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Denominamos galvanización, a la operación mediante la cual se aplica por inmersión, una capa de Zinc sobre una pieza de acero.

El Zinc se encuentra fundido en una cuba o crisol, y en ella se sumerge la pieza de acero. Con este proceso, se logra dar al acero base mayor resistencia a la corrosión, (en determinados medios corrosivos), sin que pierda sus características mecánicas.

En líneas productivas, la temperatura del baño de cinc, normalmente varía entre 438°C y 460°C.

La temperatura máxima del baño, se establece a fin de preservar la vida útil del crisol, ya que por encima de 470°C, comienza la etapa de migración acelerada de Fe de las paredes del crisol hacia el baño. Esto, además de favorecer la formación de dross, pone la cuba en peligro de perforación localizada.

Los modernos diseños de los sistemas de calentamiento de las cubas, al calefaccionar uniformemente las paredes, aumentan notablemente la duración de los mismos, a la vez que minimizan los riesgos de perforación por sobrecalentamiento localizado.

Al ser de calentamiento directo y a menor temperatura, (550°C en la cámara para lograr unos 445° C en el baño), su consumo de energía es notoriamente menor, y la recuperación de la temperatura en el baño es más rápida, permitiendo aumentar la productividad del baño de zinc.

A continuación se muestra un resumen de las etapas y variables que intervienen en este proceso. El manejo y control de estas variables dará como resultado final un galvanizado de buena calidad y bajo costo.

En el presente texto no se considera la logística de material, es decir, las gancheras, su cantidad, su tipo, su diseño, el método de colgado, cantidad de puentes grúas y/o monorrieles, estaciones de carga y descarga, almacenamiento, traslado, grúas horquilla, etc.

1. El proceso previo, (pretratamiento).

2. El secado previo al galvanizado.

3. La temperatura del baño de cinc.

4. La velocidad de descenso y de izaje de las piezas.

5. El tipo de acero de las piezas a galvanizar.

6. La forma y dimensiones de las piezas.

7. El estado de la superficie a tratar.

8. El espesor de las piezas.

9. El tiempo de inmersión.

10. La composición del baño de zinc, (aleantes).

El pretratamiento consiste en sumergir las piezas en distintos baños químicos y tiene como objetivo prepararlas para un correcto galvanizado. Consta de varios pasos, como se ve en el diagrama siguiente:

Desengrase

Tiene como objetivo producir la primera limpieza, eliminando el aceite y las gasas adheridas durante los procesos de conformación o fabricación de las piezas.

En algunos casos , aún se utiliza desengrases alcalinos en caliente, pero cada vez es menos frecuente su utilización, por el alto costo energético de calentar el baño.

La tendencia actual es la utilización de desengrase ácido, y nuestra recomendación es incorporar HYDRONET, el cual trabaja en frío, no requiere calentamiento, no requiere enjuague, actúa como predecapante, acelera el proceso de decapado, el baño no se descarta nunca, transforma y precipita las grasas y la superficie del baño siempre está libre de aceites. HYDRONET no emite olores ni vapores y es absolutamente seguro al operador y al medio ambiente.

Decapado ácido

El decapado tiene la función de remover los óxidos que se encuentran en la superficie de las piezas a galvanizar. Estos se producen durante los procesos previos, o por la corrosión que se genera durante el almacenamiento, (corrosión atmosférica).

En el decapado, se puede utilizar ácido sulfúrico o clorhídrico, (H2SO4 ó HCl).

No se aconseja la utilización de ácido sulfúrico , por ser más nocivo y peligroso que el acido clorhídrico, además del costo energético que implica su calentamiento. Por lo mismo, prácticamente no es utilizado dentro del proceso de galvanizado.

En la actualidad, la mayoría de los galvanizadores utilizan HCL en sus decapados. Por sus características de operación, es imprescindible la utilización de aditivos. ANTIVAPOR-D es un reductor de emanaciones ácidas, que reduce hasta en 70% la generación de vapores de HCL, lo que permite cumplir norma OSHA sin extracción forzada y lavado de gases, y el Inhibidor IRONSAVE que evita el sobredecapado del acero, permitiendo dejar piezas dentro del decapado hasta por 36 hrs. sin ataque al metal base.

