SCHEDE TECNICHE INTERVENTI CONCLUSI ATI SPECIALITIES - SPECIALITIES Srl Osio Sotto BG - CLOMAR Srl Cinisello Balsamo MI - NORD ZINC Spa San Gervasio Bresciano BS ID10/2005 PROGETTO R&S Sistema di ricircolo ad elevate prestazioni per contenitori di composti chimici per lo sgrassaggio e il decapaggio di materiali metallici. AREA MD NUOVI MATERIALI DURATA 30 MESI QUADRO ECONOMICO PREVISIONE INIZIALE...... 851.000,00 COSTO FINALE........... 877.947,97 INTERVENTO FINANZIARIO EROGATO...... 340.000,00 DESCRIZIONE Finalità principale del progetto è stata quella di acquisire il know-how necessario alla realizzazione di un impianto innovativo applicabile alla fase di decapaggio dell acciaio con acido cloridrico che consentisse di aumentare la produttività dei propri potenziali clienti, riducendo nel contempo in modo drastico le problematiche di tipo ambientale e contenendo in modo significativo i consumi di acido cloridrico. Ciò si è reso possibile attraverso lo studio e la realizzazione di un sistema innovativo in grado di assicurare il completo ricircolo della soluzione, la sua miscelazione e, soprattutto, il passaggio ad alta velocità (regime turbolento) sul materiale da decapare, utilizzando concentrazioni dell acido di decapaggio prossimi alle condizioni di esaurimento rispetto al processo tradizionale.
RICADUTA DEGLI EFFETTI DEL PROGETTO Creazione di un nuovo concetto di decapaggio in grado di ridurre drasticamente i tempi di preparazione delle superfici d acciaio con conseguente aumento della flessibilità produttiva dell impianto di zincatura ed una riduzione degli spazi produttivi destinati al decapaggio. Tale sistema innovativo consentirà inoltre la preparazione ottimale delle superfici con apprezzabili miglioramenti qualitativi del prodotto finale (acciaio zincato). Riduzione dell impatto ambientale: la possibilità di utilizzare concentrazioni di acido sensibilmente inferiori rispetto alle concentrazioni richieste nei sistemi statici, consente le riduzioni delle emissioni e del consumo di acido. Contemporaneamente il nuovo processo di decapaggio permette una drastica riduzione dei volumi di acido all interno degli impianti di zincatura, oltre a consistenti ridimensionamenti dei volumi di acido nuovo ed esausto movimentati su gomma. Tale vantaggio potrebbe ragionevolmente essere oggetto di una auspicabile futura BAT (Best Available Technology). Incremento di competitività: vantaggio competitivo degli utilizzatori del sistema innovativo rispetto ai concorrenti nel settore della zincatura a caldo, grazie all ottimizzazione dei costi di processo (riduzione degli spazi produttivi, ampia flessibilità e riduzione dei consumi di zinco grazie all ottimale preparazione delle superfici). Spostare il mercato verso un segmento più alto in termini di qualità e di prestazioni rispetto alla situazione attuale. Risparmio energetico: la bassissima potenza elettrica richiesta per il funzionamento dell impianto colloca la tecnologia in posizione nettamente più vantaggiosa rispetto a sistemi di agitazione a bassissima efficienza energetica attualmente disponibili sul mercato. IL PROGETTO Nello specifico, il progetto si è sviluppato attraverso le seguenti principali fasi gestite singolarmente o in cooperazione da parte dei componenti dell ATI e, in alcuni casi, sfruttando competenze specifiche di consulenze esterne: studio fluidodinamico del sistema di ricircolo della soluzione e progettazione dell organo di propulsione e della vasca di decapaggio dotata di canale di ricircolo; realizzazione di un prototipo da laboratorio; realizzazione di un prototipo industriale. Sulla base dello studio fluidodinamico del sistema si è definito come imprescindibile una condizione fondamentale per ottenere flussi turbolenti omogenei all interno della vasca di decapaggio. Tale condizione è rappresentata dalla necessità di utilizzare un propulsore di adeguata dimensione, ovvero di dimensione molto prossima alla dimensione del canale nel quale tale propulsore viene immerso.
