چرا نرخ جذب هیدروژن یک هیتر غوطه وری تیتانیوم زمانی که پتانسیل حفاظت کاتدی بیش از -0.7 V در مقابل Ag/AgCl است به شدت افزایش می یابد؟

تیتانیوم در دمای بالا به اسید سولفوریک بسیار تهاجمی است. فقط تیتانیوم درجه 2 زیر حدود 10٪ H2SO4 در 80 درجه یا کمتر از 50٪ H2SO4 در دمای محیط مجاز است. اسید سولفوریک رقیق به سرعت به طور یکنواخت حمله می کند یا در دمای بالاتر از 80 درجه حفره ایجاد می کند. با این حال، بسیاری از جریان‌های صنعتی اسید سولفوریک حاوی یون‌های فلزی محلول هستند که از فعالیت‌های لیچینگ بالادست، ترشی یا الکترووینینگ به دست می‌آیند. یون‌های مس (Cu2+) اغلب در فرآیندهای اچینگ تخته‌های مدار چاپی و هیدرومتالورژیکی یافت می‌شوند. یون‌های مس تأثیر مشخصی بر رفتار خوردگی تیتانیوم در اسید سولفوریک داغ دارند. روند آسیب از نازک شدن یکنواخت تا حمله بسیار هدفمند تغییر می کند. دانستن این تغییر برای تخمین عمر بخاری و جلوگیری از سوراخ شدن غیرمنتظره کلیدی است.

مکانیسم اصلاح یون های مس در خوردگی تیتانیوم

تیتانیوم تحت یک انحلال فعال در اسید سولفوریک خالص قرار می گیرد: Ti → Ti4+ + 4e-، فرآیند کاتدی تکامل هیدروژن است. نرخ خوردگی با سرعت تکامل هیدروژن روی سطح تیتانیوم کنترل می شود. با وجود یون‌های مس، واکنش کاتدی دیگری ممکن است: Cu 2+ + 2e- > Cu 0 (صفحات فلزی مس روی سطح تیتانیوم قرار می‌گیرند). واکنش رسوب مس دارای چگالی جریان مبادله ای بسیار بزرگتر از فرآیند تکامل هیدروژن است و در نتیجه سرعت واکنش کاتدی را افزایش می دهد. در این حالت یک جفت گالوانیکی بین مس رسوب‌شده (کاتد) و تیتانیوم در معرض (آند) وجود دارد. سلول های گالوانیکی موضعی در جزایر مس تشکیل می شوند و انحلال آندی سریع تیتانیوم در مجاورت رسوبات مس رخ می دهد. مورفولوژی خوردگی از زبری یکنواخت سطح به تونل های باریک عمیق که هر ذره مس را احاطه کرده است، تکامل می یابد.

تغییرات کمی در نرخ خوردگی و مورفولوژی

تست های غوطه وری کنترل شده در 15% H2SO4 در 85 درجه روابط زیر را برای تیتانیوم درجه 2 نشان داده است:

اسید سولفوریک خالص (بدون مس): نرخ خوردگی یکنواخت، 0.8 میلی متر در سال سطح زبری گسترده با حداکثر نشان می دهد. عمق گودال تقریباً معادل نفوذ متوسط ​​است. مناسب برای استفاده کوتاه مدت-با لوله های ضخیم-.

افزودن مس 10 ppm: نرخ خوردگی 1.5 میلی متر در سال، اگرچه حمله موضعی است. عمق گودال تا 2.0 میلی متر است در حالی که نازک شدن معمولی کمتر از 0.5 میلی متر است. سوراخ شدن از طریق چاله اتفاق می افتد. اکثر لوله ضخامت دیواره اصلی را حفظ می کند.

افزودنی مس 50 ppm: میانگین نرخ خوردگی 2.5 میلی متر در سال حداکثر عمق گودال 4.0 میلی متر. لکه‌های قهوه‌ای مایل به قرمز روی سطح تیتانیوم رسوبات مس هستند. چاله ها 4-6 ماه با ضخامت دیواره 1.0 میلی متر نفوذ می کنند.

افزودن مس 200 ppm: میانگین نرخ خوردگی 4.0 میلی متر در سال. حداکثر عمق گودال بیش از 6.0 میلی متر. حمله سریع جوش ها و شکاف ها. سوراخ شدن موضعی منجر به شکست لوله می شود در حالی که 70 تا 80 درصد سطح نسبتاً آسیب ندیده است.