Enjuague

Es fundamental enjuagar las piezas después de la etapa de decapado, para reducir al máximo los arrastres de ácido y hierro a la siguiente etapa.

Es altamente recomendable un doble enjuague , idealmente en contracorriente para optimizar los resultados y reducir el consumo de agua.

Para lograr una mejor cobertura, recordemos que: “El objeto del decapado será mejor logrado cuando más limpia esté la superficie de Fe después del mismo y cuanto menos hayan sido afectadas las superficies y propiedades del Fe por efecto mismo de dicho decapado”.

Fluxado

El fluxado tiene como objetivos principales mejorar la interacción entre el cinc y la pieza a galvanizar, además de impedir la formación de óxidos durante la espera antes del galvanizado. Adicionalmente, remueve los óxidos remanentes del decapado.

El fluxado consiste en la inmersión de las piezas de acero en una solución acuosa, compuesta por cloruro de cinc y cloruro de amonio, (ZnCl2 y NH4Cl), con un reporte molar 1:2 o comúnmente llamada Sal Doble. Menos usadas son las sales triples o cuádruples. El rango de temperatura de trabajo es entre 18° y 70° C. Debido a los costos energéticos, muchos galvanizadores están optando por trabajar con soluciones a temperatura ambiente y mayores concentraciones de sales. Solo se debe cuidar en esta forma de trabajo la adecuada solubilidad de los cristales de Cloruro de Zinc-amonio.

Después de aplicado el fundente, la pieza es secada, quedando una película de cristales en toda su superficie.

La performance está ligada a la temperatura, la concentración y la relación molar entre los cloruros.

Es importante mantener el baño sin hierro disuelto, o con un porcentual bajo, (máx. 3.000 ppm.), dado que influye en el galvanizado posterior, al favorecer la formación de dross.

El fluxado debe asegurar un tiempo de espera aprox. de 4 horas sin que la pieza se oxide.

El principal propósito de calentar el fluxado es que el depósito de sal seque más rápido y explote menos, sin embargo es mucho mas eficiente y recomendable el secado y precalentamiento de las piezas.

También en esta etapa se pueden incluir algunos aditivos como por ejemplo FILM FLUX , que incorpora Níquel al proceso para controlar el efecto SANDELIN , o METFIL que reduce las explosiones, la generación de humos y cenizas. La principal ventaja de estos aditivos es reducir el consumo de zinc o GZU.

Es altamente recomendable en esta etapa, filtración continua de la solución.

Luego del fluxado y antes del galvanizado, las piezas deben ser secadas. Este secado le quita la humedad, y al elevarles su temperatura, favorece el rendimiento térmico del crisol de galvanizado.

Las piezas deben entrar al crisol totalmente secas, porque la humedad superficial al entrar en contacto con el baño produce pequeños estallidos que despiden partículas de zinc.

Además del peligro para los operadores que esto significa, provoca mayor consumo de zinc y discontinuidad en la cobertura.

Se observa que las piezas que entran al baño totalmente secas, muestran una mejor superficie galvanizada que las que entran húmedas.
En baños de recuperación lenta de temperatura, el secado, al elevar la temperatura de las piezas a sumergir en el baño, hace que la temperatura durante el proceso, se recupere con mayor rapidez.

Esto trae aparejado un menor tiempo de recuperación, (o mayor cantidad de piezas a sumergir en el baño), con un menor consumo de energía por tonelada procesada. La temperatura a elevar las piezas, no debe superar los 100°C.

El tiempo de secado debe ser el máximo posible con un tope de una hora.

La capa de Sal Flux se degrada sobre los 120°C, por lo que no se debe sobrepasar ese limite de temperatura para mantener las propiedades y beneficios del fluxado.

La temperatura del baño de cinc tiene fuerte incidencia en el espesor de la cobertura.

Ensayos realizados con chapas cortas y planas de igual espesor, (2,5 mm), galvanizadas a distintas temperaturas, dieron espesores de coberturas menores para las temperaturas más bajas.

