Un ejemplo del efecto de la eficiencia catódica en el cálculo del proceso electrolítico

En este artículo mostramos un ejemplo de efecto de la eficiencia catódica en un proceso de recubrimientos electrolíticos. Puede ver el artículo sobre el tema de la eficiencia catódica aquí.

Ej. Se desea depositar una capa brillante de cromo de 0.1µm, sobre piezas de defensa automotriz de 120dm² de área superficial como la de la imagen 1. Calcular el tiempo de proceso mas óptimo si se cuenta con un rectificador de corriente que da como máximo 1000Amp a la salida y el voltaje de proceso debe mantenerse en 6V a la salida. Determine la mejor opción de temperatura de proceso de la solución electrolítica que permita el menor consumo de potencia posible para obtener el resultado esperado. Use los datos mostrados en la gráfica 1 y considere el uso de CrO₃ (ácido crómico trivalente) en una concentración de 250grm/L usando Sulfato como catalizador SO₄⁻² en concentración de 25grm/L tal como se obtuvieron los datos de la gráfica 1.

Nota: El ácido crómico trivalente disuelve iones de cromo +3 bajo esas condiciones.

Considerar que la eficiencia de salida del rectificador no cambia significativamente si la salida no baja de la mitad del rango máximo de corriente. Es decir, no hay una diferencia considerable de consumo de energía entre la potencia de salida y la energía que el rectificador "jala" de la línea de alimentación (VA), ya sea que el rectificador este operando a máxima corriente (1000Amp) ó a la mitad (500Amp).

R.

Son varias las cosas que hay que considerar para resolver este problema, pero principalmente se desea el menor consumo de potencia posible y a la vez el menor tiempo de proceso posible con ese consumo de potencia, pero lo primero que nos falta y debemos obtener es la densidad atómica del Cromo (d), así como su peso atómico (Awt). Haciendo una búsqueda rápida en google encontramos que para el Cromo.

d = 7.19 grm/ml (un ml es la milésima parte de un litro, un litro es un dm³, osea 10x10x10=1000 cm³, entonces 1ml = 1 cm³) por tanto d = 7.19 grm/cm³

Awt = 51.996 grm/mol

Teniendo estos datos y el hecho de que la solución disuelve iones +3 (n=3) podemos calcular el Equivalente Electroquímico del cromo Z(Cr) usando la fórmula Z(M) = Awt (M) / (n x F)

Z(Cr) = 51.996 grm/mol / (3 x 96487 C/mol) = 1.7963x10^-4 grm/C

Por otro lado, a = 120dm² ó 12000 cm² y h = 0.1µm ó 0.1 x 10^-6 m = 1x10^-5 cm

Revisando la gráfica 1, de entrada debemos descartar una temperatura de proceso de 25°C ya que si bien esta da una buena eficiencia catódica a bajas densidades de corriente, no producirá cromado brillante que es una especificación del problema, entonces 25°C queda fuera.

Gráfica 1

Por otro lado, aunque temperaturas mayores proporcionarán cromados brillantes con bajas densidades de corriente a costa de la eficiencia catódica, el mantener la solución a 50°C implicaría un consumo energético mayor y otro requerimiento del problema es encontrar la solución de proceso con el menor consumo de energía posible, por tanto optaremos por tratar de encontrar la solución dentro del rango de 35°C a 45°C.

El rectificador disponible puede dar un máximo de 1000Amp a la salida y la pieza es de 120dm², entonces la máxima densidad de corriente disponible será 8.3333 Amp/dm² y como vemos en la gráfica 1, con una T = 35°C esa densidad sale de los límites de cromado brillante, sin embargo es posible ajustar la salida del rectificador para dar una corriente menor. Como vemos la densidad de corriente mínima para obtener un depósito de cromo según la gráfica es alrededor de 5, entonces la corriente mínima a usar en la salida del rectificador sería 600Amp (5Amp/dm² x 120dm²).

Consideremos estos dos puntos de operación:

a) I = 600Amp

b) I = 1000Amp

En cuanto al punto a), tenemos básicamente el mismo dato de eficiencia catódica para todas las temperaturas, que de acuerdo a la gráfica 1 sería alrededor de 6%, entonces con este dato ya podemos usar la fórmula 5 del artículo anterior.

Sustituyendo datos tenemos:

t = ((1x10^-5 cm) x (12,000 cm²) x (7.19 grm/cm³) )

entre

((1.7963x10^-4 grm/Amp-seg)x(600Amp)*0.06)

t = 0.8628 grm/6.4666x10^-3grm/seg = 133.42 seg ó 2 minutos 13 segundos ó 0.037 hr

Con una temperatura de proceso de 35°C

La potencia de salida es de 600Amp x 6V = 3600W y por cada pieza se consumen 133.2 W-Hr (3600w x 0.037Hr)

Punto b)

En cuanto al punto b), descartamos T = 35°C porque hay duda que se logre recubrimiento brillante con esa temperatura, y entonces escogemos T=40°C ya que prácticamente los resultados usando T=45°C son los mismos de acuerdo a la gráfica 1. Considerando una densidad de corriente de 8.3333 Amp/dm² (máxima) vemos que la eficiencia catódica es aproximadamente 10%, entonces usando la fórmula 5.

Sustituyendo datos tenemos:

t = ((1x10^-5 cm) x (12,000 cm²) x (7.19 grm/cm³) )

entre

(( 1.7963x10^-4 grm/Amp-seg)x(1000Amp)*0.10)

t = 0.8628 grm / 0.017963grm/seg = 48seg ó 0.8 min ó 0.01333Hr

Con una temperatura de proceso de 40°C.

