TECNOLOGÍA QUÍMICA Vol. XX, No. 1, 200040

ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO CORROSIVO DELPAR COBRE-ACERO AL CARBONO EN SOLUCIONES

ÁCIDAS, NEUTRAS Y ALCALINASRomelia Hing Cortón, Sandro Aldana Alvarez

Universidad de Oriente

El presente trabajo tiene el propósito de determinar la influencia que tiene el tratamientomagnético de soluciones acuosas de ácido clorhídrico y de hidróxido de sodio sobre la velocidadde corrosión del par cobre-acero al carbono.Se comprobó que la magnetización de las soluciones a diferentes valores de inducciones magné-ticas ejerce un efecto positivo en la disminución de la velocidad de corrosión, siendo este métodode protección superior al uso del mosto residuo de la destilería de alcohol etílico como inhibidor.Se concluyó, por último, que la combinación del uso del tratamiento magnético con inhibidor deadsorción, ejerce un efecto aun más favorable sobre la disminución de la velocidad de corrosión.Se obtuvo el modelo matemático que relaciona la velocidad de corrosión con el pH y la inducciónmagnética a la temperatura de trabajo.Palabras clave: corrosión, par galvánico, protección de metales.

In this work it has been determined the influence of the magnetic treatment upon the behavior ofthe galvanic couple copper-carbon steel in aqueous solutions of sodium hydroxide and hydrochloricacid solutions and its influence on the corrosion rate.It was demonstrated that the magnetic treatment of working solutions exerts a positive effect indecreasing the corrosion rate, and this protection method was better than the use of mosto (wasteresidual of ethylic alcohol production) as inhibitor.Better results have been obtained by using the combination of magnetic field and the inhibitor(sinergetic effect).It was also obtained the mathematical model which relates the corrosion rate with pHs values andmagnetic induction at the working temperature.Key words: corrosion, galvanic coupling, protection of metals.

Introducción

En la actualidad, uno de los problemas que sepresenta con más frecuencia es la corrosión du-rante la limpieza ácida y alcalina de los equiposintercambiadores de calor. Este es el caso delMINAZ, en el cual hay serios problemas decorrosión durante la limpieza ácida y alcalina delos evaporadores de los centrales azucareros, conel fin de eliminar las incrustaciones que afectan latransferencia de calor en los mismos, las queprovocan alteración de los parámetros de opera-ción y diseño, agravado esto por la presencia delpar galvánico cobre-acero al carbono.

Entre los métodos tradicionalmente utilizadospara disminuir la velocidad de corrosión está eluso de los inhibidores; actualmente se está estu-diando el efecto de la magnetización del medioagresivo, pues mediante pruebas realizadas se ha

comprobado que el mismo cambia alguna de suspropiedades, así como puede retardar en algunoscasos los procesos de electrodo, disminuyendo asíla velocidad de corrosión.

El presente trabajo forma parte de un tema deinvestigaciones, en el cual se ha realizado unestudio de los principales materiales de construc-ción, tales como el acero al carbono, cobre yaluminio en diferentes condiciones de trabajo, asícomo el efecto del pH y la temperatura. En eltrabajo se analiza el comportamiento del par co-bre-acero al carbono en soluciones ácidas, neu-tras y alcalinas magnetizadas y sin magnetizar;utilizando un inhibidor y por último, la combinacióninhibidor-medio magnetizado, con el objetivo dedeterminar los valores de inducción magnéticaque promueven la protección del par galvánicoantes mencionado con el fin de comparar estesistema de protección con el uso de un inhibidor de

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la corrosión, que en este caso fue la vinaza o elmosto, producto residual del proceso de obtencióndel alcohol etílico.

Fundamentación teórica. /1, 2, 6, 7/

La corrosión es el proceso de destrucción queexperimentan los materiales metálicos al ser ata-cados por los más diversos agentes químicos; esdecir, este fenómeno puede definirse como elataque químico o electroquímico que experimen-tan los materiales metálicos al reaccionar con unmedio agresivo y muchas veces, está aceleradopor la temperatura. Este ataque puede ser lentopero continuo.

En la actualidad, está establecido que por sunaturaleza o mecanismo general los fenómenosde corrosión pueden dividirse en dos grandesgrupos:- Corrosión química.- Corrosión electroquímica.

La diferencia entre estos dos grupos de proce-sos corrosivos hay que buscarla, fundamental-mente, en las características del proceso de inter-cambio electrónico entre el metal y el mediooxidante. Así, en el caso de la corrosión química,ésta se produce en un mismo punto: o zona de lasuperficie metal-medio corrosivo o metal-óxido-medio corrosivo, mientras que en el mecanismoelectroquímico, los procesos de oxidación de losmateriales metálicos ocurren en distintos puntos ozonas de la superficie metálica a los de la reduc-ción del medio oxidante.

