Finition en métal

Le traitement de surface des métaux augmente leur durabilité et améliore leur apparence. Un même produit peut subir plus d'un traitement de surface, par exemple, un panneau de carrosserie peut être phosphaté, apprêté et peint. Cet article traite des procédés utilisés pour le traitement de surface des métaux et des méthodes utilisées pour réduire leur impact environnemental.

L'exploitation d'une entreprise de finition des métaux nécessite une coopération entre la direction de l'entreprise, les employés, le gouvernement et la communauté afin de minimiser efficacement l'effet environnemental des opérations. La société se préoccupe de la quantité et des effets à long terme de la pollution qui pénètre dans l'air, l'eau et l'environnement terrestre. Une gestion environnementale efficace est établi grâce à une connaissance détaillée de tous les éléments, produits chimiques, métaux, processus et sorties.

Planification de la prévention de la pollution fait passer la philosophie de la gestion environnementale de la réaction aux problèmes à l'anticipation de solutions axées sur la substitution chimique, le changement de processus et le recyclage interne, en utilisant la séquence de planification suivante :

1. Initier la prévention de la pollution dans tous les aspects de l'entreprise.
2. Identifier les flux de déchets.
3. Fixer des priorités d'action.
4. Établir la cause profonde du gaspillage.
5. Identifier et mettre en œuvre des changements qui réduisent ou éliminent le gaspillage.
6. Mesurez les résultats.

L'amélioration continue est obtenue en fixant de nouvelles priorités d'action et en répétant la séquence d'actions.

Une documentation détaillée du processus identifiera les flux de déchets et permettra d'établir des priorités pour les opportunités de réduction des déchets. Des décisions éclairées sur les changements potentiels encourageront :

• améliorations opérationnelles simples et pratiques
• changements de processus impliquant clients et fournisseurs
• changements vers des activités moins nocives lorsque cela est possible
• réutilisation et recyclage là où le changement n'est pas pratique
• n'utiliser l'enfouissement des déchets dangereux qu'en dernier recours.

Principaux processus et processus opérationnels standard

Nettoyage est nécessaire car tous les processus de finition des métaux exigent que les pièces à finir soient exemptes de salissures organiques et inorganiques, y compris les huiles, le tartre, les composés de polissage et de polissage. Les trois types de nettoyants de base utilisés sont les solvants, les dégraissants à la vapeur et les détergents alcalins.

Les solvants et les méthodes de nettoyage par dégraissage à la vapeur ont été presque totalement remplacés par des matériaux alcalins où les processus ultérieurs sont humides. Les solvants et les dégraissants à la vapeur sont toujours utilisés là où les pièces doivent être propres et sèches sans autre traitement humide. Les solvants tels que les terpènes remplacent dans certains cas les solvants volatils. Des matériaux moins toxiques tels que le 1,1,1-trichloroéthane ont été remplacés par des matériaux plus dangereux dans le dégraissage à la vapeur (bien que ce solvant soit progressivement éliminé en tant qu'appauvrissement de la couche d'ozone).

Les cycles de nettoyage alcalins comprennent généralement une immersion suivie d'un électronettoyage anodique, suivi d'une immersion dans un acide faible. Les nettoyants non mordants et non silicatés sont généralement utilisés pour nettoyer l'aluminium. Les acides sont typiquement sulfurique, chlorhydrique et nitrique.

Anodisation, procédé électrochimique d'épaississement du film d'oxyde à la surface du métal (fréquemment appliqué à l'aluminium), traite les pièces avec des solutions diluées d'acide chromique ou sulfurique.

Revêtement de conversion est utilisé pour fournir une base pour la peinture ultérieure ou pour passiver pour la protection contre l'oxydation. Avec la chromatation, les pièces sont immergées dans une solution de chrome hexavalent avec des agents actifs organiques et inorganiques. Pour la phosphatation, les pièces sont immergées dans de l'acide phosphorique dilué avec d'autres agents. La passivation est réalisée par immersion dans de l'acide nitrique ou de l'acide nitrique avec du bichromate de sodium.