La potencia consumida es de 6000W (1000Amp x 6V) y por cada pieza se consumen 80 W-Hr (6000W x 0.013333Hr)

Como puede verse, el consumo energético por pieza es considerablemente menor usando una configuración de salida de 1000Amp ya que el grosor de recubrimiento se alcanzará en menor tiempo, aun cuando la temperatura deberá mantenerse un poco mas alta, por lo que es seguro que  la respuesta mas adecuada al problema planteado sería la b).

Entonces, tal como vimos en el ejemplo anterior, uno de los parámetros críticos en todos los procesos de recubrimiento electrolítico es la densidad de corriente mínima y máxima que se debe aplicar sobre la pieza de trabajo. Esta densidad se mide en Amp/dm² por lo regular siendo corriente por unidad de área siendo esta, el área superficial de la pieza misma o la suma de piezas a recubrir.

Este aspecto por lo regular fija o mantiene dentro de un rango específico la corriente (Amp) que debe mantener el rectificador a la salida en función del tamaño de la superficie de la pieza o piezas a recubrir. Esto con el fin de mantener dentro del rango la densidad de corriente sobre la pieza o piezas.

Luego la definición de Eficiencia Catódica dada por su fórmula (Ec = Qc/Qt = Qc/It). I es la corriente suministrada por el rectificador y t es el tiempo de aplicación de esa corriente. Al fijar la corriente de salida (I), queda como único parámetro a ajustar para obtener el resultado esperado el tiempo de procesamiento. Esto significa que debido al efecto de eficiencia catódica, lo que esperaríamos durara determinada cantidad de minutos puede llegar a multiplicarse por 5 o mas.

Pero esto debe considerar que la eficiencia catódica también varía con otros parámetros del proceso que se ajusten, como la concentración del electrolito, el número de electrones que aporten los iones metálicos disueltos en la solución acuosa, la temperatura del proceso, el voltaje de salida del rectificador además desde luego de la densidad de corriente, que tiene que ver con la corriente de salida y la superficie de la pieza a recubrir. Obtener un modelo matemático teórico considerando todas esas variables se vuelve considerablemente difícil por lo que se depende principalmente de resultados de experimentos publicados, ya sea en artículos científicos relativos con el tema o en libros técnicos por igual. Igualmente, existen cursos disponibles donde se muestran experiencias prácticas de laboratorio realizadas por personas que alcanzaron resultados experimentales y las comparten de esa forma.

Pero a la vista de lo que se expuso en el ejemplo, se puede ver que además del consumo energético, el efecto obvio de la presencia del fenómeno de Eficiencia Catódica incide también sobre la productividad del taller, y desde luego, sobre los costos. Mas tiempo implica mas consumo energético y menos piezas por turno, por lo tanto, eso tendrá su mayor efecto sobre el precio final del trabajo de acabado y obviamente sobre la competitividad del negocio.

Desde luego que a la vista de esto último, poder configurar el rectificador de corriente para que de forma autónoma ajuste la salida de voltaje y de corriente de manera simultánea controlando automáticamente la cantidad de cargas entregadas sin que el operario tenga que estar ajustando perillas de voltaje y controlando tiempos con un cronómetro, es una característica altamente deseable de este componente de la celda, es decir en el rectificador de corriente.

Procesar una pieza fuera de los rangos de operación de densidad de corriente, voltaje, temperatura, o con un exceso o deficiencia de cargas etc. Llevará a obtener resultados fuera de especificación y al consecuente desperdicio de material, lo cual eleva también los costos operativos del taller.

Además hay que considerar como en el ejemplo de la operación de cromado (basado en los datos de la gráfica 1), en donde salir del rango de densidad de corriente o temperatura puede llevar a obtener un cromado duro, pero opaco. Siendo que por lo regular las operaciones de cromado buscan resaltar la brillantez o acabado espejo de un depósito de cromo sobre la pieza. Entonces en ese caso, una pieza cromada opaca sería una pieza fuera de especificación y por tanto desperdiciada. No estamos diciendo que el recubrimiento de cromo duro y opaco sea inútil o no deseable. Es bastante deseable y requerido de hecho en algunas aplicaciones marítimas e industriales que requieren gran resistencia a la corrosión y al desgaste, lo que decimos es que si el acabado deseado es cromo brillante, como es común en piezas automotrices, obtener una pieza recubierta por cromo opaco no es aceptable. En un artículo anterior hablamos de los requerimientos comunes de un acabado de recubrimiento. Puede darle una revisada para entender mas este punto.

En posteriores artículos hablaremos sobre ejemplos de cálculos del proceso electroquímico de recubrimientos electrolíticos y galvanoplastia específicos como cobreado, cromado, plateado, platinado, etc.

Por lo pronto es todo y agradecemos la lectura de este artículo, asimismo le recordamos darse una vuelta por nuestra tienda en línea para que conozca mas acerca de la oferta de rectificadores de corriente directa para galvanoplastia de la marca Sierra-Novak que tenemos a la venta.

Buen día y hasta la próxima.

Nota: El contenido de este artículo es con fines informativos y didácticos básicos, no pretende ser o aportar información técnica que pueda ser usada para diseñar, dimensionar o definir un proceso industrial o de laboratorio en la práctica. Al margen de lo que en estos artículos se describa, usted debe considerar que cualquier diseño, ingeniería o dimensionamiento de proceso que se requiera, deberá ser realizado y/o validado técnicamente por un especialista en el área debidamente acreditado