Dopo aver disegnato un propulsore con adeguato profilo di pala, si è verificato attraverso simulazione CFD la velocità di omogeneizzazione del flusso intorno ad un range di velocità ritenuto ottimale (intorno a 0,7 m/sec) organo di propulsione simulazione CFD sezione trasversale vasca con canale di trattamento centrale e canali di ricircolo laterali Sulla base dei risultati ottenuti in fase di studio, si è proceduto alla realizzazione di un prototipo di laboratorio con il quale verificare sperimentalmente la validità dello studio stesso. L influenza della movimentazione dell acido sulla velocità di decapaggio è risultata molto significativa. Nelle tabelle che seguono, si mostrano alcuni valori di confronto tra decapaggio statico e decapaggio agitato (poi chiamato Turbotank). Nella tabella n.1, si riporta il confronto a parità di condizioni (concentrazioni alte di acido cloridrico), mentre nella tabella n.2 si mostra il confronto con utilizzo di acido prossimo a smaltimento per il sistema agitato e nelle condizioni ottimali (alte concentrazioni di acido cloridrico) per il sistema statico. prototipo da laboratorio
TIPOLOGIA MATERIALE Tabella n.1 TEMPO MEDIO DECAPAGGIO (MIN) Acido RIGENERATO Fe++ 90 g/l HCl 140 g/l AGITATO STATICO riduzione tempo decapaggio Profili 17 57 70% Distanziali 7 46 85% Cancellate in ferro battuto 35 126 72% Cancellate 45 148 70% TIPOLOGIA MATERIALE Tabella n.2 TEMPO MEDIO DECAPAGGIO (MIN) AGITATO in acido ESAUSTO Fe++ 140 g/l HCl 60 g/l STATICO in acido RIGENERATO Fe++ 90 g/l HCl 140 g/l riduzione tempo decapaggio Profili 30 57 47% Distanziali 14 46 70% Cancellate in ferro battuto 50 126 60% Cancellate 70 148 53% È opportuno sottolineare che il dato più sorprendente emerso durante il lungo percorso di ricerca e sviluppo del processo non ha riguardato la diversa velocità di preparazione del materiale, in quanto tale aspetto era sostanzialmente già noto, pur in assenza di una tecnologia economicamente Esposizione in ambiente esterno delle piastrine decapate. 10 giorni di esposizione di cui 4 giorni di pioggia Esposizione in ambiente esterno delle piastrine decapate. 90 giorni di permanenza TURBOTANK STATICO TURBOTANK STATICO
[μm] [μm] ed energeticamente vantaggiosa o meccanicamente affidabile. L aspetto sorprendente dello studio, è stato quello di osservare che, grazie a tempi di decapaggio inferiori del 50-70 %, (oltretutto ottenuti con concentrazioni dimezzate di acido cloridrico), la superficie dell acciaio decapato in sistema agitato è sensibilmente più omogenea e compatta di quella decapata in sistema statico. Tali differenze sono state apprezzate sia attraverso evidenze macroscopiche (reattività delle superfici esposte agli agenti atmosferici), sia attraverso analisi strumentali, ed in particolare misure di riflettenza, rugosità ed analisi al microscopio ottico ed elettronico (a titolo di esempio si riporta di seguito un esempio di comparazione tra rugosità di superfici trattate in sistema statico e trattate in sistema agitato). profilo morfologico SISTEMA STATICO 60,0 40,0 20,0 0,0-20,0-40,0-60,0-80,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 STATICO TURBOTANK HCl (g/l) 97,5 85 Fe2+ (g/l) 111 125 Temperature ( C) 20 20 Pickling time (min) 150 60 [mm] profilo morfologico TURBOTANK 60,0 40,0 20,0 0,0-20,0-40,0-60,0-80,0 0,0 5,0 10,0 [mm] profilo morfologico superfici decapate in sistema statico e sistema agitato Dopo un lungo periodo di prove e verifiche sperimentali dell efficienza del sistema di decapaggio agitato, si è proceduto allo studio ed alla realizzazione del prototipo industriale. Lo scoglio maggiore da superare in questo passaggio, è stata la scelta dei materiali da utilizzare. Le gravose condizioni d esercizio dell impianto, sia dal punto di vista chimico (pompa immersa in acido cloridrico intorno al 10%), sia dal punto di vista meccanico, hanno richiesto un dettagliato studio dei materiali, individuati prevalentemente nel settore dei compositi. Nel settembre 2007 si è proceduto all installazione ed alla messa in funzione del primo prototipo industriale presso la Nord Zinc Spa di San Gervasio Bresciano. pompa Turbotank installato presso Nord Zinc Spa