La cobertura de las chapas galvanizadas a menor temperatura, fue un 16% menor, (878 g/m2 versus 1026 g/m2).

En general se nota que el espesor de la cobertura, luego de superar los 451°C, comienza a crecer más lentamente.

Las distintas pruebas realizadas, (con el baño entre 442°C y 460°C), mostraron que las menores coberturas se lograron con las temperaturas más bajas.

Es importante que el diseño del calentamiento del crisol, permita trabajar continuadamente a las temperaturas más bajas. Esto favorece la uniformidad del galvanizado, la mayor duración del crisol y la menor cobertura a lograr.

Ambas velocidades tienen importancia en el espesor de la cobertura lograda. La de izaje, cuanto más baja sea, nos permite un mayor escurrimiento del zinc sobre la pieza galvanizada. La de descenso, (que debe ser lo más alta posible), permite que el tiempo total de inmersión de la pieza, sea menor.

Esta velocidad de descenso “lo más alta posible”, tiene la limitación de las piezas con formas que puedan ofrecer resistencia a la penetración en el baño; es que al entrar a velocidades altas, se desprenden de los ganchos al chocar con la superficie de cinc líquida.

Para galvanizado de piezas con formas que afectan su rápida penetración, son usuales velocidades de inmersión entre 3 y 4 m/min.

La velocidad de izaje para piezas que penetran más de 400 mm., también está influenciada por el mayor tiempo de inmersión de la zona más baja, (la que entra primero), con lo que se deberá encontrar una velocidad que tenga en cuenta ambos factores.

Dado que en este tipo de galvanizados la parte que entra primero al baño, es la última en salir, se produce una diferencia notoria en el espesor de cobertura entre la parte inferior de las piezas y la parte superior. Esto es producto del mayor tiempo de inmersión que pasa dentro del crisol la parte inferior, y será más importante la diferencia cuanto más larga sea la pieza.

En general se recomienda una velocidad de 0,6 a 0,8 mts./min.

También se debe tener en cuenta:

4.1) Se pueden mezclar piezas de largos diferentes, y espesores distintos en cada carga, para aumentar el índice de productividad.

4.2) Se debe limpiar la superficie el baño antes de sumergir cada carga, para evitar que la ceniza que sobrenada en la superficie, se adhiera a las piezas.

4.3) Antes de comenzar a retirar la carga, se debe limpiar nuevamente la superficie, para quitar las impurezas y cenizas sobrenadante.

4.4) La limpieza de la ceniza en superficie SIEMPRE debe ser efectuado en forma suave y regular, para evitar las “olas” que generan una cobertura discontinua y contribuyen a la formación de óxidos de zinc y ceniza

Mientras son izadas las piezas, se debe continuar limpiando para evitar que las cenizas que se forman se adhieran a las piezas.

Bibliografía especializada, indica que el aumento del tamaño de grano en la chapa base favorece el incremento de la velocidad de difusión, lo que finalmente aumenta el espesor de la cobertura.

De acuerdo a lo mencionado, en iguales condiciones de galvanización, se obtendrán menores coberturas, cuando la chapa base tenga un tamaño de grano menor.

De igual manera, superficies menos rugosas nos darán también coberturas menores.

También se indica que el Silicio, el Carbono y el Fósforo en el acero, tienden a aumentar el espesor de las fases de aleación hierro-cinc.

Dado que, el tenor de Si en la chapa base, influye notoriamente en el peso de la cobertura, se analizará particularmente.

En la curva de Sandelin - Rothauser, se ve claramente como aumenta la cobertura, entre porcentuales desde 0 a 0,05% de Si en peso. Además, muestra las variaciones logradas en las coberturas según las distintas temperaturas.

La anterior figura es la Curva de Sandelin, trazada por Rothauser, donde se nota la influencia en la cobertura del porcentaje del Si de la chapa base, y a su vez la variación que sufre la cobertura en función de la temperatura del baño.

