«

»

Zincarea termica in contextul dezvoltarii durabile

Share

Otelul este intrebuintat in numeroase ramuri industriale pentru rezistenta, duritatea, tenacitatea si elasticitatea lui. Are insa un mare dezavantaj: este supus coroziunii, chiar si in medii interioare; de aceea prevenirea coroziunii este esentiala pentru eficienta si durabilitatea structurilor din otel. In prezent, este tot mai evident ca pentru a realiza economii pe termen lung, una dintre solutii este scaderea costurilor de intretinere si reparatii. Pentru oteluri si fonte aceasta inseamna dezvoltarea de sisteme de protectie cu durabilitatea cat mai mare. Una dintre cele mai adecvate tehnologii in acest sens o reprezinta zincarea termica.

Lucrarea de fata are ca scop informarea proiectantilor (designerilor), producatorilor si utilizatorilor de produse din otel si fonta in aplicarea zincarii termice care este solutia cea mai eficienta, practica si economica de protectie anticoroziva.

 

Zincarea termica ca metoda de protectie impotriva coroziunii are numeroase avantaje si beneficii. Dintre acestea le mentionam pe cele mai importante:

  • Asigura o acoperire a otelului cu zinc, cu o durata mare de viata (50-80 ani), predictibila, practic faracosturi de intretinere si reparatii;
  • Este foarte competitiva fata de alte tehnologii in ceea ce priveste costurile de baza;
  • Este cel mai economic procedeu de protectie pe termen lung a otelului impotriva coroziunii;
  • Este o solutie care se preteaza foarte bine conceptului de dezvoltare durabila.

 

Zincarea termica Si dezvoltarea durabila

Tehnologiile viitorului sunt bazate pe cele mai bune tehnici disponibile, care inseamna in primul rand consum redus de energie, materiale si minimizarea sau lipsa reziduurilor. Zincarea termica este o tehnologie care se preteaza foarte bine la reciclare, reducandu-se astfel consumurile energetice si de materiale la fabricarea de noi produse.

 

Zincarea termica si mediul

Se estimeaza ca zincarea termica este cea mai buna tehnologie disponibila in prezent pentru prevenirea coroziunii produselor din otel si fonta, si corespunde exigentelor de protectie a mediului, fiind o tehnologie ecologica. Ea nu contine solventi (substante volatile) daunatori mediului si sanatatii oamenilor ca in cazul vopsirii sau revopsirii. Stratul de zinc nu este inflamabil in caz de incendiu.

Se estimeaza ca tarile dezvoltate pierd anual prin coroziune cca. 4-5% din PIB [4, 8, 22, 23]. Zincarea termica a produselor in vederea cresterii rezistentei la coroziune determina reducerea consumurilor energetice, materiale si de intretinere a acestora, deci este practic un mijloc de reducere a costurilor.

La fiecare 90 de secunde, in intreaga lume, o tona de otel se transforma in rugina; deci la fiecare doua tone de otel produs, o tona este destinata inlocuirii otelul ruginit [14, 15, 28, 29].

Prin aplicarea zincarii termice se economiseste, la fiecare tona de otel protejat, o cantitate de energie echivalenta cu cea necesara unei familii pentru cateva saptamani. Zincarea termica este o metoda eficienta de folosire a zincului in protejarea otelului pentru perioade foarte lungi de timp – economisind astfel energie si resurse, cu un impact minim asupra mediului [17 – 21, 29].

In comparatie cu sistemele de protectie impotriva coroziunii care utilizeaza vopselele, avantajul major al zincarii termice este aderenta ridicata a stratului de protectie datorita legaturii intermetalice dintre metalul de baza si stratul de zinc.

In timpul reactiei metalurgice dintre otel si baia de zinc, pe suprafata otelului se formeaza urmatoarele straturi: eta (η) – zinc pur; zeta (ζ) – aliaj de zinc cu maximum 6% Fe; delta (δ) – aliaj de zinc cu maximum 10% Fe; si aliajul gama (Γ) – Zn cu maximum 23% Fe, care au duritate si comportare diferita la coroziune [7, 9, 11, 12, 26, 27].

Legatura metalurgica a zincului de otel se realizata treptat printr-o serie de aliaje Fe/Zn, asa cum se arata in figura 1.

