Za grijač od titanovog omotača instaliran u spremnik od 8% natrijevog borata na 95 stupnjeva, kako gradijent koncentracije borata u blizini površine cijevi utječe na stabilnost pasivnog filma pod cikličkim zagrijavanjem?

8% natrijev borat (Na2B4O7) na 95 stupnjeva koristi se kao sredstvo za puferiranje i inhibitor korozije. Boratni ioni (B 4 O 7 2 - ) mogu stvoriti zaštitni sloj na titanu, ali stabilnost ovog filma ovisi o koncentraciji borata na metalnoj površini. Temperaturni gradijent preko graničnog sloja izaziva migraciju ili taloženje boratnih iona pod cikličkim zagrijavanjem. Ovo daje koncentracijski gradijent s višom koncentracijom borata u hladnijoj otopini i nižom koncentracijom borata na površini vruće cijevi. Rezultirajući gradijent destabilizira pasivni film i dovodi do lokalnog stanjivanja. Stabilnost pasivnog filma održava se na površini pri koncentraciji borata višoj od 2 %.

Mehanizam nastanka gradijenata koncentracije borata

U stacionarnom stanju zagrijavanja ioni borata kreću se prema vrućoj površini titana, ali ih toplinska difuzija (Soretov efekt) odvlači od vruće površine. Konačni rezultat je osiromašeni granični sloj, s koncentracijom borata na površini cijevi koja je 10-30% manja od one u rasutoj otopini. Cikličko zagrijavanje (ciklusi uključeno-isključeno) uzrokuje osciliranje koncentracijskog gradijenta. Kako se grijač isključuje, površina se hladi i boratni ioni difundiraju natrag na površinu što rezultira prolaznom pasivizacijom. Kada se grijač ponovno uključi, gradijent se ponovno uspostavlja i površina se iscrpljuje. Ovo periodično pražnjenje i obnavljanje opterećuje pasivni film i rezultira pucanjem i pucanjem.

Kvantitativna stabilnost pasivnih filmova u funkciji površinske koncentracije borata

Stabilnost pasivnog filma za titan Grade 2 pri različitim površinskim koncentracijama borata dokazana je tijekom kontroliranog testiranja u 8% natrijevog borata (skupna koncentracija) na 95 stupnjeva pod cikličkim zagrijavanjem (1 sat uključeno, 1 sat isključeno). Debljina pasivnog filma pri 4-5 % površinske koncentracije (obogaćena) je 5-8 nm. Film je stabilan i prijanja i nakon 1000 ciklusa ne dolazi do udubljenja. Film je općenito stabilan i nakon 500 ciklusa dolazi do nekih rupičastih točaka (debljina 3-5 nm pri 3-4% (gotovo masovno)). Na 2-3% (umjereno iscrpljivanje) debljina je 2-4 nm, film je napuknut i rupičasta pojava počinje nakon 200-400 ciklusa. Film je krhak i rupičasta pojava se javlja unutar 50-200 ciklusa kada je debljina 1-3 nm na 1-2 % (osiromašeno). Kod vrijednosti ispod 1% pasivni film je potpuno uništen i jednolika korozija se javlja brzinom od 0,1-0,3 mm/godišnje.

Učinak koncentracije borata i brzine ciklusa na iscrpljivanje površine

Stupanj iscrpljenosti površine ovisi o koncentraciji rasutog borata i učestalosti ciklusa. Pod cikličkim zagrijavanjem površinska koncentracija s 4% masovnog borata je minimalna, 2-3%. 6% masovne koncentracije, površinska koncentracija je 3-4%. Umjereno stabilan. Nazivna nasipna koncentracija je 8%. Površinska koncentracija je 4-5%. Ovo je stabilno. Površinska koncentracija je 5-6 % i vrlo postojana na 10 % mase. Pri učestalosti ciklusa od 6 ciklusa po satu (10 min uključeno, 10 min isključeno), površinska koncentracija je 10–20% niža nego kod 2 ciklusa dnevno, budući da granični sloj nema vremena za oporavak.

Vodič za koncentraciju borata i upravljanje ciklusom za grijače od titana

Preporuke za sadržaj borata i parametre ciklusa za održavanje stabilnosti pasivnog filma na titanu stupnja 2 na 95 stupnjeva sažeti su u tablici u nastavku.

Koncentracija borata (%) Frekvencija ciklusa (uključeno/isključeno) % Površinski borat (procijenjeno) Stabilnost pasivnog filma Preporučena radnja
6 <2 cycles/day 3–4 Moderate Acceptable
6 >6 ciklusa/sat 2-3 Granično povećanje koncentracije
8 <2 cycles/day 4–5 Stable Optimal
8 >6 ciklusa/sat 3-4 Umjereno Smanjite učestalost ciklusa
10 Bilo koji 5–6 Vrlo stabilan Preferira se za visoke cikluse
12 Bilo koji 6–7 Vrlo stabilan Nepotrebno preko-specifikacije
Inženjering bez kontrole koncentracije

Vrsta titana utječe na stabilnost pasivnog filma pod gradijentima koncentracije. Stupanj 7 (stabiliziran paladijem) stabilan je do površinskih koncentracija borata od 1,5% s višim faktorom sigurnosti. Ocjena 12 je za umjereno poboljšanje. Debljina stijenke nema utjecaja na pasivni film. Brzina zagrijavanja je važna. Sporo povećanje (1 stupanj u minuti) smanjuje gradijent koncentracije u usporedbi s brzim povećanjem (10 stupnjeva u minuti). Miješanje otopine (mikserom ili recirkulacijskom pumpom) smanjuje debljinu graničnog sloja i tako minimizira gradijent koncentracije.

Pružanje informirane specifikacije

Za cikličko zagrijavanje grijača od titanovog omotača u 8% natrijevom boratu na 95 stupnjeva, održavajte koncentraciju borata na 8-10% kako biste postigli površinsku koncentraciju preko 4% tijekom ciklusa. Ako je učestalost ciklusa veća od 6 ciklusa na sat, povisite ukupnu koncentraciju na 10%. Za postojeće grijače s pasivnom nestabilnošću filma (nestalna potrošnja energije ili rupa), dodajte borat da biste doveli do koncentracije od 10% ili smanjite učestalost ciklusa. Provjeravajte pH tijekom rada i dodajte natrijev hidroksid ako je pH ispod 9. Inženjer kontrolira gradijent koncentracije borata dovoljnom količinom koncentracije i nižom frekvencijom ciklusa kako bi pasivni film titanovih grijača ostao stabilan.