La corrosión electroquímica ocurrirá en meta-les en contacto con soluciones electrolíticas, porlo general, acuosas, mientras que la corrosiónquímica ocurrirá en ausencia de dichas solucio-nes. El caso más estudiado de la corrosión quími-ca es la corrosión gaseosa de los materialesmetálicos a elevadas temperaturas, siendo la oxi-dación de dichos materiales el caso más típico. Atemperatura ambiente y en presencia de vapor deagua, el que de condensar, producirá una finapelícula de humedad, predominará el mecanismoelectroquímico.

Entre las formas en que puede clasificarse lacorrosión electroquímica se tienen:- Corrosión generalizada o uniforme.

- Corrosión localizada o no uniforme.

Dentro de la corrosión no uniforme se encuen-tra la corrosión galvánica por par metálico, la cualse presenta cuando dos materiales metálicos encontacto se encuentran en presencia de un mediocorrosivo. Para este tipo de corrosión el mejormétodo de protección es, a la hora del diseño, elno escoger materiales metálicos diferentes paraun mismo equipo. De ser posible, se tratará deaveriguar si existen series galvánicas de diferen-tes materiales en el medio agresivo con que se vaa trabajar. Entonces se tratará de construir elequipo de un mismo material metálico o de mate-riales metálicos con potenciales lo más cercanosposibles; de no ser así, se pueden utilizar otrosmétodos de protección, entre otros, el añadirinhibidores de la corrosión o magnetizar el medioagresivo.

Inhibidores de adsorción /1, 2, 6, 7/

El empleo de inhibidores de la corrosión es unode los métodos más universales y difundidos en elcombate anticorrosivo. Se definen comoinhibidores de la corrosión a aquellas sustanciasquímicas que, añadidas al medio corrosivo enpequeñas cantidades, producen una disminuciónapreciable de la velocidad de la corrosión. Losinhibidores en su acción superficial varían lavelocidad de las reacciones de oxidación-reduc-ción entre el metal y el medio oxidante. La formaen que esto se realiza puede variar en dependen-cia de la naturaleza del inhibidor, sus propiedadesquímicas, las características del mismo y delmedio corrosivo.

Las sustancias inhibidoras, por su naturalezaquímica, pueden ser inorgánicas y orgánicas. Es-tas últimas son las más abundantes y actualmentelas más utilizadas. Los inhibidores orgánicos deadsorción, como su nombre lo indica, son sustan-cias orgánicas que ejercen su acción al adsorbersesobre la superficie metálica mediante fuerzasfísicas o químicas. La adsorción química se efec-túa mediante el intercambio de pares electrónicosdel inhibidor a los orbitales incompletos de losmetales de transición.

Cuando la superficie metálica está saturadacon el adsorbente, un aumento de la concentra-

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ción de un inhibidor por encima de un cierto límite,no tiene efecto práctico sobre la adsorción, por loque no resulta económico sobrepasar este límite,pues no provoca un aumento de la eficiencia delinhibidor.

La efectividad de un inhibidor depende demuchos factores como son: concentración delinhibidor, naturaleza del material metálico, tipo yconcentración de la solución y la temperatura,entre otros. El empleo de inhibidores ofrece ven-tajas en comparación con otros métodos de pro-tección contra la corrosión, como son:- No requiere cambios tecnológicos.- Son sencillos y no contaminan.- Con su utilización se pueden sustituir materiales

costosos y deficitarios por otros comunes ybaratos.

Principio del tratamiento magnético /3, 4, 5/

En la ciencia contemporánea el magnetismoocupa una parte extensa que enlaza la mayoría delos campos de la física y estudia las interaccionesde las sustancias en el campo magnético. Losátomos de las sustancias están constituidos pornúcleos alrededor de los cuales giran electrones.Estos últimos, al poseer una carga eléctrica, for-man un cuadro microscópico con corriente.

Es conocido que el campo magnético ejerceuna acción orientadora sobre un cuadro con co-rriente, provocando el giro del cuadro alrededorde su propio eje; esto sucede porque sobre elcuadro colocado en un campo magnético actúa unmovimiento magnético. Si se considera una órbitaelectrónica como un contorno con corriente, alcolocarla en un campo magnético, y de acuerdocon la ley de Lenz, en el contorno debe inducirseuna fuerza electromotriz (FEM), surgiendo conesto un campo magnético dirigido contra un cam-po exterior.