Tomando como ejemplo la mencionada curva, vemos como a igual temperatura del baño de cinc (452°C) el contenido de Si, influye sobre el revestimiento. Con un contenido de Si, de 0,01% observamos que el recubrimiento promedio es de más de 70 micrones (994 g/m2). Mientras que con 0,03% de Si, el recubrimiento alcanza aproximadamente 160 micrones (2.270 g/m2). Prueba realizada en chapas por lo que en el calculo de peso de zinc se consideran las dos caras. Por lo tanto se muestra gráficamente, la notable incidencia que el Si tiene en el espesor final de la cobertura.

El gráfico que seguidamente se muestra, relaciona peso-tiempo del recubrimiento y tipo de acero a una temperatura de galvanizado de 445°C.

Como regla general, para lograr coberturas menores, la chapa base debe tener el silicio en valores lo más bajos posibles, en nuestro caso cercano a 0,01% en peso, y la temperatura del baño debe ser lo más baja posible, (alrededor de 440°C).

Una alternativa para controlar el efecto Sandelin es agregar Níquel metálico en toda la cuba de zinc fundido y la otra es agregar el Níquel en la etapa de fluxado, con lo que el níquel solo se deposita en la superficie del acero que es donde tenemos el problema de reactividad.

La forma de las piezas a sumergir en el baño, tiene incidencia en la cobertura a lograr. Dos chapas sin curvar, de ondulación y dimensiones iguales, si se sumergen una “parada” y la otra “acostada”, tendrán distinta cobertura.

La chapa “parada”, tendrá menor cobertura, por el mejor escurrimiento del baño.

A su vez, dos chapas de iguales características de ondulación y dimensiones, pero una de ellas curvada y la segunda corrugada plana, la pieza curvada, tendrá mayor cobertura, por el efecto “cuchara”.

Esta cobertura, será mayor, cuanto menor sea el radio de curvatura.

A la vez, los radios menores, hacen necesario que la velocidad de descenso en el baño sea menor, por el riesgo de desenganche de las piezas, (aumento del tiempo de inmersión de la parte inferior de las piezas).

Finalmente, las formas que favorecen el escurrimiento del baño, disminuyen el espesor de la cobertura.

También la longitud de las piezas incide en la cobertura, dado que al aumentar el espesor en los sectores inferiores, aumentará el promedio total de la cobertura.

Las piezas que deben regalvanizarce, tienen su superficie atacada por el decapado en forma discontinua. Debe evitarse al máximo el reproceso por la negativa incidencia en los costos de producción.

Será mayor el ataque, por el aumento del tiempo de decapado, profundizándose esto, en las zonas donde haya menor cobertura inicial.

También incide la cantidad de óxido superficial que tengan las chapas, que además de degradar en mayor medida el baño, incidirá en la calidad de la superficie de las piezas.

Las piezas que tengan mayor oxidación y/ó rugosidad tendrán a su vez, mayor cobertura.

Al efectuar una experiencia práctica para verificar la incidencia del espesor del acero en el consumo de Zinc, se pudo verificar claramente que para una misma temperatura de galvanizado (448°C), la piezas de mayor espesor de acero tienen una mayor absorción de Zinc.

La desviación de la tendencia que se produce en los valores mínimos, puede estar asociada a la composición del acero y a la geometría de algunas piezas.

Entre extremos, tomando los espesores 1,6 mm. y 6,9 mm., la cobertura es 40,54% mayor en la de mayor espesor.

También es de vital importancia considerar el espesor del acero en los cálculos de GZU, pues al final la absorción del acero será por la superficie total de la pieza y esta será mayor o menor dependiendo del espesor. Para una ton de acero de 2 mm. se estima un superficie de 128 mts2 , en cambio para una ton de acero de 6 mm. de espesor la superficie será apenas de 42 mts2.

Para calcular la superficie de una ton de acero en relación al espesor del material, se puede utilizar la siguiente formula.

El tiempo de inmersión, juega un papel importantísimo en el espesor de la cobertura. A mayor tiempo de inmersión se verifica una mayor cobertura.

A continuación se indican resultados de experiencias reales en plantas de galvanizado.