Modernizarile aduse tehnologiilor de fabricare a arzatoarelor au imbunatatit semnificativ eficienta energetica la incalzirea baii de zincare. Caldura continuta in gazele de ardere nu se pierde ci se foloseste pentru incalzirea bailor de pregatire a suprafetelor sau pentru uscarea produselor inaintea imersarii in baie.

Industria zincarii termice se implica activ in studiul si perfectionarea performantelor de mediu ale produselor sale, pe intreaga durata a ciclului de viata al acestora. Industria europeana de zincare termica a contribuit recent la definirea si caracterizarea ciclului de viata al produselor zincate termic. Aceste informatii cuprinse in LCI (Life Cycle Inventory) vor permite aplicarea Declaratiilor cu privire la produse (Environmental Product Declarations) [25] si a altor evaluari referitoare la ciclul de viata si la structurile de otel care implica produse zincate [8, 16].

 

Procesul de zincare termica

Pregatirea suprafetelor

Procesul de zincare are loc doar pe o suprafata metalica curata chimic. Pregatirea suprafetelor cuprinde trei etape distincte: degresarea, decaparea si fluxarea.

Degresarea are rolul de a indeparta grasimile, lubrefiantii, uleiurile de uzinare si alte impuritati. Ea se realizeaza prin imersarea produselor intr-o solutie de degresare alcalina sau acida. Apoi produsul este clatit cu apa rece si urmeaza operatia de decapare. Aceasta se realizeaza de obicei prin imersarea in acid clorhidric la temperatura camerei sau in acid sulfuric la 50-65°C. Scopul decaparii este de a inlatura straturile de rugina, tunderul si aschiile de prelucrare de pe suprafata produselor.

Zgura de sudura, vopseaua si grasimea abundenta nu pot fi de obicei indepartate prin etapele de curatire de mai sus, ci trebuie inlaturate inainte ca produsele de zincat sa fie trimise zincatorului.

Dupa operatia de decapare urmeaza o a doua clatire cu apa, si apoi produsele sunt supuse unui procedeu de fluxare. Aceasta consta, in mod obisnuit, in imersarea intr-o solutie de clorura de amoniu si clorura de zinc la o temperatura de cca. 65-80°C. Dupa fluxare, piesele sunt uscate. Operatia de fluxare inlatura ultimele urme de oxid de pe suprafata produselor si permite zincului topit sa acopere otelul. Fluxul tehnologic al procesului de zincare termica este prezentat schematic in figura 2.

 

Emisiile in procesul de zincare termica

Emisiile in procesul de zincare termica sunt foarte scazute. Emisiile lichide – alcatuite in special din acizii uzati folositi la pregatirea suprafetei produselor – sunt de obicei preluate si tratate de catre societati comerciale autorizate. Prin tratarea acestora sunt protejate apele de suprafata si de adancime. Acidul uzat este tot mai mult folosit pentru neutralizarea unor reziduuri, inclusiv a apelor uzate. In ultimii ani, societatile comerciale de zincare termica au redus mult utilizarea substantelor in procesul de zincare termica – reducand volumul de acid utilizat pentru tona de otel zincat termic [6, 2].

Emisiile in atmosfera sunt foarte scazute si strict in conformitate cu Directiva Europeana IED (Industrial Emissions Directive 2010/75/EU). Baile de zincare termica trebuie sa fie prevazute cu instalatii de captare a emisiilor specifice procesului. Acest lucru este indeplinit cu succes prin folosirea bailor inchise prevazute cu filtre. Un studiu realizat in cadrul Programului „Cele mai bune practici in tehnologiile de mediu” a aratat ca „zincatorii folosesc mai putin de 25 litri de apa/tona de produs, fata de 2.000 litri apa/tona de produs la alte tehnologii de finisare a suprafetelor” (Survey by the Environment Technology Best Practice Programme) [1, 2, 6, 10, 25, 26].

 

Reciclarea

Zincul este principala materie prima la zincarea termica. Zincul este un metal neferos reciclabil.

Se poate recicla oricat, fara pierderea proprietatilor fizice sau chimice. Acesta este un avantaj important pentru procesul de zincare termica, care asigura o dezvoltare durabila si reducerea costurilor.

