANEXOS 11.1. Diagrama del Equipo (Ver Anexo 1)