Placage autocatalytique implique un dépôt de métal sans électricité. Le dépôt autocatalytique de cuivre ou de nickel est utilisé dans la fabrication de cartes de circuits imprimés.

Electroplating implique le dépôt d'une fine couche de métal (zinc, nickel, cuivre, chrome, cadmium, étain, laiton, bronze, plomb, étain-plomb, or, argent et autres métaux tels que le platine) sur un substrat (ferreux ou non- ferreux). Les bains de procédé comprennent des métaux en solution dans des formulations acides, alcalines neutres et alcalines de cyanure (voir figure 1).

Figure 1. Entrées et sorties d'une ligne de galvanoplastie typique

Fraisage chimique et gravure sont des procédés d'immersion à dissolution contrôlée utilisant des réactifs chimiques et des décapants. L'aluminium est généralement gravé dans une soude caustique avant l'anodisation ou blanchi chimiquement dans une solution qui peut contenir des acides nitrique, phosphorique et sulfurique.

Revêtements à chaud impliquent l'application de métal sur une pièce par immersion dans du métal en fusion (galvanisation au zinc ou à l'étain de l'acier).

Bonnes pratiques de gestion

Des améliorations importantes en matière de sécurité, de santé et d'environnement peuvent être réalisées grâce à des améliorations de processus, telles que :

• en utilisant un rinçage à contre-courant et des contrôles de conductivité
• augmentation du temps de drainage
• en utilisant plus ou de meilleurs agents mouillants
• maintenir les températures de processus aussi élevées que possible pour réduire la viscosité, augmentant ainsi la récupération par entraînement (c'est-à-dire la récupération de la solution laissée sur le métal)
• utilisation de l'agitation de l'air lors du rinçage pour augmenter l'efficacité du rinçage
• utiliser des boules en plastique dans les réservoirs de placage pour réduire la buée
• en utilisant une filtration améliorée sur les réservoirs de placage pour réduire la fréquence du traitement de purification
• placer une bordure autour de toutes les zones de traitement pour contenir les déversements
• en utilisant des traitements séparés pour les métaux récupérables tels que le nickel
• installer des systèmes de récupération tels que l'échange d'ions, l'évaporation atmosphérique, l'évaporation sous vide, la récupération électrolytique, l'osmose inverse et l'électrodialyse
• complétant les systèmes de récupération par entraînement avec des réductions de l'entraînement des contaminants et des systèmes de nettoyage améliorés
• utiliser des contrôles d'inventaire modernes pour réduire les déchets et les risques sur le lieu de travail
• appliquer des procédures normalisées (c'est-à-dire des procédures écrites, des revues de fonctionnement régulières et des registres d'exploitation solides) pour fournir la base d'une structure de gestion environnementale saine.

Planification environnementale pour des déchets spécifiques

Des flux de déchets spécifiques, généralement des solutions de placage épuisées, peuvent être réduits en :

