Ved hvilken specifik kombination af svovlsyrekoncentration og temperatur kræver en 2,0 millimeter 316 rustfri stålkappe nedsættelse under 5 watt pr. kvadratcentimeter for at forhindre aktiv korrosion i metalbejdsebade?

Procesingeniører, der bygger elektriske dyppevarmere til metalbejdsebade i stålværker og metalfremstillingsindustrier, står over for en af ​​de mest barske betingelser for 316 rustfri stålkapper, når de står over for svovlsyre ved ekstreme temperaturer. Bejdsebade drives almindeligvis ved temperaturer på 60 til 90 grader og svovlsyrekoncentrationer på 10 til 25 %, ofte med opløste jernsalte, hvilket komplicerer korrosionsadfærden yderligere. En 2,0 mm vægtykkelse vælges ofte for at tillade korrosion og for at give mekanisk modstandsdygtighed over for badturbulens og kontakt med emnet. Kørsel ved normale watt-densiteter på 8-12 W/cm2 bevirker dog, at kappens overfladetemperatur er 20-40oC højere end bulkbadtemperaturen, hvilket kan føre til, at kappen går ind i det aktive korrosionsregime med korrosionshastigheder på mere end 5 mm om året. I dette papir identificerer vi de anvendelige temperatur-koncentrationskombinationer, for hvilke en 2,0 mm 316 kappe skal reduceres til under 5 W/cm2 for at forblive inden for det passive korrosionsregime.

316 rustfrit stål i svovlsyre: Overgangen fra passiv til aktiv
Artikel 30 fastslår, at i svovlsyre er den passive-aktive overgang af 316 rustfrit stål i høj grad afhængig af temperatur og koncentration. Korrosionshastigheder er < 0,2 mm yr−1 i det passive regime. I det aktive regime er hastighederne 5-20 mm om året. Bejdsebadsbetingelsernes overgangsgrænse følger en vis kurve. Overgangstemperaturen for 10 pct. svovlsyre er omkring 55 grader C. Ved 15% er 45 graders overgang. Ved 20% falder det til 38 grader. Den bliver op til 32 grader . - 25%. For et varmelegeme i et bulkbad ved 70 grader med 15 % svovlsyre er bulktilstanden alene allerede over 45 graders overgangstemperatur - badet er aktivt ætsende til 316 uden varmeflux. 316 er ikke passende under disse omstændigheder uanset vægtykkelse eller watt-densitet. Imidlertid er mange bejdsebade i overgangszonen, hvor bulkforholdene er passive, men den øgede kappeoverfladetemperatur, på grund af varmeflux, skubber hylsteret ind i det aktive regime. Temperaturstigningen fra bulk til kappeoverfladen er omkring 25–30 grader for en kappe på 2,0 mm ved 10 W/cm². Et bulkbad ved 40 grader med 15 % syre (passivt) giver en kappeoverfladetemperatur på 65–70 grader, hvilket overstiger 45 graders overgangen, så aktiv korrosion opstår på kappeoverfladen på trods af at bulkbadet er passivt.

Kritiske deratingtærskler 2,0 millimeter kappe
Nedsættelsesbehov fra korrosionstestning af 316 prøver, ved temperaturer og koncentrationer, der er relevante for bejdsebade, er som følger. Skede med 2,0 mm væg. Værdier er den maksimale watt-densitet, der holder kappens overfladetemperatur mindst 5 grader under den passive-aktive overgangstemperatur for den givne bulkkoncentration.

Bulk svovlsyrekoncentration Bulkbadtemperatur Passiv-Aktiv overgangstemperatur ved denne koncentration Maksimal kappeoverfladetemperatur (overgang – 5 graders sikkerhedsmargin) Maks. Tilladt watt-densitet for 2,0 mm. Skede Anbefalet handling 10 % 30 grader 55 grader 50 grader 12 W/cm² Sikker ved standard watt-densitet
10 % 40 grader 55 grader 50 grader 6 W/cm² Reducer 10 % 45 grader 55 grader 50 grader 3 W/cm2 Marginal; Overvej legering opgradering 10% Over 48 grader 55 grader 50 grader Ikke muligtTitanium eller Alloy 20
15 % 25oC 45oC 40oC 10 W/cm2 Sikker i moderat watt-tæthed
15 % 30 grader 45 grader 40 grader 6 W/cm² Derering nødvendig
15% 35 grader 45 grader 40 grader 2 W/cm2 Ikke praktisk skiftlegering
15% Over 38 grader 45 grader 40 grader Ikke muligt 316 ikke praktisk
20 % 20 grader 38 grader 33 grader 8 W/cm² Sikker ved lav watt-tæthed
20% 25C 38C 33C 4 W/cm2 Major derating 20% ​​Over 28C 38C 33C Ikke muligt 316 ikke egnet
25% <25°C 32°C 27°C <3 W/cm² 316 not recommended
25% > 25 grader 32 grader 27 grader Ikke muligt Brug Alloy 20 eller Titanium
For et typisk bejdsebad ved 15 % svovlsyre og 35 graders bulktemperatur skal 2,0 mm 316-kappen være på eller under 2 W/cm2 for at forhindre aktiv korrosion. Ved denne watt-tæthed ville varmeren være en upraktisk langvarig varmelegeme til et gennemsnitligt effektbehov på 10-20 kW. Så 316 passer ikke til denne service. Ingeniører bør overveje at bruge Alloy 20 (Carpenter 20) eller Alloy 825, som begge har passiv-aktive overgangstemperaturer 30-50 grader højere end 316 i svovlsyre.

Designændringer for at forhindre aktiv korrosion uden nedsættelse
Hvis bejdsebadsforholdene er tæt på overgangsgrænsen, og en 2,0 mm 316 kappe allerede er på plads eller er nødvendig, kan tre designjusteringer undgå aktiv korrosion uden at falde watt-tætheden under praktiske grænser. Den første er at forbedre syrecirkulationen over varmefladen. Den turbulente strømning med en hastighed på 1-2 m/s nedsætter temperaturstigningen af ​​kappeoverfladen fra 25-30 til 10-15 grader, hvilket kan forhindre kappen i at nå overgangspunktet. Den anden ændring er at tilføje et oxidationsmiddel i badet. Små tilsætninger af ferri-ioner eller hydrogenperoxid kan flytte den passive-aktive overgang til højere temperaturer med 10-20 grader C, og vende tilbage til passiv adfærd. Den tredje ændring er det dobbelte-watt-densitetsvarmerdesign, der har lavere effekttæthed i den nederste del af badet med de største temperaturer på grund af lagdeling. For de fleste bejdsebadsapplikationer er den tekniske løsning at opgradere fra 316 til en mere modstandsdygtig legering. Typisk er omkostningsforskellen mellem en 2,0 mm 316 kappe og en Alloy 20 kappe af samme størrelse 30-50%, men levetiden forbedres fra måneder til 5-10 år. Ved specificering af varmelegemer til bejdsebade skal ingeniørerne forsyne leverandøren med den komplette sammensætning af badet, temperaturområdet og den forventede turbulensgrad. Hvis producenten anbefaler 316 for 15 % svovlsyre ved 50 grader og ikke taler om derating eller muligheden for aktiv korrosion, giver de ikke kompetente råd. Skiftet fra passiv til aktiv korrosion i svovlsyre er hurtig og nådesløs. En 2,0 mm kappe, der taber 5 mm/år i aktiv korrosion, vil perforere på mindre end 5 måneder. Derating<5 W/cm 2 is seldom feasible for commercial pickling baths, therefore alloy upgrade remains the only reliable remedy for most applications.