Aproximativ 30% (2 milioane de tone) din consumul mondial de zinc provine din surse reciclate [1, 3, 6, 10, 13]. Aceasta cifra creste odata cu imbunatatirea tehnologiilor de reciclare si cu sensibilizarea industriei privind aspectele ecologice.

Se estimeaza ca, cu tehnologiile actuale, se recicleaza si reutilizeaza cca. 80% din zincul disponibil [1, 3, 7, 24]. Aceasta inseamna ca majoritatea zincului utilizat in zilele noastre a mai fost probabil utilizat anterior.

Prezenta acoperirilor de zinc nu impiedica reciclarea otelului. Otelul zincat termic se recicleaza impreuna cu alte produse de otel nezincat. In cadrul procesului de fabricatie a otelului, zincul de pe produsele zincate se volatilizeaza in prima parte a acestui proces si poate fi colectat pentru reprocesare.

Alte exemple de utilizare si comercializarea zincului:

  • oxid de zinc – farmaceutica, alimentatie, ingrasamant, tratarea cauciucului;
  • pulbere de zinc – vopsele, chimicale, lubrefianti, baterii si recuperarea aurului;
  • zinc aliat cu alte metale – turnarea de piese de precizie pentru aparate de uz casnic, computere, electronice si jucarii.

Zincarea termica utilizeaza in mod eficient zincul, deoarece zincul topit care nu formeaza acoperirea otelului se scurge inapoi in baie si este reutilizat (fig. 3).

In decursul procesului de zincare termica se formeaza trei reziduuri: un amestec de zinc/fier numit drojdie de zinc (zinc dur, 96% zinc + 4% fier), cenusa de zinc (circa 80% zinc) si zgura defluxare [6, 7, 24]. Toate aceste reziduuri care contin zinc, sunt recuperate si reciclate de catre firme specializate iar zincul reciclat este adesea returnat zincatorului. Oxidul de zinc se recupereaza din cenusa de zinc si este utilizat la produse farmaceutice/cosmetice.

 

Specificatiile tehnice pentru zincarea termica

Specificatiile tehnice de baza pentru acoperiri prin zincare termica a produselor din otel sunt cuprinse in standardul: SR EN ISO 1461 „Acoperiri termice de zinc pe piese fabricate din fonta si otel. Specificatii si metode de incercare”.

SR EN ISO 10684 „Elemente de asamblare. Acoperiri prin galvanizare la cald”. Standardul specifica cerintele privind materialele, procedeele, dimensiunile si performante pentru zincarea termica a elementelor de asamblare din otel cu filet de la M8 pana la M64 inclusiv. De asemenea sunt prezentate specificatiile pentru suruburi 10,9 inclusiv si 12 pentru bolturi. Nu se recomanda zincarea termica a elementelor de fixare cu filet, cu diametre mai mici de M8 si / sau cu pasul mai mic de 1,25 mm.

 

Aspecte economico – financiare

Costul real pentru protejarea structurilor din otel impotriva coroziunii trebuie sa ia in considerare doua elemente importante:

  • costul initial al protectiei anticorozive;
  • costul de protectie anticoroziva pe toata durata de viata a structurilor; acesta cuprinde costurile de mentinere si intretinere a sistemului de protectie anticoroziva a structurii.

Costul initial

Zincarea termica este adesea perceputa ca fiind mai scumpa decat este in realitate. Aceasta eroare provine din doua motive: in primul rand, o acoperire cu atat de bune performante este automat considerata ca fiind scumpa si in al doilea rand, raportul dintre costul initial pentru zincarea termica si costul pentru prima vopsire, in ultimii ani, s-a modificat considerabil. Costurile de vopsire au crescut constant, in principiu din cauza restrictiilor impuse pentru protectia mediului, in timp ce costurile de zincare termica s-au mentinut stabile.

Figura 4 ilustreaza faptul ca, in cazul multor aplicatii, zincarea termica este mai ieftina decat aplicarea altor tehnologii alternative de acoperire. Explicatia este simpla: procedeele alternative de protectie anticoroziva, cum ar fi vopsirea, necesita mult mai multa manopera, comparativ cu zincarea termica, care este un proces industrial mecanizat si bine controlat.

