Når en titanium-varmestang bruges til at smelte et ternært nitratsalt (NaNO₃-KNO₃-Ca(NO₃)₂) ved 400 grader, hvordan ændrer calciumionindholdet så oxidspaltningshastigheden under fryse-optøningscyklusser?

Ternære nitratsaltkombinationer med calciumnitrat (Ca(NO3)2) bruges som varmeoverførselsvæske i koncentreret solenergi og termiske lagringssystemer. Ved 400 grader er saltet smeltet og oxiderende. Titanium varmestænger danner beskyttende titaniumdioxid (TiO₂) lag. Men under fryse--optøningscyklusser (afkøling for at fryse saltet, derefter gen-opvarmning) kombineres calciumionerne fra saltet med titaniumoxidet for at danne calciumtitanat (CaTiO 3 ) ved skæloverfladen. For eksempel er den termiske udvidelseskoefficient for calciumtitanat omkring 11-12 × 10-6/grad, titaniumdioxid har en termisk ekspansionsværdi på 7-8 × 10-6/grad og titaniummetal 8,6 × 10-6/grad. En sådan uoverensstemmelse forårsager afskalning under termisk cykling. Jo højere calciumindholdet i saltblandingen er, jo hurtigere spartles oxidet. Ved et calciumindhold på 20% fjernes 0,3-0,5 µm metal i hver fryse-tø-cyklus, mens der ved 5% calciumindhold kun fjernes 0,05-0,10 µm.

Mekanismen bag calcium-fremkaldt afskalning af oxid under termisk cykling

Ca-ionerne infiltrerer ind i TiO2-skalaen for at generere et CaTiO3--rigt ydre lag under eksponering for smeltet salt ved 400oC. CaTiO 3-laget krymper mindre ved afkøling end TiO 2 og titaniummetal nedenunder på grund af dets højere termiske udvidelseskoefficient. Denne uoverensstemmelse fører til trækspændinger ved grænsefladen. Disse spændinger frembringer revner og afskalning under størkning (frysning) og efterfølgende gen{11}}opvarmning. De spallede dele afslører nyt titanium, der hurtigt oxiderer. En kombination af oxidafskalning og gen{12}}oxidation resulterer i fjernelse af en lille mængde titanium under hver fryse-tø-cyklus. Spartelhastigheden er proportional med saltets indhold af calcium og med størrelsen af ​​temperaturvariationen.

Calciumindhold og cyklustælling vs. kvantitativ spartelhastighed

Kontrolleret test af grad 2 titanium i ternært nitratsalt med varierende calciumindhold, der gennemgår 100 fryse-optøningscyklusser (25 grader → 400 grader → 25 grader, 2-timers ophold ved temperatur), er blevet brugt til at bestemme oxidafskalningshastigheder. Ved 0% calcium (binært NaNO3-KNO3 salt) oxidspaltning er 0,5-1,0 µm pr. 100 cyklusser, skalaen forbliver vedhæftende, og metaltabet er lavt. Lokaliseret spartling forekommer ved skælfejl og med 5% calcium-spaltning stiger til 2-5 µm pr. 100 cyklusser. Afskalning er 8–15 µm/100 cyklusser ved 10 % calcium og 10–30 % af skalaen afskaller pr. cyklus. For 15 % calcium er afskalningen 20-35 µm pr. 100 cyklusser, og skalaen er fuldstændig afskallet efter 300-500 cyklusser. Ved 20 % calcium (typisk ternær sammensætning) er afskalning op til 30-50 μm for hver 100 cyklusser, hvorimod metaltab er 0,15-0,25 mm pr. 1.000 cyklusser. Perforering forventes efter 6.000–10.000 cyklusser for 1,5 mm vægtykkelse og 20 % calciumsalt.