• Filtration. Des filtres à cartouche ou à diatomées peuvent être utilisés pour éliminer l'accumulation de solides, ce qui réduit l'efficacité du processus.
• Traitement au carbone peut être utilisé pour éliminer les contaminants organiques (le plus souvent appliqué dans le placage de nickel, la galvanoplastie de cuivre et le placage de zinc et de cadmium).
• Eau purifiée. Les contaminants naturels dans l'eau d'appoint et de rinçage (par exemple, le calcium, le fer, le magnésium, le manganèse, le chlore et les carbonates) peuvent être éliminés en utilisant la déionisation, la distillation ou l'osmose inverse. L'amélioration de l'efficacité de l'eau de rinçage réduit le volume de boues de bain nécessitant un traitement.
• Congélation de carbonate de bain de cyanure. L'abaissement de la température du bain à -3 ° C cristallise les carbonates formés dans le bain de cyanure par la décomposition du cyanure, les densités de courant anodique excessives et l'adsorption du dioxyde de carbone de l'air et facilite leur élimination.
• Précipitation. L'élimination des contaminants métalliques entrant dans le bain sous forme d'impuretés dans les anodes peut être obtenue par précipitation avec du cyanure de baryum, de l'hydroxyde de baryum, de l'hydroxyde de calcium, du sulfate de calcium ou du cyanure de calcium.
• Alternatives au chrome hexavalent. Le chrome hexavalent peut être remplacé par des solutions de placage au chrome trivalent pour le placage décoratif. Les revêtements de conversion au chrome pour les prétraitements de peinture peuvent parfois être remplacés par des revêtements de conversion sans chrome ou des produits chimiques au chrome sans rinçage.
• Chimie de procédé non chélatée. Au lieu d'ajouter des chélateurs aux bains de traitement pour contrôler la concentration d'ions libres dans la solution, des produits chimiques de traitement non chélatés peuvent être utilisés afin qu'il ne soit pas nécessaire de maintenir les métaux en solution. Ces métaux peuvent être autorisés à précipiter et peuvent être éliminés par filtration continue.
• Produits chimiques de traitement sans cyanure. Les flux de déchets contenant du cyanure libre sont généralement traités à l'aide d'hypochlorite ou de chlore pour accomplir l'oxydation, et les cyanures complexes sont généralement précipités à l'aide de sulfate ferreux. L'utilisation de procédés chimiques sans cyanure élimine à la fois une étape de traitement et réduit le volume de boues.
• Dégraissage au solvant. Des bains de nettoyage alcalins chauds peuvent être utilisés à la place du dégraissage au solvant des pièces avant le traitement. L'efficacité des nettoyants alcalins peut être améliorée en appliquant un courant électrique ou des ultrasons. Les avantages d'éviter les vapeurs de solvant et les boues l'emportent souvent sur les coûts d'exploitation supplémentaires.
• Nettoyants alcalins. Il est possible d'éviter de devoir jeter les nettoyants alcalins lorsque l'accumulation d'huile, de graisse et de saleté due à l'utilisation atteint un niveau qui nuit à l'efficacité de nettoyage du bain en utilisant des dispositifs d'écumage pour éliminer les huiles flottant librement, des dispositifs de décantation ou des filtres à cartouche pour éliminer les particules et coalesceurs huile-eau et en utilisant la microfiltration ou l'ultrafiltration pour éliminer les huiles émulsionnées.
• Réduction de l'entraînement. La réduction du volume d'entraînement des bains de traitement permet de réduire la quantité de produits chimiques de traitement précieux qui contamine l'eau de rinçage, ce qui réduit à son tour la quantité de boues générées par un processus de traitement par précipitation des métaux conventionnel.

Plusieurs méthodes de réduction de l'entraînement comprennent :

• Concentration de fonctionnement du bain de traitement. La concentration chimique doit être maintenue aussi faible que possible pour minimiser la viscosité (pour un drainage plus rapide) et la quantité de produits chimiques (dans le film).
• Température de fonctionnement du bain de traitement. La viscosité de la solution de traitement peut être réduite en augmentant la température du bain.
• Agents mouillants. La tension superficielle de la solution peut être réduite en ajoutant des agents mouillants au bain de traitement.
• Positionnement de la pièce. La pièce doit être positionnée sur la crémaillère de manière à ce que le film adhérent s'écoule librement et ne reste pas coincé dans des rainures ou des cavités.
• Temps de retrait ou de drainage. Plus une pièce est retirée rapidement du bain de traitement, plus le film à la surface de la pièce est épais.
• Couteaux à air. Souffler de l'air sur la pièce lorsque le support de pièces est élevé au-dessus du réservoir de traitement peut améliorer le drainage et le séchage.
• Spray rince. Ceux-ci peuvent être utilisés au-dessus des bains chauffés afin que le débit de rinçage soit égal au taux d'évaporation du réservoir.
• Bains de placage. Les carbonates et les contaminants organiques doivent être éliminés pour éviter l'accumulation de contamination qui augmente la viscosité du bain de placage.
• Planches de drainage. Les espaces entre les réservoirs de traitement doivent être recouverts de panneaux de drainage pour capturer les solutions de traitement et les renvoyer dans le bain de traitement.
• Réservoirs extractibles. Les pièces doivent être placées dans des cuves d'extraction (cuves de « rinçage statique ») avant l'opération de rinçage standard.

