Kada se fosforna kiselina (30-50%) zagrijava na 100 stupnjeva, zašto onečišćenje otopljenim željezom ubrzava koroziju titana iznad prihvatljivih stopa?

Oprema za grijanje od titana u radu s fosfornom kiselinom pokazuje kontradiktorno ponašanje. Titan stupnja 2 u kemijski čistoj 30-50% fosfornoj kiselini na 100 stupnjeva ima nisku stopu korozije od 0,05-0,10 mm godišnje, što je unutar prihvatljivih granica za cijevi grijača. Međutim, industrijska fosforna kiselina mokrim postupkom (WPA) dobivena digestijom fosfatne stijene sadrži mnogo nečistoća, a među njima najrazorniji učinak na otpornost titana na koroziju ima otopljeno željezo (Fe2+ i Fe3+). Čak i onečišćenje željezom od 0,5% može povećati stope korozije titana za faktor od 10 do 50, što dovodi do perforacije cijevi u mjesecima, a ne godinama. Ovaj članak opisuje elektrokemijski mehanizam ubrzane korozije izazvane željezom i određuje sigurne granice sadržaja željeza za rad titanskih grijača.

Mehanizam ubrzanja korozije preko željeza
Pasivni film na titanu u fosfornoj kiselini uglavnom se sastoji od TiO 2 s integriranim fosfatnim vrstama. Film je stabilan između niza elektrokemijskih potencijala. Otopljeni ioni željeza, uglavnom Fe³⁺, su redoks šatlovi koji kruže između Fe³⁺ i Fe²⁺ na površini titana. Svaki Fe³⁺ ion koji dođe u kontakt s površinom uzima elektron od titana (reducirajući se u Fe²⁺), zatim difundira i ponovno se oksidira u Fe3⁺ pomoću otopljenog kisika. Ovo stalno redoks kruženje uspješno prenosi elektrone iz metalnog titana u otopinu, zaobilazeći zaštitni pasivni premaz.

Elektrokemijska mjerenja pokazuju veličinu ovog učinka. Potencijal korozije titana Grade 2 u čistoj 40% H₃PO₄ na 100 stupnjeva stabilizira se između +150 i +250 mV u odnosu na SCE s pasivnom gustoćom struje od 5 µA/cm². Dodatak 0,5% Fe3+ (u obliku željeznog fosfata) podiže potencijal korozije na +400 do +550 mV u odnosu na SCE i povećava gustoću pasivne struje na 50-100 µA/cm2. Kod 1,0% željeza gustoća struje je 200-300 µA/cm 2 i odgovara brzini korozije od 0,5-0,8 mm godišnje. Na 2,0% željeza, stope su veće od 1,5 mm/godišnje.

**Kritično ograničenje željeza u servisu grijača**
Dugotrajno-testiranje izlaganja titanu Grade 2 u fosfornoj kiselini na 100 stupnjeva pronalazi praktičnu granicu za željezo. Kod otopljenog željeza ispod 0,2% stope korozije su ispod 0,10 mm/godišnje, što je dovoljno za 10 godina vijeka trajanja grijača s debljinom stijenke od 1,5 mm. Brzine su 0,15-0,30 mm/godišnje na 0,2 do 0,5% željeza što bi smanjilo predviđeni vijek trajanja na 3-5 godina s tipičnom debljinom stijenke. Stope korozije iznad 0,5% željeza su previsoke (više od 0,5 mm godišnje) i uključuju lokalizirano udubljenje koje doprinosi dodatnom gubitku metala.

Mokri{0}}proces fosforne kiseline obično sadrži 0,8-1,5% otopljenog željeza iz nečistoća fosfatnih stijena. WPA isparivači i koncentratori koriste grijače od titana, koji brzo korodiraju u nedostatku prethodne obrade za uklanjanje željeza ili nadogradnje na otporniju leguru titana. Titan stupnja 7 (Ti-0,15Pd) poboljšava toleranciju na željezo, sa stopama ispod 0,15 mm godišnje na 0,8% željeza, međutim čak ni stupanj 7 ne uspijeva iznad 1,2% željeza.

Matrica primjene i strategije ublažavanja
Izvor fosforne kiseline Tipičan sadržaj željeza Preporučeni materijal grijača Očekivana stopa korozije Životni vijek (stjenka 1,65 mm)
Pročišćeni (toplinski proces) titan Grade 2<0.05% 0.05-0.08 mm/year 15-20 years WPA, solvent-extracted Grade 2 titanium (1.65-2.0 mm) 0.2-0.4% 0.10-0.15 mm/year 8-12 years WPA, untreated (low iron rock) Grade 7 titanium (2.0 mm) 0.5-0.8% 0.12-0.20 mm/year 6-10 years WPA, untreated (high iron rock) Grade 7 + iron removal system 0.8-1.5% 0.20-0.40 mm/year 3-5 years
Superphosphoric acid (>70% P₂O5) Varijabilni cirkonij ili tantal N/A Titan se ne preporučuje
Sažetak specifikacija grijača fosforne kiseline
Onečišćenje otopljenog željeza više od 0,2% u fosfornoj kiselini na 100 stupnjeva potiče koroziju titana pomoću redoks cikličkog mehanizma koji zaobilazi zaštitu koju pruža pasivni film. Za kiselinu mokrog procesa s tipičnim udjelom željeza od 0,8 do 1,5 %, titanski grijači stupnja 2 otkazat će za 2 do 3 godine. Inženjeri su suočeni s izborom određivanja titana razreda 7 (koji gura toleranciju željeza na približno 0,8%) ili dodavanja koraka uklanjanja željeza (ekstrakcija otapalom, ionska izmjena) uzvodno od grijača. Kada kupujete grijače od titana za uslugu fosforne kiseline, uvijek tražite kupon za ispitivanje korozije koji je bio podvrgnut stvarnoj procesnoj kiselini i zahtijevajte minimalnu debljinu stjenke od 2,0 mm za stupanj 2 ili 1,65 mm za stupanj 7 u kiselini koja sadrži željezo-.