S-a determinat ca, la zincarea termica, costul manoperei reprezinta 30% din totalul costurilor, pe cand la vopsire aceste costuri ajung la 60% din totalul costurilor de protectie (daca se include si pregatirea suprafetelor) [3, 26-29].

 

Costul pe toata durata de viata a unei cladiri (whole-life cost)

Pentru analiza economico-financiara a cladirilor (structurilor), in ultimii ani s-a introdus termenul de „whole-life cost”.

Acest termen se defineste ca fiind suma costurilor unei cladiri incepand cu proiectarea, construirea, exploatarea, intretinerea, reparatiile si casarea (dezafectarea) la sfarsitul perioadei de utilizare (Tabelul 1).

Acest mod de abordare, desi nu este nou, este in prezent considerat ca cea mai buna practica (BAT Best Available Techiques) in momentul in care se doreste realizarea unei cladiri noi.

Se estimeaza ca pana la 80% din costul total cu o cladire, pe intreaga sa durata de viata, reprezinta costurile de functionare/ mentinere, reparatii curente si reparatii capitale. Daca se analizeaza figura 5 se observa ca apar maxime de cheltuieli la 10 ani de la punerea in functiune si apoi la fiecare 5 ani pana la sfarsitul perioadei de utilizare.

Alegerea initiala a materialelor si a procedeelor de protectie anticoroziva a acestora joaca un rol important in cadrul costurilor de mentinere, intretinere si reparatii ale constructiilor pe intreaga lor durata de viata.

Folosind metoda „whole-life cost” s-a constatat ca cladirile si halele fabricate din structuri metalice sunt cele mai rentabile, iar protectia anticoroziva prin zincare termica a acestora este cea mai eficienta alegere din orice punct de vedere.

 

Costuri pe durata de viata a produsului

Costul total de protectie anticoroziva a unei structuri de otel, pe parcursul ciclului sau de viata, depinde de costul initial de protectie anticoroziva si durabilitatea acesteia intr-un mediu dat precum si de costul si frecventa de mentinere si intretinere, daca durata de viata a structurii depaseste durata de viata a acoperirii initiale.

In majoritatea aplicatiilor, zincarea termica asigura o durata de viata lunga, fara a fi necesare cheltuieli de intretinere si nici aplicarea de straturi de vopsea.

Exista metode de calcul al beneficiilor si dezavantajelor in cazul diferitelor tehnologii de protectie impotriva coroziunii. Cea mai frecventa metoda este aceea de a calcula Valoarea Prezenta Neta (Net Present Value – NPV) pentru fiecare metoda in parte, urmata apoi de compararea rezultatelor.

Acest calcul ia in considerare cheltuielile legate de costul imprumutului bancar, costul initial de protectie, costurile de intretinere ulterioara, precum si durata de viata a produsului. Companiile folosesc frecvent acest tip de calcul pentru a determina posibilul profit al unui proiect de investitie de capital.

unde:

I = Costul initial al sistemului de protectie anticoroziva;

M1 = Costul de mentenanta in anul P1;

M2 = Costul de mentenanta in anul P2;

r = Rata de actualizare a costurilor (dobanda).

 

Exemple

Sa consideram cazul unei structuri din otel care are o durata de viata prevazuta in proiect de 25 de ani si pentru care dobanzile sunt de 5%.

  • Sistemul I – Zincare termica

Prin zincarea termica conform SR EN ISO 1461 rezulta o acoperire medie minima de 85 µm pentru o grosime a otelului de zincat de 6 mm sau mai mare. Deoarece zincarea termica conform acestui standard are o durata de viata estimata la mai mult de 50 de ani, in majoritatea mediilor exterioare, se poate estima o durata de 25 de ani fara cheltuieli ulterioare de intretinere. Sa consideram cheltuielile de zincare termica la valoarea de 100 de unitati. Costurile de intretinere ulterioara sunt nule (NPV = 100).