La récupération par entraînement des produits chimiques utilise une variété de technologies. Ceux-ci inclus:

• Évaporation. Les évaporateurs atmosphériques sont les plus courants et les évaporateurs sous vide offrent des économies d'énergie.
• Échange d'ion est utilisé pour la récupération chimique de l'eau de rinçage.
• Électro-extraction. Il s'agit d'un processus électrolytique par lequel les métaux dissous dans la solution sont réduits et déposés sur la cathode. Le métal déposé est ensuite récupéré.
• Électrodialyse. Cela utilise des membranes perméables aux ions et un courant appliqué afin de séparer les espèces ioniques de la solution.
• Osmose inverse. Celui-ci utilise une membrane semi-perméable pour produire de l'eau purifiée et une solution ionique concentrée. La haute pression est utilisée pour forcer l'eau à travers la membrane, tandis que la plupart des sels dissous sont retenus par la membrane.

Eau de rinçage

La plupart des déchets dangereux produits dans une installation de finition des métaux proviennent des eaux usées générées par les opérations de rinçage qui suivent le nettoyage et le placage. En augmentant l'efficacité du rinçage, une installation peut réduire considérablement le débit des eaux usées.

Deux stratégies de base améliorent l'efficacité du rinçage. Tout d'abord, des turbulences peuvent être générées entre la pièce et l'eau de rinçage par des rinçages par pulvérisation et une agitation de l'eau de rinçage. Le mouvement du rack ou l'eau ou l'air forcé sont utilisés. Deuxièmement, le temps de contact entre la pièce et l'eau de rinçage peut être augmenté. Plusieurs réservoirs de rinçage réglés à contre-courant en série réduiront la quantité d'eau de rinçage utilisée.

Revêtements Industriels

Le terme électrolytiques comprend les peintures, les vernis, les laques, les émaux et les gommes laques, les mastics, les bouche-pores et les scellants, les décapants pour peinture et vernis, les nettoyants pour pinceaux et les produits de peinture connexes. Les revêtements liquides contiennent des pigments et des additifs dispersés dans un mélange liquide de liant et de solvant. Les pigments sont des composés inorganiques ou organiques qui fournissent la couleur et l'opacité du revêtement et influencent l'écoulement et la durabilité du revêtement. Les pigments contiennent souvent des métaux lourds tels que le cadmium, le plomb, le zinc, le chrome et le cobalt. Le liant augmente l'adhésivité, la cohésion et la consistance du revêtement et est le composant principal qui reste sur la surface lorsque le revêtement est terminé. Les liants comprennent une variété d'huiles, de résines, de caoutchoucs et de polymères. Des additifs tels que des charges et des diluants peuvent être ajoutés aux revêtements pour réduire les coûts de fabrication et augmenter la durabilité du revêtement.

Les types de solvants organiques utilisés dans les revêtements comprennent les hydrocarbures aliphatiques, les hydrocarbures aromatiques, les esters, les cétones, les éthers de glycol et les alcools. Les solvants dispersent ou dissolvent les liants et diminuent la viscosité et l'épaisseur du revêtement. Les solvants utilisés dans les formulations de revêtements sont dangereux car nombre d'entre eux sont cancérigènes pour l'homme et sont inflammables ou explosifs. La plupart des solvants contenus dans un revêtement s'évaporent lorsque le revêtement durcit, ce qui génère des émissions de composés organiques volatils (COV). Les émissions de COV sont de plus en plus réglementées en raison des effets négatifs sur la santé humaine et l'environnement. Les préoccupations environnementales associées aux ingrédients conventionnels, aux technologies d'application de revêtement et aux déchets de revêtement sont une force motrice pour le développement d'alternatives de prévention de la pollution.

La plupart des revêtements sont utilisés sur des produits architecturaux, industriels ou spéciaux. Les revêtements architecturaux sont utilisés dans les bâtiments et les produits de construction et pour les services décoratifs et protecteurs tels que les vernis pour protéger le bois. Les installations industrielles intègrent des opérations de revêtement dans divers processus de production. Les industries de l'automobile, des boîtes métalliques, de la machinerie agricole, du revêtement en continu, des meubles et accessoires en bois et en métal et des appareils électroménagers sont les principaux consommateurs de revêtements industriels.