افزودن مس بیش از 500 ppm آبکاری سریع مس یک لایه پیوسته از مس را روی تیتانیوم تشکیل می دهد. مشخص شد که تیتانیوم زیر به طور یکنواخت رابط مس-تیتانیوم را فرسایش می‌دهد که منجر به از دست دادن چسبندگی و پوسته پوسته شدن مس می‌شود. ورق مس و تیتانیوم، چندین لایه، در یک فرآیند چرخه ای حل می شوند.

مورفولوژی خوردگی بسته به غلظت مس

جدول زیر یک طبقه‌بندی مورفولوژی خوردگی و توصیه‌های طراحی برای بخاری‌های تیتانیوم در اسید سولفوریک آلوده به مس- ارائه می‌دهد.

غلظت یونهای مس (ppm) در مورفولوژی خوردگی غالب H2SO4 نرخ نفوذ موثر (mm/سال در 85 درجه، 15% H2SO4) پاسخ طراحی توصیه شده
0-5 (پس زمینه) نازک شدن یکنواخت 0.6-0.9 درجه 2 با تحمل ضخامت دیوار (ضخامت حداقل{3}} میلی متر)
5-30 حفره های موضعی با جزایر مس ایزوله 1.5-2.5 ضخامت دیواره را به 2.0 میلی متر افزایش دهید. سالانه برای حفره زدن بررسی کنید.
30-100 ترانشه عمیق در اطراف ذخایر مس 3.0-5.0 (محلی) تیتانیوم درجه 7 را در نظر بگیرید. - اندازه گیری های سه ماهه عمق گودال را انجام دهید.
100–500 Accelerated galvanic couple corrosion 4.0–8.0 (severe localization) Grade 7. Reduce operating temperature to max 75°C.500 Cyclic copper plating with titanium dissolution >10.0 به جای تیتانیوم از بخاری با پوشش زیرکونیوم یا تفلون- استفاده کنید.
اثرات متقابل دما و غلظت اسید

Effect of copper ion is increased with temperature and sulfuric acid concentration. At 80°C 50 ppm copper doubles the corrosion rate of the pure acid. At 95 °C the same copper concentration increases the corrosion rate by 5–6 times compared with pure acid at the same temperature. High quantities of sulfuric acid (>30٪ حلالیت سولفات مس را کاهش می دهد و منجر به رسوب مس مستقیماً روی سطح تیتانیوم به جای یون های محلول می شود. آلودگی مس منجر به شکست سریع و فاجعه بار در عرض چند هفته در اسید غلیظ (60-80٪ H2SO4) می شود. از سوی دیگر، در دماهای زیر 60 درجه، واکنش رسوب مس از نظر جنبشی محدود است و حتی 500 ppm مس باعث شتاب ناچیز خوردگی می شود.

نوشتن مشخصات کاملا آگاهانه

If you specify a titanium heater for use with sulfuric acid, you must request a thorough study of the dissolved metal ions, not just acid concentration and temperature. Where copper levels are in excess of 30 ppm state Grade 7 titanium (palladium stabilized). The inclusion of palladium raises the titanium surface potential, making it more noble and reducing the driving force for copper deposition. Grade 7 at 50 ppm copper at 85°C corrodes at around 0.6 mm per year with just moderate pitting. This is similar to Grade 2 in pure acid. For copper concentrations >200 پی پی ام، مواد گرم کننده جایگزین (مثلاً زیرکونیوم که یک جفت گالوانیکی با مس ته نشین شده تشکیل نمی دهد) باید در نظر گرفته شود. سیال فرآیند را در حین کار برای افزایش غلظت مس بررسی کنید. اما، افزایش گذرا از 50 ppm به 500 ppm برای یک دوره 24 ساعته ممکن است باعث ایجاد حفره شود که پس از بازگشت سطح مس به حالت عادی به انتشار ادامه می دهد. اگر مس روی بخاری قابل مشاهده است، دستگاه را خاموش کنید و سطح لوله را با اسید نیتریک رقیق (5% HNO3) بشویید تا مس جدا شود و دستگاه را مجدداً راه اندازی کنید. این مهندس اصلاح یون مس را در مورفولوژی خوردگی مورد بحث قرار می دهد تا از این تصور خطرناک که غلظت اسید به تنهایی بر سازگاری تیتانیوم تأثیر می گذارد جلوگیری کند.