Hvordan påvirker boratkoncentrationsgradienten nær røroverfladen stabiliteten af den passive film under cyklisk opvarmning for en titaniumskedevarmer installeret i en tank med 8% natriumborat ved 95 grader?
Læg en besked
Et buffermiddel og korrosionsinhibitor er natriumborat (Na2B4O7) ved 8% koncentration og 95 grader. Borationer (B4O72−) kan skabe et beskyttende lag på titanium, men stabiliteten af denne film er afhængig af koncentrationen af borat på metaloverfladen. Cyklisk opvarmning får borationer til at migrere eller udfælde, drevet af temperaturgradienten gennem grænselaget. Så en koncentrationsgradient er sat op med boratkoncentration højere i den koldere bulk opløsning og lavere ved den opvarmede røroverflade. Denne gradient destabiliserer den passive film og forårsager regional udtynding. Den passive film er stabil, når koncentrationen af borat ved overfladen er mere end 2%.
Mekanisme for boratkoncentrationsgradientudvikling
Borationer diffunderer mod den varme titaniumoverflade under konstant-opvarmning, men termisk diffusion (Soret-effekt) skubber dem væk fra den varme overflade. Nettoresultatet er udtømning af grænselaget, således at boratkoncentrationen ved røroverfladen er 10-30 % lavere end i bulkopløsningen. Koncentrationsgradienten svinger under cyklisk opvarmning (on-off-cyklusser) . Efterhånden som varmelegemet slukker, afkøles overfladen, og borationer diffunderer tilbage til overfladen, hvilket resulterer i midlertidig passivering. Når varmeren tænder igen, genetableres gradienten, og overfladen bliver udtømt. Denne gentagne udtømning og genopretning belaster den passive film, hvilket får den til at revne og sprække.
Kvantitativ passiv filmstabilitet med hensyn til overfladeboratkoncentration
Kontrolleret testning i 8 % natriumborat (bulkkoncentration) ved 95 grader i cyklisk opvarmning (1 time tændt, 1 time slukket) har bekræftet den passive filmstabilitet af Grade 2 titanium ved varierende overfladeboratkoncentrationer. Den passive filmtykkelse for en overfladekoncentration på 4-5 % (beriget) er 5-8 nm, filmen forbliver stabil og klæbende, og der udvikles ingen grubetæringer efter 1.000 cyklusser. Ved 3–4 % (nær bulk) er tykkelsen 3–5 nm, belægningen er rimelig stabil, og grubetæring udvikler sig nogle gange efter 500 cyklusser. Ved 2-3 % (moderat udtømning) er tykkelsen 2-4 nm, filmen revner og grubetæring påbegyndes efter 200-400 cyklusser . 1-2% (depleteret), og filmen er ustabil med grubetæring inden for 50-200 cyklusser, med en tykkelse på 1-3 nm. Under 1% nedbrydes den passive film fuldstændigt, og der opstår ensartet korrosion ved 0,1-0,3 mm om året.
Effekt af boratkoncentration og cyklusfrekvens på overfladeudtømning
Omfanget af overfladeudtømning afhænger af bulk boratindhold og cyklusfrekvens. Under cyklisk opvarmning er overfladekoncentrationen minimal, 2-3 % ved 4 % bulkborat. Ved 6 % bulk er overfladekoncentrationen 3–4 %, hvilket er moderat stabilt. Overfladekoncentrationen er 4–5 % (stabil) ved 8 % bulk (nominel). Overfladekoncentrationen er meget stabil ved 5-6% for 10% bulk. Ved 6 cyklusser i timen (10 min tændt, 10 min off) er overfladekoncentrationen 10-20 % lavere end ved 2 cyklusser pr. dag, fordi grænselaget ikke når at komme sig.
Titanium Heaters - Vejledning til boratkoncentration og cyklusstyring
Tabellen nedenfor indeholder anbefalinger til bulkboratkoncentration og cyklusparametre for at opretholde den passive filmstabilitet på Grade 2 titanium ved 95 grader.
Bulk Borat Koncentration (%) On/Off Cyklus Frekvens % Borat Estimeret SurfacePassive Film Stabilitet Anbefalet handling
6 <2 cycles/day 3-4 Moderate Acceptable
6 > 6 cyklusser/time 2–3 Marginal Øg koncentrationen
8 <2 cycles/day 4-5 Stable Optimal
8 >6 cyklusser/time 3-4 Moderat Lavere cyklusfrekvens
10 Enhver 5–6 Meget stabil Foretrukken til høj cykling
12 Enhver 6-7 Meget stabil Over-specifikation er ikke nødvendig
Engineering uden koncentrationskontrol
Titaniumkvaliteten påvirker stabiliteten af passiv film under koncentrationsgradienter. Grad 7 (palladiumstabiliseret) vil opretholde en stabil film ved overfladeboratkoncentrationer så lave som 1,5 % for en større sikkerhedsmargin. Mellemforbedring – Grad 12. Den passive film påvirkes ikke af vægtykkelsen. Opvarmningshastigheden er vigtig. Langsom ramping (1 grad/min) giver mindre koncentrationsgradient end hurtig ramping (10 grader/min). Omrøringen af opløsningen (blander eller recirkulationspumpe) reducerer grænselagets tykkelse og minimerer koncentrationsgradienten.
Selvsikker specifikation
For a titanium sheath heater in 8 % sodium borate at 95 °C with cyclic heating, the bulk borate concentration should be 8–10 % to have a surface concentration >4 % under cykling. Hvis cyklusfrekvensen er højere end 6 cyklusser i timen, hæves bulkkoncentrationen til 10 %. For eksisterende varmeapparater med passiv film-ustabilitet (f.eks. uregelmæssigt strømforbrug eller pitting), skal du øge boratindholdet til 10 % eller reducere cyklusfrekvensen. Overvåg pH-værdien og tilsæt natriumhydroxid, hvis pH-værdien går under 9 under drift. Ingeniøren kan justere boratkoncentrationsgradienten med en tilstrækkelig bulkkoncentration og sænke cyklusfrekvensen for at sikre en stabil passiv film på titaniumvarmerne.
info-717-483
