Le mystère de la consommation d’azurants
Un responsable de ligne de zingage acide remarque une augmentation progressive de la consommation d’azurant. Il y a six mois, 200 ml d'azurant par 1 000 ampères-heures maintenaient la brillance des dépôts. Désormais, la même consommation produit des dépôts flous dans les zones à faible-courant-densité. Le bain nécessite 300 ml pour obtenir un aspect acceptable.
L'analyse du bain exclut toute contamination. Le contrôle de la température semble normal à 30 degrés. Pourtant, l’azurant disparaît plus rapidement que ne le justifie la consommation électrochimique. L'additif manquant se décompose thermiquement à un endroit invisible pour le contrôleur de température du bain : la surface de l'échangeur thermique.
Le problème de la température des murs
Les serpentins à immersion chauffés à la vapeur-ont une température de surface bien supérieure à la température du bain global. La vapeur à 3 barg se condense à 143 degrés à l'intérieur du serpentin. La température de la paroi externe du tube dépend du coefficient de transfert de chaleur côté processus, mais dans des conditions typiques de zinc acide avec agitation modérée, la température de la paroi varie de 70 degrés à 95 degrés.
Les azurants acides au zinc-généralement les aldéhydes, les cétones et les tensioactifs polyéthers-commencent à se dégrader thermiquement au-dessus de 50 degrés. À une température de paroi de 70 degrés, les molécules d’azurant entrant en contact avec la surface de la bobine se décomposent rapidement. Le bain en vrac à 30 degrés reste stable, mais la fine couche limite adjacente à la paroi du serpentin chaud devient une zone de destruction chimique.
Ceci explique le mystère de la consommation. L'azurant ne se décompose pas dans tout le volume du bain mais de manière sélective au niveau de la surface de transfert de chaleur. Chaque litre de bain qui circule devant le serpentin chaud perd une fraction de son contenu additif en raison de la dégradation thermique.
Tableau 1 : Comparaison de la température des parois et du taux de dégradation des azurants
| Matériau de chauffage | Pression de vapeur (barg) | Env. Température du mur (degré) | Taux de décomposition relatif des azurants |
|---|---|---|---|
| Bobine SS 316L | 3.0 | 85-95 | Haut |
| Bobine de titane | 3.0 | 80-90 | Haut |
| SS 316L à faible vapeur | 1.0 | 60-70 | Modéré |
| Bobine PTFE | 3.0 | 55-65 | Faible |
Températures de paroi calculées pour un bain de zinc acide à 30 degrés avec agitation d'air modérée. La température de la paroi du PTFE est plus basse en raison des différences de conductivité thermique créant un gradient plus raide à l'intérieur de la paroi du tube.
Comment le PTFE réduit la température des parois
Le PTFE a une conductivité thermique inférieure à celle des métaux. Cette propriété, souvent évoquée comme un inconvénient nécessitant une plus grande surface, offre un avantage inattendu pour les bains chargés d'additifs-. La conductivité thermique plus faible crée un gradient de température plus prononcé à travers la paroi du tube.
Pour un serpentin métallique chauffé à la vapeur-, la paroi intérieure est à 143 degrés (température de saturation de la vapeur) et la paroi extérieure est peut-être à 90 degrés. La chute de température à travers la paroi métallique de 1,5 mm est d'environ 53 degrés, concentrée principalement dans la couche limite à l'extérieur du tube.
Pour une bobine en PTFE d'une épaisseur de paroi de 1,0 mm, la paroi intérieure est à 143 degrés mais la paroi extérieure est à 55-65 degrés. La conductivité thermique plus faible du PTFE provoque une chute de température plus importante dans la paroi du tube elle-même, réduisant la température de la surface externe de 20 à 30 degrés par rapport au métal.
Cette température de surface inférieure fonctionne en dessous du seuil de décomposition rapide-pour la plupart des azurants acides au zinc. Les molécules d'additifs entrant en contact avec la surface du PTFE ne subissent pas le choc thermique qui les détruit sur les surfaces métalliques. La consommation d'azurant revient à des taux de consommation essentiellement électrochimiques.
Consommation d'additifs stable, coûts stables
Lorsque l’azurant se décompose thermiquement à la surface du radiateur, la consommation devient imprévisible. Elle varie en fonction des fluctuations de la pression de la vapeur, des changements du niveau du bain affectant la zone immergée du serpentin et des variations d'agitation qui modifient l'épaisseur de la couche limite. Le responsable de la ligne de placage compense en ajoutant trop d'azurant, augmentant ainsi les coûts des produits chimiques et risquant de surdoser des défauts.
Un échangeur de chaleur en PTFE stabilise la consommation d'additifs en éliminant la principale voie de dégradation thermique. Les taux d'ajout d'azurant suivent plus étroitement le débit en ampères-heure, comme le prédit la théorie électrochimique. Les coûts des produits chimiques deviennent prévisibles. Le risque de manque localisé d'azurant dans les zones à forte densité de courant--diminue car l'additif n'est pas détruit à la surface du radiateur.
Résultats pratiques d'une ligne de zinc en fût
Une ligne de zingage de barils traitant des fixations automobiles converties de serpentins à vapeur en acier inoxydable en échangeurs de chaleur en PTFE. Avant la conversion, la consommation d'azurant était en moyenne de 280 ml pour 1 000 ampères-heures, avec des variations importantes d'une semaine-à l'autre-semaine. La ligne a connu des dépôts brumeux périodiques imputables à l’épuisement de l’azurant entre les ajouts manuels.
Après l'installation du PTFE, la consommation d'azurant s'est stabilisée à 190 ml par 1 000 ampères-heures. La variation d'une semaine-à l'autre-semaine est passée de ±30 % à ±10 %. Les défauts des dépôts brumeux ont diminué de plus de 70 %. Les économies annuelles sur les coûts des azurants ont permis à elles seules de récupérer 35 % de l'investissement en capital des bobines de PTFE au cours de la première année.
Résumé
Les serpentins métalliques chauffés à la vapeur-dans des bains de zinc acide fonctionnent à des températures de paroi qui détruisent thermiquement les azurants organiques. La décomposition des additifs qui en résulte se produit au niveau de la surface de transfert de chaleur, invisible pour la surveillance de la température du bain en vrac, augmentant les coûts des produits chimiques et provoquant des problèmes de qualité intermittents.
Un échangeur de chaleur en PTFE résout ce problème en réduisant la température des parois externes. La différence de conductivité thermique, souvent citée comme un inconvénient, offre en réalité l’avantage de réduire la dégradation des additifs. Combiné avec une contamination métallique nulle et une corrosion nulle, le serpentin PTFE améliore la stabilité du bain dans les dimensions chimiques, thermiques et de contamination.
Pour les opérations de zingage cherchant à réduire la consommation d'azurant et à améliorer la stabilité du bain, une analyse technique est disponible sur soumission du volume du bain, de la température de fonctionnement, des spécifications actuelles de la bobine, du type d'azurant et de l'historique de consommation, ainsi que de la pression de vapeur disponible.