  • Sistemul 2 – Vopsire

Se considera un sistem de vopsire care consta in curatire urmata de un strat pregatitor de grund si de doua straturi de vopsea. Acest sistem are o durata de viata estimata la 8 ani, astfel sunt necesare trei revopsiri in timp de 25 de ani. Costul initial este usor mai scazut decat zincarea termica, adica de 90 de unitati. Costul pentru primele doua operatii de revopsire este de 45 de unitati dar se ridica pana la 90 de unitati pentru cea de-a treia revopsire, atunci cand vopseaua originala trebuie indepartata (NPV = 169).

  • Sistemul 3 – Vopsire

Al treilea exemplu se refera la un sistem de vopsire superior care consta in curatirea prin sablare a structurii, urmata de grunduire si de trei acoperiri cu vopsea de buna calitate. Acest sistem are o durata de viata estimata la 11 ani si sunt necesare doua revopsiri in 25 de ani. Costul initial este mai ridicat decat pentru sistemul de vopsire 2, fiind egal cu 135 de unitati. Costul celei de-a doua revopsiri este jumatate din aceasta valoare, adica 67,5 unitati (NPV = 197,5).

 

Concluzii

Utilizarea zincarii termice ca metoda de protectie impotriva coroziunii pentru fonta si otel are avantaje si beneficii importante din punct de vedere al protectiei mediului:

(1) Este o metoda care implica un consum redus de materie prima din minereu, deoarece majoritatea zincului utilizat provine din zinc reciclat.

(2) Consumul de energie este mai mic datorita imbunatatirii proceselor industriale si recuperarii partiale a energiei utilizate.

(3) Emisiile de apa sau de gaze sunt scazute si controlabile si pot fi neutralizate.

Pe baza celor trei sisteme de protectie impotriva coroziunii, se poate observa ca, pe parcursul a 25 de ani de viata, costul unui sistem de vopsire „mai ieftin” este cu aproape 70% mai mare decat costul zincarii termice.

De asemenea, costul unui sistem de vopsire mai „scump” este aproape dublu fata de cel al zincarii termice. Costul initial al sistemului de zincare termica este comparabil cu costurile initiale ale sistemelor de vopsire.

 

