1 DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA PROYECTO DE INVESTIGACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO TEMA: ‘‘ANÁLISIS, CONTROL Y OPTIMIZACIÓN DE PARÁMETROS DEL PROCESO DE GALVANIZADO ELECTROLÍTICO DE ZINC (ZINC PLATING) SOBRE ACERO, MEDIANTE MÉTODOS Y MODELOS ESTADÍSTICOS CUMPLIENDO CON LA NORMA ASTM B633”. AUTORES: JOSÉ EDUARDO ÁVILA BRITO DIEGO ALBERTO PAZMIÑO SALGADO DIRECTOR: ING. PATRICIO RIOFRÍO SECRETARIO ACADEMICO: DR. MARCELO MEJÍA MENA
2 OBJETIVO GENERAL: Ejecutar un análisis y control de parámetros del galvanizado electrolítico de zinc (zinc plating) sobre acero, con el fin de optimizar el proceso mediante métodos y modelos estadísticos cumpliendo con la norma ASTM B633. Construir un equipo de zincado electrolítico para realizar los ensayos respectivos para la conformación de una base de datos de los parámetros a optimizar. Verificar la eficiencia global de electrodeposición del equipo para galvanizado de zinc en frío. Realizar un análisis físico-funcional de los parámetros del proceso. Seleccionar el método estadístico más adecuado para realizar el control de calidad del proceso a fin de optimizarlo. Realizar un análisis con el modelo estadístico seleccionado, y determinar los parámetros para la optimización del zincado electrolítico según criterios establecidos. Verificar la optimización conforme a la norma ASTM B633 para galvanizado por electrodeposición en frío.
3 Seleccionamiento y diseño de la metodología de experimentación.Diseño, construcción y puesta en marcha del equipo para electrodeposición. Seleccionamiento y diseño de la metodología de experimentación. Análisis, control y optimización de parámetros del zincado electrolítico en probetas de 100 x 25 x 3 [mm] de ACERO ASTM A36. ALCANCE: CUMPLIMIENTO CON LA NORMA ASTM B633 Recubrimientos electrodepositados de Zinc sobre Hierro y Acero.
4 DEFINICIÓN DEL PROBLEMAJUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA La Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, no contaba en su inventario con un equipo de galvanizado en frío, actualmente no se realizan prácticas de laboratorio de electrodeposición en la carrera de Ingeniería Mecánica, es por esto que se llevó a cabo este proyecto innovador que beneficia tanto a la Universidad como a estudios futuros para el Control de Calidad Industrial. La industria del galvanizado en el Ecuador padece de altas pérdidas de dinero, por hacer efectivo procesos industriales con poco control de calidad industrial ya que se pierde miles de dólares por falta y exceso de material en la electrodeposición de piezas mecánicas.
5 ELECTROQUÍMICA Corrosión: Intercambio de electrones en un medio químico por medio de reacciones electroquímicas. Ión: Átomo o molécula con carga, puede ser un anión (carga negativa -) o catión (carga positiva +).
6 ELECTROQUÍMICA Celda electrolítica: Formada por un recipiente que contiene electrolito, dos electrodos (ánodo y cátodo) que permiten el paso de corriente generada por una fuente de energía de corriente constante.
7 LEYES DE ELECTROQUÍMICA MICHAEL FARADAY (1791-1867)PRIMERA LEY: El peso de una sustancia depositada es proporcional a la intensidad de la corriente (número de electrones por segundo) y al tiempo que esta circula. SEGUNDA LEY: El peso de una sustancia depositada durante la electrólisis es proporcional al peso equivalente de la sustancia.
8 ECUACIONES APLICATIVAS PARA EL ZINCADO ELECTROLÍTICOEFICIENCIA CATÓDICA
9 PRE Y POST TRATAMIENTOS DEL ZINCADO ELECTROLÍTICODESENGRASE Elimina residuos como grasa y aceite del área a galvanizar, brinda humedecimiento, se lo realiza por vapor o líquido por un tiempo de 3 [min]. PRETRATAMIENTOS DECAPADO Normalmente realizado con ácido clorhídrico (HCl). Elimina contaminaciones en la superficie, un tiempo de 10 a 15 [min]. ACTIVADO PASIVADO Conocido como tropicalizado, capa ligera de cromo o cromatizado, brinda mayor resistencia para diferentes condiciones de servicio. POST TRATAMIENTOS Conocido como neutralizado o decapado suave, es la reiteración de enjuagues dentro de todo el proceso, elimina imperfecciones orgánicas e inorgánicas.