La conception d'une formulation de revêtement dépend du but de l'application du revêtement. Les revêtements offrent une esthétique et une protection contre la corrosion et la surface. Le coût, la fonction, la sécurité du produit, la sécurité environnementale, l'efficacité du transfert et la vitesse de séchage et de durcissement déterminent les formulations.

Procédés de revêtement

Il existe cinq opérations comprenant la plupart des processus de revêtement : manipulation et préparation des matières premières, préparation de surface, revêtement, nettoyage des équipements et gestion des déchets.

Manipulation et préparation des matières premières

La manipulation et la préparation des matières premières impliquent le stockage des stocks, les opérations de mélange, la dilution et l'ajustement des revêtements et le transfert des matières premières à travers l'installation. Des procédures et des pratiques de surveillance et de manipulation sont nécessaires pour minimiser la génération de déchets dus à la détérioration, au non-respect des spécifications et à une mauvaise préparation pouvant résulter d'un éclaircissage excessif et du gaspillage qui en résulte. Le transfert, qu'il soit manuel ou via un système de tuyauterie, doit être programmé pour éviter la détérioration.

Préparation de la surface

Le type de technique de préparation de surface utilisée dépend de la surface à enduire - préparation précédente, quantité de saleté, de graisse, du revêtement à appliquer et de la finition de surface requise. Les opérations de préparation courantes comprennent le dégraissage, le pré-revêtement ou la phosphatation et l'élimination du revêtement. Pour la finition des métaux, le dégraissage implique un essuyage au solvant, un nettoyage à froid ou un dégraissage à la vapeur avec des solvants halogénés, un nettoyage alcalin aqueux, un nettoyage semi-aqueux ou un nettoyage aux hydrocarbures aliphatiques pour éliminer les salissures organiques, la saleté, l'huile et la graisse. Le décapage à l'acide, le nettoyage abrasif ou le nettoyage à la flamme sont utilisés pour éliminer la calamine et la rouille.

L'opération de préparation la plus courante des surfaces métalliques, autre que le nettoyage, est le revêtement de phosphate, utilisé pour favoriser l'adhérence des revêtements organiques sur les surfaces métalliques et retarder la corrosion. Les revêtements de phosphate sont appliqués en immergeant ou en pulvérisant des surfaces métalliques avec une solution de phosphate de zinc, de fer ou de manganèse. La phosphatation est un processus de finition de surface similaire à la galvanoplastie, consistant en une série de bains chimiques et de rinçage dans lesquels les pièces sont immergées pour obtenir la préparation de surface souhaitée. Voir l'article « Traitement de surface des métaux » dans ce chapitre.

L'enlèvement de revêtement, chimique ou mécanique, est effectué sur des surfaces qui nécessitent un nouveau revêtement, une réparation ou une inspection. La méthode de retrait de revêtement chimique la plus courante est le décapage au solvant. Ces solutions contiennent généralement du phénol, du chlorure de méthylène et un acide organique pour dissoudre le revêtement de la surface revêtue. Un dernier lavage à l'eau pour éliminer les produits chimiques peut générer de grandes quantités d'eaux usées. Le sablage à l'abrasif est le processus mécanique courant, une opération à sec qui utilise de l'air comprimé pour propulser un agent de sablage contre la surface afin d'enlever le revêtement.

Les opérations de préparation de surface affectent la quantité de déchets issus du processus de préparation spécifique. Si la préparation de la surface est inadéquate, ce qui entraîne un mauvais revêtement, alors l'enlèvement du revêtement et le nouveau revêtement ajoutent à la génération de déchets.

enrobage

L'opération de revêtement implique le transfert du revêtement sur la surface et le durcissement du revêtement sur la surface. La plupart des technologies de revêtement appartiennent à 1 des 5 catégories de base : revêtement par immersion, revêtement au rouleau, revêtement par écoulement, revêtement par pulvérisation et la technique la plus courante, le revêtement par pulvérisation à air atomisé utilisant des revêtements à base de solvant.