Indflydelse af temperatursving og cyklustid på spallationshastighed

Intensiteten af ​​spaltningen er stærkt påvirket af størrelsen af ​​temperaturændringer og cyklusvarigheden. Oxidafskæring er 8-15 μm pr. 100 cyklusser for 10 % calciumindhold med 375 graders temperaturudsving (25 grader til 400 grader), eller 3.300-6.300 cyklusser for at fjerne 0,5 mm metal. Forøgelse af svingningen til 500 grader (100 grader til 600 grader) ved den samme calciumkoncentration øger spaltningen til 20-40 µm/100 cyklusser. Dette reducerer cyklusserne til 0,5 mm tab til 1.250-2.500. Spartling 30-50 µm pr. 100 cyklusser for 20 % calcium, 375 graders sving 1.000-1.700 cyklusser til 0,5 mm tab Med 20 % calcium og et sving på 500 grader er spartlingen 50-80 µm pr. 100 cyklusser, og {36} kræves for et tab på 0,5 mm. Øget opholdstid ved temperatur (8 timer vs. . 2 timer) resulterer i 30-50 % mere afskalning på grund af øget produktion af calciumtitanat.

Nitratsaltvarmere Calciumindhold og cykluslevetid Reference

Anbefalingerne for acceptabelt calciumindhold i nitratsalt i henhold til det forventede antal fryse-optøningscyklusser, ønsket levetid for varmelegemet og vægtykkelsen for grad 2 titanium er angivet i tabel 1.

Antal fryse--optøningscyklusser/Årkrævet levetid (år) Maksimalt tilladt calciumindhold (%) Forventet metaltab pr. år (mm) Anbefalet vægtykkelse (mm) 10 20 15 0.03–0.05 1.5 50 10 10 0.04–0.08 1.5 100 10 10 0.08–0.15 2.0 100 5 15 0.10–{{5}{6} (dagligt) {}}–{da (binært salt) 0,02–0.04 2.0 Engineering Beyond Control of Calcium Content

Kvaliteten af ​​titanium er vigtig for modstandsdygtighed over for spartninger. Grad 7 (palladiumstabiliseret) udvikler et mere klæbende oxid på grund af palladiumberigelse ved skalaen-metalgrænsefladen og demonstrerer en 30-50 % reduktion i spartling sammenlignet med grad 2 ved lige store calciumniveauer. Vægtykkelsen er en materialereserve. For eksempel holder en 2,0 mm væg med 0,10 mm om året metaltab på grund af afskalning 20 år. Afskalningen påvirkes af opvarmnings- og afkølingshastighederne, hvor langsom ramping ved 2 grader/min reducerer de termiske spændinger og spartling med 50-70 % sammenlignet med hurtig ramping ved 10 grader/min. Inhibitorer, såsom magnesiumoxid tilsat i en mængde på 0,5 til 1,0 procent til saltet, konkurrerer med calcium om at reagere med titaniumoxid og reducerer således dannelsen af ​​calciumtitanat.

At lave en-velinformeret specifikation

Hvis der forventes mere end 100 cyklusser pr. år, begrænses calciumindholdet til maksimalt 10 % for Grade 2 eller 15 % for Grade 7. • Ternært nitratsalt med fryse-optøningscyklus • Titanium varmestang Til daglig cykling (365 cyklusser/år), anbefaler vi binært salt (NaNO3)- 2,5 mm godstykkelse. For at forhindre termisk chok under drift skal du kontrollere opvarmnings- og afkølingshastighederne ved 2-3 grader/min.. 4.1.3. Saltdræn og inspicere varmelegemets overflade årligt for åbenbar oxidafskalning i form af afskalning eller støv og/eller måle vægtykkelsen ultralyd, hvis den er til stede. Hvor metaltabet overstiger 0,2 mm pr. år, skal calciumindholdet reduceres, eller der skal anvendes en grad 7. Ingeniører kontrollerer hastigheden af ​​oxidafskæring og øger levetiden af ​​titanium varmestave i fryse-tø-cyklusservice ved at variere calciumionindholdet i nitratsaltblandingen.