Anche la sperimentazione a livello industriale ha confermato la validità del progetto, con particolare riferimento alla maggior produttività dell impianto, la maggior flessibilità nell organizzazione del lavoro del reparto di decapaggio, la riduzione delle concentrazioni d uso dell acido cloridrico, il risparmio di acido fresco, la maggior facilità di gestione dei bagni di decapaggio, il miglioramento qualitativo del prodotto finale e, non ultima, la riduzione del consumo specifico di zinco, ridotto mediamente del 5% circa, con punte del 15% nel caso di acciai laminati a caldo. 60% TURBOTANK Poli. (TURBOTANK) STATIC PICKLING Poli. (STATIC PICKLING) 1 50% 0,8 40% 30% 20% 10% 0% 51,7% 47,0% 28,9% 21,0% 16,0% 16,0% 15,4% 3,9% inferiore a 60' compreso tra 60' e 90' compreso tra 90' e 120' maggiore di 120' 0,6 0,4 0,2 0 Nella figura sopra si evidenzia l entità della riduzione dei tempi di decapaggio. Nel caso di decapaggio con sistema Turbotank il 50% circa dei materiali sono stati decapati in meno di 1 ora. Con il sistema tradizionale il 50% circa dei materiali è stato decapato in tempi superiori a 2 ore. Un altro grafico che mette in risalto la maggior efficienza del sistema agitato è quello riportato di seguito, dove il dato più interessante è la percentuale di acciaio laminato a caldo che risulta sensibilmente superiore per il sistema Turbotank rispetto al sistema statico. 70 % TURBOTANK STATIC 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 % 58,7 42,7 % 29,0 % 28,3 % 30,5 10,8 LAMINATO A CALDO LAMINATO A FREDDO MATERIALE MISTO L aspetto interessante, consiste nel fatto che gli operatori del decapaggio hanno la tendenza ad utilizzare preferibilmente il sistema agitato per i materiali notoriamente più difficili da decapare, ossia gli acciai laminati a caldo.
Nella figura sotto è riportato l andamento grafico delle concentrazioni di acido e ferro nei bagni di decapaggio. I dati si riferiscono a tutte le analisi eseguite da giugno 2006 a febbraio 2009. MESE DI AVVIO SISTEMA TURBOTANK TURBOTANK SYSTEM CONCENTRAZIONI MEDIE DIFFERENZE SMALTIMENTO HCl (g/l) Fe++ (g/l) HCl (g/l) Fe++ (g/l) 64 148 STATIC SYSTEM CONCENTRAZIONI MEDIE SMALTIMENTO HCl (g/l) Fe++ (g/l) -24% 20% 84 123 andamento delle concentrazioni di HCl e Fe in bagni statici e bagno agitato e diversa modalità di gestione Sono diverse le considerazioni che si possono fare osservando i grafici: innanzitutto si nota che la concentrazione media di HCl per il sistema agitato è mediamente circa il 30% inferiore rispetto al sistema statico, il che consente un notevole contenimento delle emissioni, anche alzando la temperatura dei bagni; le concentrazioni di smaltimento, sono anch esse inferiori del 25% circa, il che consente la riduzione delle quantità di acido fresco acquistato, grazie alla minor quantità sprecata ; grazie alla possibilità di lavorare con basse acidità ed alte concentrazioni di ferro, la gestione delle vasche risulta ottimizzata, non richiedendo smaltimenti di grossi volumi di acido esausto, allo scopo di ridurre sufficientemente le concentrazioni di ferro. Per completare il quadro dei vantaggi derivanti dall introduzione nel ciclo produttivo delle zincature a caldo del sistema di decapaggio Turbotank, si descrivono i vantaggi riscontrati in termini di consumo di zinco e di qualità del rivestimento. Attraverso centinaia di test di laboratorio (decapaggio con impianto pilota e zincatura in impianto industriale) si è osservata una generale tendenza alla riduzione dell aderito di zinco (mediamente 5 %, a favore del Sistema TURBOTANK). I migliori risultati si sono osservati per alcune tipologie di acciaio laminato a caldo, per i quali si sono osservati risparmi fino al 15 %. Numerose prove industriali eseguite su coppie omologhe di materiale decapate nei due diversi sistemi di decapaggio hanno confermato le tendenze generali osservate a livello di sperimentazione di laboratorio.