9.1) Con chapas planas, de 2,5 mm. de espesor, de 200 mm. por 200 mm., de igual composición y rugosidad, con igual velocidad de izaje, (1,5 m/min), y a igual temperatura del baño (445°C), sumergidas en igual posición del crisol, pero con tiempos de inmersión distintos.

Para cada ensayo se usaron 3 probetas. Se tomaron 30 mediciones en cada caso, (10 por probeta).

Se arribó a los siguientes valores según el tiempo de inmersión:

9.1.1- Normal, (hasta que cesó el burbujeo). Promedio 68,80µ=982 g/m2 (dos caras).

9.1.2- Normal más 1 minuto. Promedio 82,60µ=1179 g/m2 (dos caras).

9.1.3- Normal más 2 minutos. Promedio 98,50µ=1406 g/m2 (dos caras).

9.1.4- Normal más 3 minutos. Promedio 100,0µ=1428 g/m2 (dos caras).

9.1.5- Normal más 4 minutos. Promedio 102,9µ=1455 g/m2 (dos caras).

La diferencia en el espesor de la cobertura que se observó entre la chapa con el tiempo de inmersión normal y la sumergida con 4 minutos más, fue casi 50% mayor.

9.2) Con caños sin costura de diámetro interior 130 mm, de 6,35 mm de espesor y cortados 300 mm de largo, (todos del mismo caño madre).
Se galvanizaron siguiendo el siguiente esquema en lo referido a los tiempos de inmersión:

9.2.1- Normal (hasta que cesó el burbujeo). Promedio 65,3µ=932 g/m2.

9.2.2- Normal, pasada dos veces por el crisol. Promedio 143,9µ=2054,6 g/m2.

9.2.3- Normal más 3 minutos. Promedio 104,4µ=1491,4 g/m2.

9.2.4- Normal más 10 minutos. Promedio 450µ= 6426 g/m2.

9.2.5- Normal más 15 y 30 minutos. Promedio superior a 7200 g/m2 (fondo de escala).

Es notable la diferencia de cobertura que se logra al pasar la misma pieza dos veces por el crisol de galvanizado, (duplicó la cobertura).

Esta incidencia del tiempo de inmersión en el crecimiento de la cobertura, hace que se deba buscar una velocidad de descenso y de izaje que compatibilice la diferencia de cobertura entre la parte inferior y la superior de la pieza galvanizada, logrando la menor cobertura posible, compatible con la mayor producción.

En todo caso, es absolutamente desaconsejable efectuar galvanizado por doble inmersión, debido a la perdida de productividad y alto costo que esto implica.

La influencia de la composición de metales en el baño de galvanizado, tendrán diversos efectos, dependiendo de la concentración de cada uno.

Normalmente, aparte del zinc, se puede agregar al baño plomo, estaño, aluminio o bismuto.

Características particulares del galvanizado Batch (recopilación)

Vista esquemática de una chapa de acero galvanizada por inmersión, (tipo Batch)

Zonas desnudas

Una pequeña área expuesta de un recubrimiento de zinc sobre una pieza de acero, es protegida por el carácter de sacrificio anódico del depósito de cinc.

El cinc que rodea la zona “desnuda”, se corroe.

Los productos de la corrosión precipitan sobre la superficie del acero base protegiéndolo.

También en el caso de deformaciones en productos galvanizados que puedan producir “grietas”, estas se “llenan” con productos de la corrosión, y el carácter de sacrificio anódico del depósito de cinc, continuará protegiéndolo en las grietas producidas.

Lo característico de la protección galvánica, resulta del hecho que el cinc es más activo electroquímicamente que el acero.

Las zonas desnudas en una pieza galvanizada, cuando se deban a defectos de laminación, (cascarillas que se desprenden al galvanizar), no son motivo de rechazo, y pueden retocarse con pintura rica en cinc.

Duración y uniformidad del recubrimiento

El tiempo que una pieza galvanizada puede durar, entre otras variables, será función del ambiente a que esté expuesta.

Para ambientes de iguales características, será mayor su vida útil, cuanto mayor sea su cobertura.

Deformación

Para piezas soldadas que deban galvanizarse, se recomienda precalentar adecuadamente para disminuir las tensiones de soldadura, y para reducir al mínimo el alabeo y deformación.

