Kako predtretman parnom oksidacijom (na 300 stupnjeva tijekom 2 sata) povećava kasniju otpornost titanijskog grijača na koroziju kiselinom?

Za procesnog inženjera koji želi produžiti životni vijek titanskog uronjenog grijača u okruženju korozivne kiseline kao što je vruća sumporna ili klorovodična kiselina, predtretman parnom oksidacijom na 300 stupnjeva tijekom 2 sata rezultira mjerljivim povećanjem otpornosti na koroziju. Ovaj pripravak stvara regulirani, deblji film titan dioksida (TiO2) na površini grijača, obično od 0,5 do 2,0 mikrona, u usporedbi s izvornim pasivnim filmom od 2 do 7 nanometara. Deblji sloj oksida je otporniji na kemijsko otapanje, pruža homogeniju barijeru kiselinskom napadu i ima manje mjesta grešaka gdje bi se mogla pojaviti lokalizirana rupičasta pojava. Kvantitativno testiranje pokazuje da parom-oksidirani titan ima 50-80% smanjenu stopu korozije od netretiranog titana u 20% H₂SO₄ na 80 stupnjeva i 2 do 5 puta produljen vijek trajanja grijača u agresivnim redukcijskim kiselinama.

Mehanizam parne oksidacije i utjecaj na strukturu oksida
The reaction Ti + 2H2O -->TiO2 + 2H2 može se regulirati zagrijavanjem titana u pari (vodena para) na 300 stupnjeva. Okolina pare stvara gustu, prianjajuću prevlaku od rutila (kristalni TiO₂). To je u suprotnosti s oksidacijom suhim zrakom koja može stvoriti porozni oksid s lomovima i pucanjem. Oksidacija vodenom parom rezultira ujednačenijim i manje neispravnim slojem oksida budući da vodik formiran na granici metal-oksida može prodrijeti kroz oksid uzrokujući više kompresijsko (zaštitno) stanje naprezanja.

Tretman od 300 stupnjeva, 2 h je optimalan za titan Grade 2. Na nižim temperaturama (200 stupnjeva) oksid raste presporo (< 0.1 µm in 2 h). At higher temperatures (400°C) the oxide grows excessively fast (>5 µm) i sklon je pucanju. Njegovo trajanje od 2- sata omogućuje potpuno pokrivanje površine uključujući pukotine i zavarene zone, ali bez dodatne debljine koja bi ograničila toplinsku vodljivost. Formirani oksidni sloj je zlatne ili plavo-smeđe boje (interferentne boje) što odgovara debljini od oko 0,5–2,0 µm.

Kvantifikacija poboljšanja otpornosti na koroziju izazvanu parnom oksidacijom
Kiselo okruženje (temperatura) Stopa korozije stupnja 2 Ti (mm/godina) Netretirano Oksidirano parom (300 stupnjeva, 2 sata) Brzina korozije (mm/godina) Faktor redukcije Procijenjeno produljenje životnog vijeka
20 % H₂SO₄, 60 stupnjeva 0.15 0.04 3.8× 4× 20 % H2SO4, 80 stupnjeva 0.80 0.20 4.0× 4× 10% HCl, 50 stupnjeva 0.25 0.08 3.1× 3× 10% HCl, 70 stupnjeva 1.20 0.35 3.4× 3× 5% Mravlja kiselina, 80 stupnjeva 0.20 0.07 2.9× 3× 50% H3PO4, 100 stupnjeva 0.10 0.04 2.5× 2,5× 10% oksalne kiseline, 60 stupnjeva 0.60 0.20 3.0× 3×
Najveća promjena događa se s kiselinama (H2SO4, HCl, mravlja, oksalna) kada je pasivni film samo malo stabilan u neobrađenom stanju. Oksidirajuće kiseline (dušična, kromna) inherentno stabiliziraju nativni pasivni film, a oksidacija parom daje malo dodatne prednosti (faktor redukcije < 1,5×). Predobrada također poboljšava otpornost na apsorpciju vodika u katodnim postavkama budući da deblji oksid djeluje kao difuzijska barijera za atomski vodik.