Les revêtements par pulvérisation à air atomisé sont généralement réalisés dans un environnement contrôlé en raison des émissions de solvants et de la surpulvérisation. Les dispositifs de contrôle de la surpulvérisation sont des filtres en tissu ou des murs d'eau, générant soit des filtres usagés, soit des eaux usées provenant des systèmes d'épuration de l'air.

Le durcissement est effectué pour convertir le liant de revêtement en une surface dure, résistante et adhérente. Les mécanismes de durcissement comprennent : le séchage, la cuisson ou l'exposition à un faisceau d'électrons ou à une lumière infrarouge ou ultraviolette. Le durcissement génère des COV importants à partir des revêtements à base de solvant et pose un risque d'explosion si les concentrations de solvant dépassent la limite inférieure d'explosivité. Par conséquent, les opérations de durcissement sont équipées de dispositifs de contrôle de la pollution de l'air pour éviter les émissions de COV et de contrôle de sécurité pour éviter les explosions.

Les préoccupations environnementales et sanitaires, l'augmentation des réglementations affectant les formulations de revêtement conventionnelles, les coûts élevés des solvants et l'élimination coûteuse des déchets dangereux ont créé une demande pour des formulations de revêtement alternatives qui contiennent moins de composants dangereux et génèrent moins de déchets lorsqu'elles sont appliquées. Les formulations de revêtement alternatives comprennent :

• Revêtements à haut extrait sec, contenant deux fois plus de pigment et de résine dans le même volume de solvant que les revêtements conventionnels. L'application réduit les émissions de COV entre 62 et 85 % par rapport aux revêtements conventionnels à base de solvant à faible teneur en solides car la teneur en solvant est réduite.
• Revêtements à base d'eau en utilisant de l'eau et un mélange de solvants organiques comme support avec de l'eau utilisée comme base. Par rapport aux revêtements à base de solvants, les revêtements à base d'eau génèrent entre 80 et 95 % moins d'émissions de COV et de solvants usés que les revêtements conventionnels à base de solvants à faible teneur en solides.
• Revêtements en poudre sans solvant organique, constitué de pigments finement pulvérisés et de particules de résine. Il s'agit soit de poudres thermoplastiques (résine de haut poids moléculaire pour revêtements épais), soit de poudres thermodurcissables (composés de bas poids moléculaire qui forment une fine couche avant la réticulation chimique).

Nettoyage de l'équipement

Le nettoyage des équipements est une opération de maintenance de routine nécessaire dans les processus de revêtement. Cela crée des quantités importantes de déchets dangereux, en particulier si des solvants halogénés sont utilisés pour le nettoyage. Le nettoyage de l'équipement pour les revêtements à base de solvant a traditionnellement été effectué manuellement avec des solvants organiques pour éliminer les revêtements de l'équipement de traitement. La tuyauterie nécessite un rinçage avec du solvant par lots jusqu'à ce qu'elle soit propre. L'équipement de revêtement doit être nettoyé entre les changements de produit et après les arrêts de procédé. Les procédures et les pratiques utilisées détermineront le niveau de déchets générés par ces activités.

La gestion des déchets

Plusieurs flux de déchets sont générés par les procédés de revêtement. Les déchets solides comprennent les contenants de revêtement vides, les boues de revêtement provenant de la surpulvérisation et du nettoyage de l'équipement, les filtres usés et les matériaux abrasifs, le revêtement sec et les chiffons de nettoyage.

Les déchets liquides comprennent les eaux usées provenant de la préparation de la surface, du contrôle de la surpulvérisation ou du nettoyage de l'équipement, des matériaux de revêtement ou de préparation de surface hors spécifications ou en excès, de la surpulvérisation, des déversements et des solutions de nettoyage usées. Le recyclage sur site en boucle fermée devient de plus en plus populaire pour les solvants usés à mesure que les coûts d'élimination augmentent. Les liquides à base d'eau sont généralement traités sur place avant d'être rejetés dans des systèmes de traitement publics.

Les émissions de COV sont générées par tous les procédés de revêtement conventionnels qui utilisent des revêtements à base de solvant, nécessitant des dispositifs de contrôle tels que des unités d'adsorption de carbone, des condenseurs ou des oxydants catalytiques thermiques.

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