La descripción de los efectos electroquímicosdemostró los cambios que existen en la velocidadde corrosión de diferentes metales en solucionesácidas y en agua con tratamiento magnético. Lasexperiencias realizadas en los laboratorios y encondiciones de operación demostraron que lossistemas con agua magnetizada permiten dismi-nuir la corrosión en diferentes metales. Se com-probó que en soluciones concentradas de sales, a

las cuales se añadieron muestras de acero 20,aleación de aluminio, bronce y placas de cobre, yluego de pasar un campo magnético, dio comoconclusión que la corrosión en estos materialesdisminuyó entre un 25,6 y 64,3%, respectiva-mente. Los resultados de estas experiencias de-muestran que el magnetismo como técnica es unmétodo efectivo y muy económico en el trata-miento de soluciones y en la lucha contra lacorrosión.

Métodos utilizados y condiciones delexperimento

Se utilizó el método galvanostático para deter-minar las densidades de corriente de cortocircui-to, así como el potencial de cortocircuito del pargalvánico cobre-acero al carbono; con las prime-ras se determinaron las velocidades de corrosióndel acero al carbono, por ser el material que secorroe, pues siempre será ánodo con respecto alcobre en este sistema. Las condiciones del expe-rimento fueron las siguientes:Valores de pH: 1, 3, 5, 7, 10 y 12Inducciones magnéticas (gauss) : 1 000, 850, 500

Las mismas se llevaron a cabo en:- El medio sin inhibidor ni magnetismo.- El medio con inhibidor y sin magnetismo.- El medio sin inhibidor y con magnetismo.- El medio con inhibidor y con magnetismo.

Todas las corridas se efectuaron a temperatu-ra ambiente, ya que el sistema utilizado no permitetrabajar a temperaturas elevadas. Como inhibidorse utilizó el mosto o vinaza, que es un residuo delproducto de las destilerías alcohólicas, en las quese obtiene el etanol a partir de la miel finalfermentada. Gran parte de este producto se de-secha, contaminando la bahía santiaguera.

El número de experimentos realizados permi-tió realizar un análisis estadístico, utilizando elprograma Statgraph 2.1 plus, llegando a obtener elmodelo matemático que correlaciona la velocidadde corrosión (DE) con la inducción magnética(IM) y el pH, siendo la expresión obtenida lasiguiente:DE = 0,224 29 - 0,235 IM - 0,088 5 pH - 0,063 5 (IM)(pH)

Error total = 0,014 272 7 %

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pH Er(Cu) (mV) Er(Ac) (mV) Ecc (mV) icc

(µA/cm2)

DP(kg/m2año)

DE(mm/año)

1 -160 -440 -275 42 2,554 9 0,3263 0 -390 -363 37 2,250 7 0,2875 -170 -340 -340 27 1,642 4 0,2107 -200 -540 -400 23,3 1,417 3 0,187

10 -200 -320 -275 19,7 1,198 3 0,15312 -160 -650 -230 18,3 1,113 2 0,142

pH Er(Cu) (mV) Er(Ac) (mV) Ecc (mV) icc

(µA/cm2)

DP(kg/m2año)

DE(mm/año)

1 -190 -560 -505 46 2,798 2 0,3563 -230 -512 -512 40 2,433 2 0,3105 -200 -650 -640 35,8 2,177 7 0,2777 -250 -760 -744 34 2,068 2 0,264

10 -239 -450 -360 19 1,155 8 0,14712 -339 -450 -395 15,5 0,942 9 0,120

pH Er(Cu) (mV) Er(Ac) (mV) Ecc (mV) icc

(µA/cm2)

DP(kg/m2año)

DE(mm/año)

1 -120 -460 -455 52 3,163 2 0,403 -120 -670 -540 43 2,615 7 0,335 -100 -500 -410 38,6 2,348 0 0,307 -120 -400 -345 38 2,311 5 0,29

10 -200 -520 -520 31 1,885 7 0,2412 -120 -400 -365 27 1,642 4 0,21

A continuación aparecen las tablas que resumen los resultados del trabajo.

