Pri kateri specifični kombinaciji koncentracije žveplove kisline in temperature zahteva 2,0-milimetrski plašč iz nerjavečega jekla 316 zmanjšanje moči pod 8 vatov na kvadratni centimeter za preprečitev splošnega prodiranja korozije v šestih mesecih v kopeli za dekapiranje kovin?

Procesni inženirji, ki izdelujejo električne potopne grelnike za kopeli za dekapiranje kovin v jeklarnah in industriji kovinskih izdelkov, se soočajo z enimi najtežjih pogojev za ovoje iz nerjavečega jekla 316, ko se soočajo z žveplovo kislino pri ekstremnih temperaturah. Lužilne kopeli običajno delujejo pri temperaturah od 60 do 90 stopinj in koncentracijah žveplove kisline od 10 do 25 %, pogosto z raztopljenimi železovimi solmi, kar še dodatno oteži korozijsko obnašanje. Debelina stene 2,0 mm je pogosto izbrana, da se omogoči korozija in zagotovi mehanska odpornost na vrtinčenje kopeli in stik z obdelovancem. Vendar pa je pri povprečni gostoti vatov 8-12 W/cm 2 temperatura površine plašča povišana za 20-40 stopinj nad temperaturo kopeli v razsutem stanju, zaradi česar je plašč morda v aktivnem korozijskem režimu, kjer stopnje korozije presežejo 5 mm na leto. Članek podaja posebne kombinacije koncentracije in temperature, ki zahtevajo, da se 2,0 mm ovoj iz 316 zmanjša pod 8 W/cm2, da se prepreči splošna penetracija korozije v šestih mesecih.

Pasivni-aktivni prehod nerjavečega jekla 316 v žveplovo kislino
Kot je bilo navedeno v prejšnjih člankih, je aktivni-pasivni prehod za nerjavno jeklo 316 v žveplovi kislini precej občutljiv na temperaturo in koncentracijo. V pasivnem režimu so stopnje korozije manjše od 0,2 mm na leto. V aktivnem režimu so stopnje 5-20 mm na leto. Meja prehoda pogojev lužilne kopeli sledi določeni krivulji. Temperatura prehoda za 10 odstotkov. žveplova kislina ima okoli 55 stopinj C. Pri 15 % je prehod 45 stopinj. Pri 20% pade na 38 stopinj. Doseže do 32 stopinj . - 25%. Za grelnik v razsuti kopeli pri 70 stopinjah s 15-odstotno žveplovo kislino je samo razsuto stanje že nad prehodno temperaturo 45 stopinj - kopel je aktivno korozivna do 316 brez toplotnega toka. 316 v teh okoliščinah ni primerno ne glede na debelino stene ali gostoto v vatih. Vendar pa veliko lužilnih kopeli deluje v prehodnem območju, kjer so razmere v razsutem stanju pasivne, vendar se površinska temperatura plašča zaradi visokega toplotnega toka premakne v aktivni režim. Za debelino ovoja 2,0 mm pri 8 W/cm2 je dvig temperature od mase do površine plašča približno 20-25 stopinj. Kopel v razsutem stanju ima 40 stopinj s 15 % kisline (pasivno), zato je temperatura površine plašča 60-65 stopinj, kar je nad 45 stopinj, tako da na površini plašča pride do prehodne aktivne korozije, tudi če je kopel v razsutem stanju pasivna.

Kritični pragovi zmanjšanja 2,0 mm ovoja
Preskušanje korozije 316 vzorcev pri temperaturah in koncentracijah, ki so pomembne za lužilne kopeli, je dalo naslednje zahteve glede zmanjšanja za 2,0 mm stenski ovoj, da se prepreči splošno prodiranje korozije v šestih mesecih. Vrednosti predstavljajo največjo vatno gostoto, ki vzdržuje temperaturo površine plašča vsaj 5 stopinj pod pasivno-aktivno prehodno temperaturo za določeno množinsko koncentracijo.

