هنگامی که اسید فسفریک (30-50٪) را در 100 درجه حرارت می دهیم، چرا آلودگی آهن محلول، خوردگی تیتانیوم را فراتر از نرخ های قابل قبول تسریع می کند؟

تجهیزات گرمایش تیتانیوم در سرویس اسید فسفریک رفتار متناقضی از خود نشان می دهند. تیتانیوم درجه 2 در اسید فسفریک 30{6}}50 درصد شیمیایی خالص در 100 درجه دارای نرخ خوردگی پایین 0.05{14}} 0.10 میلی متر در سال است که در محدوده قابل قبول برای لوله های بخاری است. با این حال، اسید فسفریک فرآیند مرطوب صنعتی (WPA) که از هضم سنگ‌های فسفاته به دست می‌آید حاوی ناخالصی‌های زیادی است و آهن محلول (Fe{7}} و Fe{3+) ​​در بین آنها بیشترین تأثیر مخرب را بر مقاومت به خوردگی تیتانیوم دارد. حتی 0.5 درصد آلودگی آهن می تواند نرخ خوردگی تیتانیوم را بین 10 تا 50 افزایش دهد که منجر به سوراخ شدن لوله در ماه ها به جای سال ها می شود. این مقاله مکانیسم الکتروشیمیایی خوردگی تسریع‌کننده ناشی از آهن را شرح می‌دهد و محدودیت‌های ایمن محتوای آهن را برای عملکرد هیترهای تیتانیوم تعیین می‌کند.

مکانیسم تسریع خوردگی از طریق آهن
فیلم غیرفعال روی تیتانیوم در اسید فسفریک عمدتاً از TiO 2 با گونه های فسفات یکپارچه تشکیل شده است. فیلم بین طیف وسیعی از پتانسیل های الکتروشیمیایی پایدار است. یون های آهن محلول، عمدتا Fe3+، شاتل های ردوکس هستند که بین Fe3+ و Fe2+ در سطح تیتانیوم حرکت می کنند. هر یون Fe3+ که با سطح تماس می‌گیرد، یک الکترون از تیتانیوم می‌گیرد (به Fe2+ کاهش می‌یابد)، سپس منتشر می‌شود و توسط اکسیژن محلول به Fe3+ اکسید می‌شود. این چرخه ردوکس ثابت با موفقیت الکترون‌ها را از فلز تیتانیوم به محلول حجیم منتقل می‌کند، بنابراین پوشش غیرفعال محافظ را دور می‌زند.

اندازه گیری های الکتروشیمیایی بزرگی این اثر را نشان می دهد. پتانسیل خوردگی تیتانیوم درجه 2 در 40% H3PO4 خالص در 100 درجه بین +150 و +250 mV در مقابل SCE با چگالی جریان غیرفعال 5 µA/cm² تثبیت می‌شود. افزودن 0.5 درصد آهن (به شکل فسفات آهن) پتانسیل خوردگی را به +400 تا +550 mV در مقابل SCE افزایش می‌دهد و چگالی جریان غیرفعال را به 50-100 µA/cm2 افزایش می‌دهد. در آهن 1.0 درصد چگالی جریان 200-300 μA/cm 2 است و با نرخ خوردگی 0.5-0.8 میلی متر در سال مطابقت دارد. در 2.0٪ آهن، نرخ بیشتر از 1.5 میلی متر در سال است.

**خدمات هیتر محدودیت آهن بحرانی**
آزمایش مواجهه طولانی مدت از تیتانیوم درجه 2 در اسید فسفریک در دمای 100 درجه یک محدودیت عملی برای آهن پیدا می کند. در آهن محلول زیر 0.2 درصد نرخ خوردگی کمتر از 0.10 میلی متر در سال است که برای 10 سال عمر بخاری با ضخامت دیواره 1.5 میلی متر کافی است. نرخ ها 0.15-0.30 میلی متر در سال در آهن 0.2 تا 0.5 درصد است که عمر پیش بینی شده را به 3-5 سال با ضخامت دیواره معمولی کاهش می دهد. نرخ خوردگی بالای 0.5٪ آهن بسیار زیاد است (بیش از 0.5 میلی متر در سال) و شامل سوراخ شدن موضعی است که به اتلاف فلز اضافی کمک می کند.

اسید فسفریک فرآیند مرطوب معمولاً حاوی 0.8-1.5٪ آهن محلول از ناخالصی‌های سنگ فسفات است. اواپراتورها و متمرکز کننده‌های WPA از بخاری‌های تیتانیوم استفاده می‌کنند که در غیاب پیش تصفیه حذف آهن یا ارتقاء به آلیاژ تیتانیوم مقاوم‌تر، به سرعت خورده می‌شوند. تیتانیوم درجه 7 (Ti-0.15Pd) تحمل آهن را با نرخ کمتر از 0.15 میلی متر در سال در 0.8٪ آهن بهبود می بخشد، با این حال حتی درجه 7 بالاتر از آهن 1.2٪ شکست می خورد.

ماتریس کاربرد و استراتژی های کاهش
منبع اسید فسفریک محتوای آهن معمولی مواد بخاری توصیه شده نرخ خوردگی مورد انتظار عمر سرویس (دیواره 1.65 میلی متر)
تیتانیوم خالص شده (فرایند حرارتی) درجه 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) زیرکونیوم متغیر یا تانتالیوم N/A تیتانیوم توصیه نمی شود
خلاصه مشخصات بخاری اسید فسفریک
آلودگی آهن محلول بیش از 0.2٪ در اسید فسفریک در 100 درجه باعث خوردگی تیتانیوم توسط یک مکانیسم چرخه ردوکس می شود که محافظت ایجاد شده توسط فیلم غیرفعال را دور می زند. برای اسید فرآیند مرطوب با محتوای آهن معمولی 0.8 تا 1.5 درصد، هیترهای تیتانیوم درجه 2 در عرض 2 تا 3 سال از بین می روند. مهندسان با انتخاب مشخص کردن تیتانیوم درجه 7 (که تحمل آهن را تقریباً 0.8٪ افزایش می دهد) یا اضافه کردن مراحل حذف آهن (استخراج با حلال، تبادل یون) در بالادست بخاری روبرو هستند. هنگام خرید بخاری‌های تیتانیوم برای سرویس اسید فسفریک، همیشه کوپن تست خوردگی را بخواهید که تحت اسید فرآیند واقعی قرار گرفته باشد و حداقل ضخامت دیواره 2.0 میلی‌متر برای درجه 2 یا 1.65 میلی‌متر برای درجه 7 در اسید یاتاقان آهن بخواهید.