Tabla 1Medio solo

Tabla 2Medio con inhibidor

Tabla 3Solución magnetizada IM=1 000 G

Tabla 4Solución magnetizada IM=850 G

pH Er(Cu) (mV) Er(Ac) (mV) Ecc (mV) icc

(µA/cm2)

DP(kg/m2año)

DE(mm/año)

1 -60 -660 -660 47,2 2,871 2 0,3663 -40 -530 -290 84 5,109 7 0,6505 -140 -560 -305 28 1,703 2 0,2177 -240 -420 -384 25 1,520 8 0,194

10 -320 -470 -320 17 1,034 1 0,13012 -220 -270 -250 13,3 0,810 0 0,100

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pH IM(Gauss)

Er(Cu)

(mV)

Er(Ac)

(mV)

Ecc

(mV)icc

(µA/cm2)

DP(kg/m2año)

DE(mm/año)

1 1 000 -260 -590 -300 33 2,007 4 0,2653 1 000 -270 -540 -540 33 2,007 4 0,2655 850 -482 -710 -600 18 1,094 9 0,1397 500 -240 -600 -455 17,2 1,046 3 0,133

10 850 -240 -547 -360 15 0,912 5 0,11612 850 -290 -340 -308 12,9 0,784 7 0,100

pH Er(Cu) (mV) Er(Ac) (Mv) Ecc (mV) icc

(µA/cm2)

DP(kg/m2año)

DE(mm/año)

1 -140 -580 -580 49,5 2,871 2 0,3663 -70 -999 -999 140,9 8,572 2 1,0925 0 -500 -23 18,3 1,113 2 0,1427 -40 -400 -50 18,5 1,125 4 0,143

10 -250 -620 -420 44 2,676 5 0,34112 -110 -370 -195 25,3 1,539 0 0,196

Tabla 6Solución magnetizada con inhibidor

Tabla 5Solución magnetizada IM= 500 G

Análisis y discusión de los resultados

En las tablas que se muestran se observan losresultados obtenidos, en los cuales la velocidad decorrosión está referida al acero al carbono en lascondiciones de trabajo. Sobre la base del análisisde los resultados es posible llegar a las siguientesconclusiones:

Se corrobora que el acero al carbono es ánodocon respecto al cobre, el cual funciona comocátodo, debido a que el potencial de corrosión delprimero es el más electronegativo en todos losmedios utilizados. Esto era de esperarse de acuerdocon la composición y comportamiento de los ace-ros al carbono y a la alta resistencia del cobre a lacorrosión en los medios estudiados.

El mosto como inhibidor presentó resultadosfavorables, pues disminuyó la velocidad de corro-sión del par en todos los medios utilizados. Tam-bién el efecto de un campo magnético tuvo efec-

Leyenda:Er: potencial de reposo (o de corrosión) del material metálico.Ecc: potencial de cortocircuito del par galvánico.icc: densidad de cortocircuito en el potencial de cortocircuito.

tos favorables en la protección del par, ya quedisminuyó la velocidad de corrosión en todos losmedios util izados, habiendo ejercido lamagnetización un efecto protector mayor que elmosto como inhibidor, ya que las velocidades decorrosión obtenidas con la presencia del campomagnético fueron menores que las obtenidas conel inhibidor.

Se comprobó que el uso de un inhibidor combi-nado con el campo magnético con los mejoresvalores de la inducción magnética, ofrece mejoresresultados que el uso del campo magnético, solo ypor tanto, que el inhibidor solo; esto se debe a quelos efectos de ambos se refuerzan, conociéndoseeste fenómeno como sinergismo.

En los gráficos log i vs E se observó que elacero al carbono, que es ánodo, se polariza muypoco, quedando el potencial de cortocircuito delsistema (Ecc) muy cercano al potencial de corro-sión del acero, presentando el cobre una mayor

(gauss) (mV) (mV)

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polarización en la mayoría de los casos. En lascurvas obtenidas se evidencia que en la mayoríade los casos controlan las reacciones de transfe-rencia electrónica; sin embargo, a un pH igual a 7,se observa una tendencia a una onda plana en lacurva de polarización del cobre, lo cual indica uncierto control de la difusión, o la tendencia a laformación de una capa protectora que tiende adisminuir la velocidad de corrosión.

Conclusiones

1. La magnetización de las soluciones de trabajodisminuye la velocidad de corrosión del parcobre-acero al carbono en el rango de induc-ción magnética entre 500 y 1 000 G, con res-pecto al medio solo y al medio con la presenciade un inhibidor.

2. El mejor valor de inducción magnética para elpar fue el de 1 000 G para los valores de pH 1y 3; el de 850 G para los valores de pH 5, 10 y12 y el de 500 G para pH 7.

3. El uso del campo magnético, combinado con elmosto como inhibidor de la corrosión, ejerce unefecto favorable mayor que el campo magné-

tico solo, manifestándose el fenómeno delsinergismo.

4. En el par cobre-acero al carbono el cobre estáprotegido por el acero, el cual se corroe másintensamente en los medios utilizados.

Bibliografía

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UNIVERSIDAD DE ORIENTE

Facultad de Ingeniería Química

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Título: Separaciones mecánicas

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