Millise titaaniklassi (või alternatiivse metalli) keemilises söövitusvannis, mis sisaldab vesinikfluoriid- ja lämmastikhapet, peaks asendama klassi 2, et ellu jääda üle 48 tunni?
Jäta sõnum
Titaani ja roostevaba terase keemilised söövitusvannid sisaldavad tavaliselt vesinikfluoriidhappe (HF) ja lämmastikhappe (HNO₃) segu. HF tagab mitteväärismetallide agressiivse lahustumise, samal ajal kui HNO₃ toimib oksüdeeriva ainena, et kontrollida reaktsioonikiirusi ja parandada pinnaviimistlust. Tavaline koostis on 10% HF + 20% HNO₃ vees, mis töötab 25–40 kraadi juures. 2. klassi titaan, vaatamata oma suurepärasele korrosioonikindlusele paljudes keskkondades, lahustub kiiresti HF-kandvates lahustes. Fluoriioonid komplekseeruvad titaanioonidega ja takistavad passiivse kile teket. Tüüpilises söövitusvannis kaotab 2. klassi titaan seina paksusest 0,5–1,0 mm tunnis, mis viib standardse 1,2 mm toru täieliku perforatsioonini 2–3 tunni jooksul. Et püsida kauem kui 48 tundi kumulatiivset kokkupuudet, tuleb valida mõni muu materjal-kas spetsiaalne titaanisulam või alternatiivne metall-.
Titaani kiire 2. klassi rünnaku mehhanism HF/HNO₃ segudes
HF-sisaldavates lahustes lahustub passiivne TiO₂ kile koheselt: TiO₂ + 6F⁻ + 4H⁺ → TiF₆²⁻ + 2H₂O. Ilma kaitsekileta korrodeerub selle all olev titaanmetall aktiivselt. Segus sisalduv lämmastikhape ei taasta titaani, kuna fluoriidioonid eemaldavad pidevalt tekkiva oksiidi. Korrosioonireaktsioon on ühtlane ja kiire: Ti + 6HF → TiF₆²⁻ + 2H⁺ + 2H₂. Vesiniku eraldumise reaktsiooni kiirendab ka HF. Tulemuseks on lineaarne materjalikadu ilma inkubatsiooniperioodita. 2., 7. ja 12. klassi titaan sisaldavad mitteväärismetallina titaani, seega on kõigil HF/HNO₃ segudes sama rünnakukiirus.
Alternatiivsete titaaniklasside jõudlus HF/HNO₃
Kontrollitud sukelduskatse 10% HF + 20% HNO₃ temperatuuril 30 kraadi on tuvastanud järgmised korrosioonimäärad:
2. klass (kaubanduslikult puhas): korrosioonikiirus 0,8 mm tunnis{1}} mm toru perforeeritud 1,5 tunniga. Ei sobi peale ühekordse-kasutatavate küttekehade.
7. klass (Ti-0,15 Pd): Korrosioonikiirus 0,7 mm tunnis. Pallaadium ei anna mingit kasu, sest väärismetallide katalüüsiks on vaja tervet passiivset kilet, mis puudub. Sarnane 2. klassiga.
12. klass (Ti-0,3Mo-0,8Ni): Korrosioonikiirus 0,6 mm tunnis. Molübdeeni ja nikli lisandid pakuvad marginaalset paranemist, kuid ei ole piisavad 48-tunniseks ellujäämiseks.
5. klass (Ti-6Al-4V): Korrosioonikiirus 0,5 mm tunnis. Alfa-beeta-mikrostruktuur lahustub eelistatavalt beetafaasi piiridel, põhjustades teradevahelise rünnaku. Ei soovita.