Bibliografie

  1. Akamphona S., Sukkasi S., Yuttanant Boonyongmaneerat Y., Reduction of zinc consumption with enhanced corrosion protection in hot-dip galvanized coatings: A process-based cost analysis, Resources, Conservation and Recycling, Volume 58, January 2012, pp 1-7;
  2. Bhadra S., Gopalakrishnan B.; Chaudhari S., Energy efficiency in continuous galvanizing lines, Renewable and Sustainable Energy Conference (IRSEC), 2013 International, pp. 361 – 366;
  3. Cook M., (2006), The general galvanizing industry in Europe – Chalenges and oportunities, Proceedings of Zinc, Plovdiv;
  4. Fratesi R. (2002), Galvanized reinforcing steel bars in concrete, COST 521 Workshop, Luxemburg 2002, pp. 28-44;
  5. Hanna R, Nassif N., Factors affecting the quality of hot-dip-galvanized steel sheets, Surface Technology, Volume 21, Issue 1, January 1984, pp 27-37;
  6. Kong G., White R, Toward cleaner production of hot dip galvanizing industry in China, Journal of Cleaner Production, Volume 18, Issues 10-11, July 2010, pp. 1092-1099;
  7. Marder A. R. (2000), The metallurgy of zinc-coated steel, Progress in Materials Science 45 Pergamon 2000, pp. 191-271;
  8. Manzini R., Noci G., Ostinelli M., Pizzurno E. (August 2004), Assessing Environmental Product Declaration Opportunities: a Reference Framework, Business Strategy and Development 15 (2): 118-134;
  9. Reumonta G., Vogta J.B., Iosta A., Foct J., The effects of an Zn-Fe intermetalliccontaining coating on stress corrosion cracking behaviour of a hot-dip galvanized steel, Surface and Coatings Technology, Volume 139, Issues 2-3, 15 May 2001, pp 265-271;
  10. Schultz W-D., Thiele M. (2012), General Hot-Dip Galvanizing, Leuze Verlag, Germany, ISBN 978-3-87480-262-8;
  11. Shibli S.M.A., Manu R. (2006), Development of zinc oxide-rich inner layers in hot-dip zinc coating for barrier protection, Surface & Coatings Technology 201 (2006) pp. 2358-2363;
  12. Sistonen E. (2009), Service life of hot-dip galvanised reinforcement bars in carbonated and chloridecontaminated concrete, PhD thesis, Helsinki University of Technology;
  13. Tan Z.Q., Hansson C.M. (2008), Effect of surface condition on the initial corrosion of galvanized reinforcing steel embedded in concrete, Corrosion Science 50/2008, Elsevier, pp. 2512-2522;
  14. Vermesan H., Bulea C., Vermesan G., Grunwald E. (2006), Structura si proprietatile stratului obtinut prin zincare termica, Rev. Coroziune si Protectie Anticoroziva, vol. I, 2006, nr. 1, pp. 27-34;
  15. Vermesan H., Vermesan Elena, Bulea C., Grunwald E. (2006), Comportarea la coroziune a straturilor zincate termic, Rev. Coroziune si Protectie Anticoroziva, vol. I, 2006, nr. 1, pp. 35-40;
  16. Wimmer W., Züst R., Lee K-M. (2004), Ecodesign implementation: a systematic guidance on integrating environmental considerations into product development, Springer;
  17. Yeomans S.R. (1994), A Conceptual Model for the Corrosion of Galvanized Reinforcement in Concrete, in: Swamy, R.N. (editor). Corrosion and Corrosion Protection of Steel in Concrete. Sheffield, United Kingdom: Sheffield Academic Press Ltd, pp. 1299-1309. ISBN 1-85075-723-2;
  18. Yeomans S.R. (1994), Coated Steel Reinforcement in Concrete Part 2, Corrosion Management, Vol. 3, No. 1, pp. 18-25;
  19. Yeomans S.R. (1994), Performance of black, galvanized, and epoxy-coated reinforcing steel in chloride contaminated concrete, Corrosion, Vol. 50, No. 1, pp. 72-81;
  20. Yeomans S.R. (1998), Corrosion of the Zinc Alloy Coating in Galvanized Reinforced Concrete, Presentation at NACE Corrosion ‘98, San Diego, USA, March 22-27, Paper No. 98-653;
  21. Yeomans S.R. (2002), Galvanized reinforcing steel, Corrosion Management, Nov. 2002, pp. 3-6 182;
  22. Yeomans S.R. (2004), Galvanized Steel in Reinforced Concrete, Elsevier B.V., Amsterdam, The Netherlands, 297 p. ISBN 0-08-044511-X;
  23. Yeomans S.R. (2004), Galvanizing of Steel Reinforcement for Use in Building and Construction, A presentation to a seminar on Galvanized Rebars in Construction and Infrastructure, Mumbai, India, 27 October, 2004;
  24. Zhang J. J. (2012), Corrosion and Condition Assessment of Galvanized Steel Reinforcement in Concrete Structures, Proceedings Intergalva 2012, Paris, EGGA;
  25. *** Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC), Reference Document on Best Available Techniques in the Ferrous Metals Processing Industry, December 2001;
  26. *** Hot-Dip Galvanizing for Corrosion Protection: a Guide to Specifying and Inspecting Hot-Dip Galvanized Reinforcing Steel, 2012, Asociatia Nationala a Zincatorilor, pp. 1-17;
  27. *** Galvanizing and Sustainable Construction – A Specifier’s Guide, EGGA, 2008;
  28. http://www.anaz.ro/
  29. http://www.egga.com/
  30. M. S. Mohsen, B. A. Akash, Energy analysis of the steel making industry, Int. J. Energy Res., 22, 1049-1054 (1998).

 

(Din AICPS Review – 1/2 2019)

 

Autori:
conf. dr. ing. Horatiu VERMESAN – Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca
ing. Horea VISOIU – Asociatia Nationala a Zincatorilor ANAZ

 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 169 – mai 2020, pag. 50

 



Daca v-a placut articolul de mai sus
abonati-va aici la newsletter-ul Revistei Constructiilor
pentru a primi, prin email, informatii de actualitate din aceeasi categorie!
Share

Permanent link to this article: https://www.revistaconstructiilor.eu/index.php/2020/05/01/zincarea-termica-in-contextul-dezvoltarii-durabile/

Lasă un răspuns

Adresa de email nu va fi publicata.