A titolo di esempio, si riportano i dati relativi alle misurazioni di aderito su una coppia di telai omologhi decapati e zincati in Nord Zinc Spa. Per valutare la qualità del rivestimento di zinco è stato eseguito uno svariato numero di micrografie per verificare le modalità di formazione e sviluppo delle varie fasi di lega Zn-Fe. Mentre sui laminati a freddo non si sono notate in generale differenze tra sistema statico e sistema agitato, ben altre osservazioni sono state fatte per i laminati a caldo. Come evidenziato nella figura successiva, molti campioni zincati dopo decapaggio statico presentano una formazione della prima fase di lega (fase delta) molto disomogenea, con effetti negativi sullo sviluppo delle successive fasi di lega Zn-Ni. La perfetta omogeneità della prima fase di lega consente, invece, lo sviluppo da manuale delle successive fasi di lega nel caso di decapaggio con sistema agitato. micrografie sistemi a confronto RISULTATI OTTENUTI I risultati attesi del progetto hanno condotto alla creazione di un sistema di decapaggio assolutamente innovativo, in grado di permettere al settore zincatura di risolvere problematiche sia di natura impiantistica, sia di natura ambientale. Il progetto ha quindi già avuto e continuerà ad avere nel tempo numerosi effetti positivi, sia dal punto di vista dell impatto economico (sulle imprese coinvolte nel progetto e sul meta-distretto nel suo insieme),
sia dell impatto ambientale (riduzione del consumo di acido cloridrico e contenimento delle emissioni, risparmio energetico). Proprietà intellettuale: di particolare rilevanza per i risultati del progetto è la realizzazione e deposito del brevetto relativo al sistema Turbotank. Siamo in attesa della concessione del brevetto europeo (Domanda n.03025828.9). Divulgazione: come previsto, a coronamento dei risultati raggiunti, il progetto si è concluso con la partecipazione (già avvenuta o programmata) a importanti eventi di settore, al fine di promuovere e divulgare sul mercato gli obiettivi raggiunti ed il nuovo prodotto, come previsto dal progetto integrato. In particolare il 15 maggio 2009, il sistema Turbotank è stato presentato in occasione della II GIORNATA TECNICA SULLA ZINCATURA A CALDO, organizzata da Zinco Service Srl di Brescia. Di particolare rilievo e prestigio la partecipazione al convegno mondiale sulla zincatura a caldo, INTERGALVA 2009, che si terrà a Madrid in Giugno. Sono previste inoltre diverse iniziative, in collaborazione con le associazioni di settore e partner tecnici, per la presentazione in Italia e all estero del nuovo processo di decapaggio Impatto economico: oltre all ATI, protagonista diretta del progetto Turbotank, lo studio, la scelta delle tecnologie e dei materiali ha coinvolto una decina di aziende manifatturiere lombarde che diventeranno partner strategici nella industrializzazione del prodotto. Industrializzazione e potenzialità: in Italia sono attivi oltre 70 impianti di zincatura. Mediamente ogni impianto ha 8 vasche di decapaggio, ognuna da 40 200 metri cubi. Il potenziale del processo Turbotank è quindi enorme. Internazionalizzazione: la validità del processo Turbotank è stata confermata dall interesse aziende statunitensi. L obiettivo è l istallazione di un primo impianto Turbotank negli USA entro il 2010. Futuri sviluppi: il nostro settore di ricerca e sviluppo è ancora impegnato nello studio per l ottimizzazione dei parametri chimico-fisici che potrebbero riservare ulteriori benefici sul processo e sui risvolti ambientali. Proseguirà inoltre la sperimentazione di sistemi di rigenerazione degli acidi esausti che, combinati con il processo Turbotank, dovrebbero garantire un ulteriore riduzione del consumo di acido ed il relativo abbattimento dei costi di smaltimento dei sottoprodotti.