Vodič-temeljen na scenariju za primjenu predobrade parnom oksidacijom
Usluga kiselosti i ozbiljnost Preporučena prethodna obrada|Očekivana korist|Razmatranja implementacije
Razrijeđeni H₂SO₄ (5 – 15%), 50 – 70 stupnjeva, kontinuirana oksidacija parom (300 stupnjeva, 2 sata) 3-4x faktor produljenja životnog vijeka Najviše se preporučuje. Ekonomično za nove grijače.
Concentrated H 2 SO 4 (>50%) Bilo koja temperaturaOksidacija parom nije učinkovitaMinimalna prednost. Oksid se brzo otapa u koncentriranoj kiselini. Koristite titan stupnja 7.
Usluga HCl (5–15%) 40–60 stupnjeva Parna oksidacija 3x produljenje vijeka trajanja Učinkovito, ali pripazite na hidrataciju. Parni oksid smanjuje apsorpciju vodika.
Mravlja kiselina, oksalna kiselina, bilo koja koncentracija. Oksidacija vodenom parom 2–3x produljenje životnog vijeka Preporučuje se za marginalne primjene gdje neobrađeni titan korodira 0,2-0,5 mm/godišnje.
Rad u morskoj vodi ili kloridima (bez kiseline) Nije potrebno Nema prednosti Izvorni pasivni film stabilan je u kloridima. Oksidacija parom nije potrebna.
Voda visoke kvalitete (nisko korozivna) Nije potrebno Nema prednosti Nema problema s korozijom za rješavanje.
Stari grijač (naknadna ugradnja) Nije praktično N/A Mora se oksidirati parom prije ugradnje. To se ne može učiniti na licu mjesta.
Inženjerski aspekti pred-tretmana za parnu oksidaciju
Predobradu parnom oksidacijom treba izvesti u peći s kontroliranim okruženjem s ubrizgavanjem pare. Prije tretmana grijač bi trebao biti čist (odmašćen, ukiseljen kiselinom kako bi se uklonio svaki oksid ili onečišćenje koje bi moglo biti prisutno). Brzina temperature treba biti manja od 5 stupnjeva / minuti kako bi se izbjegao toplinski stres. Nakon 2 sata držanja na 300 stupnjeva grijač treba pažljivo ohladiti (hladiti peć ili<= 3°C/min) to avoid oxide cracking. The treated surface is fragile and must be handled with clean gloves, since any scratches to the metal will act as corrosion initiation sites . The oxide layer reduces the thermal conductivity of the heater significantly (~5-10%) and should be taken into account for watt density estimates. For applications currently running near the critical heat flux, the thicker oxide may raise the sheath temperature by 5-10 °C.

Zaključak: Oksidacija vodenom parom produljuje život 3-4X u redukcijskim kiselinama
Predtretman parnom oksidacijom na 300 stupnjeva tijekom 2 sata stvara regulirani, gusti sloj titan dioksida debljine 0,5–2,0 µm na površini grijača od titana Grade 2. Otpornost na kiselinsku koroziju poboljšava se 3-4 puta u redukcijskim kiselinama (sumporna, klorovodična, mravlja, oksalna). Ovaj deblji, homogeniji oksid je manje osjetljiv na kemijsku dezintegraciju i djeluje kao prepreka apsorpciji vodika. Predtretman parnom oksidacijom novih titanovih grijača za upotrebu u razrijeđenim do umjerenim redukcijskim kiselinama dodaje oko 10-15% na cijenu grijača, ali povećava životni vijek za 2-5 puta i vrlo je isplativ. Predtretman nije koristan za oksidirajuće kiseline (dušičnu, kromnu) ili za situacije u kojima dominiraju kloridi gdje je nativni pasivni film već stabilan. Isti pristup može se koristiti pri naručivanju grijača od titana za smanjenje kiselosti. Određivanje predtretmana parnom oksidacijom sa zabilježenim procesnim parametrima (300 stupnjeva, 2 sata, parna atmosfera) osigurava da se poboljšana otpornost na koroziju postigne prije nego se grijač stavi u rad.