Lo ideal sería que las partes fueran del mismo espesor y con secciones simétricas.

En caso de piezas cerradas, o con cavidades herméticas, nunca deben incluirse en el material a galvanizar. Una picadura en la soldadura permitiría que la solución del pretratamiento se infiltre en la cavidad. En la inmersión en cinc fundido, el vapor generado no podrá escapar rápidamente, generándose presión, con su respectivo peligro de explosión, y riesgo de accidentes severos. Para estos casos , se deben efectuar las correspondientes perforaciones.

Inspección superficial del galvanizado

La rugosidad superficial, los granitos, (partículas ocluidas), colgantes o colgajos, manchas de color gris oscuro, manchas blancas de óxido blanco, no serán motivo de rechazo, dado que no afectan las propiedades del recubrimiento, salvo que hubiera un acuerdo previo en contrario.

Consideraciones sobre el galvanizado y el crisol

El punto de fusión del cinc es de 423°C, comenzando su solidificación alrededor de los 419°C.

No es conveniente dejar solidificar el baño dentro del crisol, dado el riesgo que significa el refundido del cinc en las soldaduras e la cuba.

El crisol de galvanizado debe ser inspeccionado regularmente. Si la pared, sufre un adelgazamiento en áreas importantes, que lleva su espesor a 25 mm o menos, se deberá desechar.

Es de notar que la resistencia a la tracción admisible en el acero, va disminuyendo paulatinamente a causa de la temperatura a que es sometido el crisol en el proceso de galvanizado, y al cabo de unos 10 años, ha llegado a ser tan baja, que las tensiones de tracción existentes en las planchas no pueden ser ya absorbidas y el crisol puede romperse súbitamente.

En crisoles calentados por conductos, también se deberá tener cuidado cuando las paredes tenga una deflexión superior a los 30 mm. por lado.

El aluminio adicionado al baño, no debe superar el 0,01%, dado que favorece el ataque a las paredes del crisol, a la vez que en porcentajes superiores, puede conducir a la aparición de puntos sin recubrimiento.

Dross

El cinc contenido en el baño dentro del crisol está en constante circulación.

Las partículas de Fe de la pieza, del desprendimiento de las paredes del crisol, y del pretratamiento en combinación con el baño fundido, hacen que este se sature de hierro, (0,018% a 450°C), y el exceso forma el dross que precipita cristales hierro-cinc. Dado que son levemente más pesados que el cinc, estos descienden y se van depositando lentamente en el fondo del crisol.

Es conveniente que el dross depositado en el fondo no supere una altura de 250 mm. Las temperaturas altas de galvanización mantienen más dross en suspensión que las temperaturas bajas, (el dross en suspensión incide en la calidad superficial).

En algunos casos, en este tipo de crisoles, en el fondo se cubre los 300 mm inferiores con ladrillos refractarios para proteger la zona donde se acumula el dross. Este dross es rico en hierro, lo que produce que esté a mayor temperatura que el baño de cinc , por lo que si no tuviera esta protección, las paredes del crisol se deteriorarían rápidamente.

Es conveniente mantener el dross lo más bajo posible, siendo algo bueno, hacer extracciones semanalmente. Los cristales que flotan, producen inclusiones en el recubrimiento, que perjudican el aspecto superficial de la cobertura. El mantener bajo el dross, además favorece la mayor duración del crisol.

Las extracciones de dross deben hacerse con el baño a temperaturas del orden de los 434°C.

La generación de dross y ceniza, es aproximadamente entre 20% - 25% del cinc utilizado, contándose ambas en proporciones que van de 1:1 a 1:2 dependiendo del tipo y control de proceso.

La ceniza contiene de un 70 a 80% de cinc metálico, mientras que el dross entre un 90 y 95%.

Es posible reducir la cantidad de ceniza generada, utilizando aditivos al Fluxado y recuperadores en el baño de Zinc Fundido.

Agradecimientos
Este material ha sido preparado, actualizado y adaptado por Ricardo Pérez M. en base a la colaboración efectuada por el Ing. Sr. Luis Padua.

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