10 Tipos de zincado electrolíticoGALVANIZADO ELECTROLÍTICO BAÑO ÁCIDO (PH<7) CLORUROS TODO POTASIO (NAm) BAJO AMONIO (LAm) TODO AMONIO (Am) SULFUROS (SO4) BAÑO ALCALINO (PH>7) CON CIANUROS (CN) BAJA CONCENTRACIÓN ALTA CONCENTRACIÓN SIN CIANUROS (NCN) TIPO DE ELECTROLITO (PH)
11 TIPOS DE ZINCADO PROPIEDADES VENTAJAS Y DESVENTAJAS
12 ZINCADO ALCALINO SIN CIANUROS (NCN)Es más confiable en comparación con el resto de procesos, económicamente es más eficiente en implementación y costos de producción, menos perjudicial al medio ambiente, su proceso y constituyentes se muestran a continuación de acuerdo con el HANDBOOK de electrogalvanizado y pulido de DURNEY & GRAHAM 1985
13 NORMA ASTM B633 Es la especificación para recubrimientos de zinc por electrodeposición en acero y hierro. Cubre los materiales y procesos de ensayo requeridos en la electrodeposición. Se basa en cuatro clases de espesores y cinco tipos de acabados suplementarios.
14 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPOSELECCIÓN TIPO DE BAÑO MATRIZ DE PONDERACIÓN
15 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPOMATRIZ DE DECISIÓN SELECCIÓN TIPO DE BAÑO
16 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPODIMESIONAMIENTO DE LAS PIEZAS SELECCIÓN DEL RECTIFICADOR Para seleccionar el rectificador se recurre a la tabla de requerimientos del galvanizado electrolítico sin cianuros (NCN). De acuerdo con la norma ASTM B633, para poder verificar ensayos tanto de medición del espesor como corrosión acelerada las dimensiones estándar de una probeta son: 100 x 25 x 1 [mm] El diseño se re lo realizará de manera robusta para las siguientes dimensiones: 50 x 40 x 10 [mm] Para una cantidad de 4 probetas de ensayo. Se selecciona un transformador de 10 [A]
17 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPOTANQUE O CUBA ELECTROLÍTICA. VOLÚMEN MÍNIMO DEL TANQUE. Para la selección del material del tanque existen 3 opciones como son: Acero con recubrimientos de goma. Acero inoxidable con diversas aleaciones. Materiales plásticos: PVC, PP, PE, PVDF. Se aplicó una matriz de decisión donde se obtuvo un acero dulce con recubrimientos.
18 TANQUE O CUBA ELECTROLÍTICASe introducen factores de seguridad de manejo del equipo tanto en el largo como en el ancho de acuerdo a recomendaciones galvánicas: DISEÑO ASME. DISEÑO GALVÁNICO. Este diseño más se destina a la correcta distribución espacial de los equipos que son requeridos para el equipo: ANCHO DEL TANQUE: ANCHO DEL TANQUE: Debe existir una separación de 10 a 15 [cm] entre los ánodos y las piezas (cátodo) y existir una separación entre los ánodos y las paredes del tanque: LONGITUD DEL TANQUE: LONGITUD DEL TANQUE: ALTURA DEL TANQUE: ESPACIAMIENTO PROBETAS:
19 TANQUE O CUBA ELECTROLÍTICADISEÑO GALVÁNICO. CAPACIDAD DEL TANQUE. CONCENTRACIONES DE COMPONENTES. ALTURA DEL TANQUE: COMPUESTOS DEL BAÑO CONCENTRACIONES EN EL BAÑO Hidróxido de Sodio 50% [Na(OH)] (sólido) Óxido de Zinc [ZnO] (sólido) MakeUp ZSC (líquido) Abrillantador Brillo ZSC (líquido) Purificador ZSC (líquido) Agua [H2O] VOLUMEN DEL ELECTROLITO. A fin de evitar derrames de líquido y una extracción segura de los especímenes de acero se brinda de un factor de altura de 5[cm] al diseño: ALTURA DEL ELECTROLITO:
20 TANQUE O CUBA ELECTROLÍTICADENSIDAD DE SOLUCIÓN. ESPESOR DEL TANQUE.
21 TANQUE O CUBA ELECTROLÍTICAESPESOR DEL TANQUE. VARIABLES VALOR NUMÉRICO Largo del Tanque (L) [in] Altura del Tanque (H) [in] Esfuerzo Admisible f[Top] (S) [psi] Corrosión Admisible (CA) [in] ESPESOR DEL TANQUE [in]
22 DISEÑO DE LAS BARRAS ANÓDICAS, CATÓDICAS Y BASTIDORESBASTIDORES (RACKS) Debe utilizarse el mejor soporte que satisfaga los requerimientos de capacidad de corriente, rigidez, limitación de peso, colocación de las probetas, limitación de espacio y facilidad de construcción. RECOMENDACIÓN DIMENSIONAL
23 DISEÑO MECÁNICO Y ELÉCTRICO DEL BASTIDORPESO DE LAS PROBETAS. EL DISEÑO DE LA SECCIÓN DEL SOPORTE SE REALIZA CON EL MENOR ESPESOR COMERCIAL PARA EL COBRE EN HGB ACEROS INDUSTRIALES DE 1/8”
24 BARRAS CONDUCTORAS BARRA CATÓDICA. Qp1=268.029 WCARGAS ARGUMENTO Tipo de diseño de carga Carga de la probeta [N] Carga del bastidor [N] Carga total [N]
25 BARRAS CONDUCTORAS BARRAS ANÓDICAS CARGAS ARGUMENTOTipo de diseño de carga Carga del ánodo [N] Carga del bastidor [N] Carga total [N]
26 BARRA CATÓDICA BARRAS ANÓDICAS CÍRCULO DE MOHR
27 LÍMITE DE FLEXIÓN BARRAS ANÓDICAS BARRA CATÓDICA
28 MECANISMO DE AGITACIÓNSÍNTESIS DEL MECANISMO (LONGITUD ESLABONES) NOTA: MECANISMO BIELA MANIVELA EN LÍNEA
29 ANÁLISIS CINEMÁTICO
30 FUERZAS EN LA BARRA (CORREDERA)ANÁLISIS DINÁMICO FUERZAS EN LA MANIVELA FUERZAS EN LA BIELA FUERZAS EN LA BARRA (CORREDERA)
31 ANÁLISIS DINÁMICO FUERZA DRAGFUERZA DRAG (ARRASTRE PROBETAS)
32 SELECCIÓN DEL MOTOR Y CÁLCULO DE POTENCIASPOTENCIA DE ARRANQUE CONDICIÓN POTENCIA REAL POTENCIA DE ARRANQUE
33 EQUIPO DE CALENTAMIENTO (RESISTENCIA ELÉCTRICA)SELECCIONAMIENTO MATERIAL CONDICIONES DE CALENTAMIENTO CONDICIÓN ARGUMENTO Rango de calentamiento 18 [°C] a 35 [°C] Volumen del electrolito Temperatura ambiente (To) 16 [°C] Tiempo de calentamiento 20 [min] Eficiencia de calentamiento 100% Velocidad del viento.
34 PÉRDIDAS DE CALOR
35 PÉRDIDAS DE CALOR
36 METODOLOGÍA TAGUCHI
37 NUEVO DISEÑO DEL SISTEMAMetodología Taguchi NUEVO DISEÑO DEL SISTEMA SISTEMA MEJORAR EL SISTEMA
38 PROCESO Metodología Taguchi FACTORES CONTROLABLES SALIDAFACTORES DE RUIDO
39 Factores de análisis Factores de control Factores de ruidoFactores sin consideración en el proyecto Factores Corriente Temperatura Tiempo Voltaje Solución electrolítica Agitación catódica Posición de las probetas
40 Factores de control y niveles de análisis
41 Arreglo Ortogonal L16 (4)2 Exp. Factores Factor de ruidoDesviación Estándar (σ) S/R A B Y1 Y2 Y3 Y4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
42 Esquema de medición-método de la diagonal y medidor ultrasonido
43 Revestimientos y pesos de aporte
44 Efectos de las medias para los factores A y B
45 Análisis de Varianza (ANOVA)
46 Relaciones S/R de cada experimento
47 Resultados S/R y espesor óptimo
48 EFICIENCIA GLOBAL DEL EQUIPO
49 CONCLUSIONES
50 CONCLUSIONES
51 CONCLUSIONES
52 RECOMENDACIONES Se deben realizar enjuagues con agua a las probetas entre cada pretratamiento para maximizar los efectos del decapado y desengrase; y también antes de la puesta en marcha del zincado. Utilizar las medidas de seguridad pertinentes antes, durante y después del zincado; es decir usando guantes dieléctricos y resistentes a soluciones químicas ácidas, mascarillas, protecciones visuales y también mandil; no manipular el circuito de la electrólisis, con especial énfasis en las barras catódicas y anódicas debido al riesgo de electrocución. Usar el equipo de zincado en frío con una campana extractora de gases para evitar la contaminación al ambiente de vapores tóxicos.
53 RECOMENDACIONES Realizar el mantenimiento de la solución electrolítica completando el nivel con brillo ZSC, Make-up ZSC y purificador ZSC de acuerdo a lo establecido en las hojas de seguridad mostradas en los anexos. Es recomendable utilizar la metodología Taguchi en casos donde la cantidad de parámetros y niveles a combinar en un diseño de experimentos sea alta, ya que por medio de la matriz ortogonal simplificar el número de combinaciones posibles se vuelve considerable.
54 RECOMENDACIONES Es recomendable realizar un correcto análisis de la mezcla química del electrolito con las cantidades justas y necesarias de cada químico de interés, ya que ingresar las cantidades incorrectas puede ocasionar en futuras malas electrodeposiciones y lograr que la eficiencia del sistema baje considerablemente. Tener precaución todas las normas de seguridad, ya que el equipo utiliza altos amperajes, que pueden ocasionar graves accidentes, sobre todo en el área de las barras de cobre electrolítico. Usar todos los implementos de seguridad como mascarillas y guantes anticorrosivos de preferencia plástico para evitar las altas corrientes como también daños en la piel por los químicos altamente cáusticos y ácidos que se manejan.