Alternatiivne metallivalik HF/HNO₃ teenuse jaoks
Järgmises tabelis on võrreldakse alternatiivseid metalle, mis võivad HF/HNO₃ söövitusvannides vastu pidada 48 tundi või kauem.
| Metall või sulam | Korrosioonikiirus 10% HF+20% HNO₃ temperatuuril 30 kraadi (mm/aastas) | Aeg läbistada 1,5 mm seina | Maksimaalne ohutu töötamise HF% | Kuluindeks (klass 2=1.0) |
|---|---|---|---|---|
| Tantaal (legeerimata) | 0,05 mm/aastas | 30,000+ tundi (3.4+ aastat) | Kuni 60% HF | 15–20 |
| Tsirkoonium (R60702) | 0,08 mm/aastas | 18 750 tundi (2,1 aastat) | Kuni 50% HF | 8–10 |
| Hastelloy C-276 | 1,2 mm/aastas | 1,25 tundi (75 minutit) | Ei soovita | 3–4 |
| Kõrge -räniga malm (Duriron) | 0,3 mm/aastas | 5000 tundi (7 kuud) | Kuni 15% HF | 2–3 |
| PTFE (polümeer, mitte metall) | 0,00 mm/aastas (keemiliselt inertne) | Piiramatu (mehaanilise tugevuse piirid) | Ükskõik milline | 1,5–2 (metallist toega) |
| Tantaal{0}}kaetud titaan | Sama mis tantaal (0,05 mm/aastas) | 30,000+ tundi | Kuni 60% HF | 10–12 |
Praktiline valikujuhend 48-tunnise ellujäämise nõude kohta
Küttekeha puhul, mis peab vastu pidama 48 kumulatiivset tundi HF/HNO₃ söövitusvannis sukeldamist, peab materjali korrosioonikiirus olema alla ligikaudu 0,03 mm tunnis (läbivus 0,03 mm/h × 48 h=1.44 mm). Sellele nõudele vastavad ainult tantaal, tsirkoonium ja PTFE:
Tantaal: Parim üldine korrosioonikindlus. Moodustab stabiilse Ta2O5 kile, mis talub HF-i kuni 60% kontsentratsioonini alla 50 kraadi. Maksimaalne töötemperatuur 150 kraadi. Kõrge hind, kuid pakub aastakümneid kestvat teenust. Keevitatav ja valmistatav.
Tsirkoonium: Suurepärane alternatiiv madalamate kuludega. Talub HF-i, moodustades ZrO₂-kile, mis on fluoriidikeskkonnas stabiilsem kui TiO₂. Maksimaalne HF kontsentratsioon 50% 30 kraadi juures. Kui lämmastikhappe kontsentratsioon langeb alla 10%, on see vastuvõtlik.
PTFE (polütetrafluoroetüleen): HF/HNO₃ segude suhtes keemiliselt inertsed. Kasutatakse vooderdusena metallsubstraadi kohal (tavaliselt süsinikterasest või titaanist konstruktsiooni toetamiseks). Maksimaalne töötemperatuur 200 kraadi. Soojusjuhtivus on väga madal (0,25 W/m·K vs . 21 W/m·K titaani puhul), seega vajavad kütteseadmed palju suuremat pinda.
Teadliku spetsifikatsiooni koostamine
Kui määrate küttekeha HF/HNO₃ söövitusvannile, mis vajab üle 48-tunnist eluiga, ärge valige ühtegi titaani klassi. 2., 7. ja 12. klass ebaõnnestuvad mõne tunni jooksul. Rakenduste jaoks, kus kulud on teisejärgulised ja töökindlus on ülitähtis, määrake tahke tantalist sukelkütteseade. Kulutundlikumate-rakenduste jaoks määrake tsirkooniumküttekeha, mille seinapaksus on vähemalt 2,0 mm. Madalaima hinnaga variandi jaoks, mis tagab endiselt 48{11}}tunnise eluea, määrake PTFE-särgiga titaansoojendi, kus PTFE tagab keemilise vastupidavuse (0,5–1,0 mm paksune) ja titaan toetab struktuuri. Küsige tarnijalt korrosioonikatse sertifikaate kavandatud vanni konkreetse HF/HNO₃ suhte ja temperatuuri kohta. Töötamise ajal jälgige iga päev HF kontsentratsiooni; HF-i tõus üle 15% suurendab tsirkooniumi korrosioonikiirust 10 korda. Valides alternatiivse metalli, mitte üritades muuta titaani klasse, tagab insener küttekeha usaldusväärse jõudluse ühes vähestest keskkondadest, kus titaan on põhimõtteliselt sobimatu.