Koncentracija žveplove kisline v masi Temperatura kopeli v masi Pasivno-Aktivna prehodna temperatura pri tej koncentraciji Najvišja temperatura površine ovoja (prehod – 5 stopinj varnostne rezerve) Največja dovoljena gostota v vatih za 2,0 mm ovoj Pričakovan čas do 2,0 mm prodora z večjo gostoto moči
10 % 35 stopinj 55 stopinj 50 stopinj 12 W/cm2 8-12 mesecev pri 12 W/cm2 10% 40 stopinj 55 stopinj 50 stopinj 8 W/cm2 6-9 mesecev pri 8 W/cm2
10 % 45 stopinj 55 stopinj 50 stopinj 4 W/cm2 4-6 mesecev pri 8 W/cm2 10% 50 stopinj 55 stopinj 50 stopinj 0 W/cm2 (ni izvedljivo) 2-4 mesece pri kateri koli vatni gostoti
30 stopinj 45 stopinj 40 stopinj 15 % 10 W/cm² 6-10 mesecev pri 10 W/cm²
15 % 35 stopinj 45 stopinj 40 stopinj 6 W/cm² 4–6 mesecev pri 8 W/cm²
15 % 40 stopinj 45 stopinj 40 stopinj 2 W/cm2 3-5 mesecev 6 W/cm2
15% >42 stopinj 45 stopinj 40 stopinj Ni mogoče 2-3 mesece 20 % 25 stopinj 38 stopinj 33 stopinj 8 W/cm2 5-8 mesecev pri 8 W/cm2
20 % 30 °C 38 °C 33 °C 4 W/cm2 3-5 mesecev do 6 W/cm2
20 % 35 stopinj 38 stopinj 33 stopinj 0 W/cm² (ni mogoče) 2-3 mesece 25 %< 25°C < 32°C < 27°C < 4 W/cm2 2-4 months at 5 W/cm2
Za običajno lužilno kopel pri 40 stopinjski temperaturi v razsutem stanju in 15 % žveplove kisline mora 2,0 mm ovoj iz 316 delovati pri 2 W/cm 2 ali manj, da ostane površina plašča pod 40 stopinj in pasivna. Pri 8 W/cm2 je površina plašča približno 60-65 stopinj C, daleč v aktivnem režimu in splošna korozija bi prežrla 2,0 mm steno v približno 3-5 mesecih. Zmanjšanje na 6 W/cm² podaljša življenjsko dobo na 4–6 mesecev, a pod 6 mesecev. Zmanjšanje na 4 W/cm2 zagotavlja pasivno delovanje in 5+-letno življenjsko dobo, vendar je tako nizka vatna gostota le redko praktična za industrijske lužilne kopeli.

Varen delovni ovoj – šestmesečna življenjska doba
Spodnja tabela navaja največje varne kombinacije koncentracije žveplove kisline v razsutem stanju in temperaturnih kombinacij za 2,0 mm 316 ovoj, ki zagotavlja šestmesečno življenjsko dobo pri različnih gostotah v vatih brez aktivnega prodiranja korozije.

Vatna gostota Najvišja nasipna temperatura za 10 % H2SO4 Najvišja nasipna temperatura za 15 % H2SO4 Najvišja nasipna temperatura za 20 % H2SO4 Najvišja nasipna temperatura za 25 % H2SO4 4 W/cm2 48 stopinj 38 stopinj 30 stopinj 25 stopinj 6 W/cm2 46 stopinj 35 stopinj 28 stopinj 22 stopinj 8 W/cm2 43 stopinj 32 stopinj 25 stopinj Ni varno 10 W/cm2 40 stopinj 28 stopinj Ni varno Ni varno
12 W/cm2 36 stopinj Ni varno Ni varno Ni varno
2,0 mm ovoj iz 316 pri 8 W/cm2 bi imel površinsko temperaturo okoli 58 stopinj, nad prehodom 45 stopinj, za lužilno kopel, ki deluje pri 15 % žveplove kisline in 35 stopinjski temperaturi v masi. Verjetno ne bo trajalo šest mesecev. Gostota vatov 4 W/cm^2 ohranja površino pri približno 48 stopinjah, nad prehodno temperaturo 45 stopinj, vendar zmanjšana hitrost pretoka toplote dovolj upočasni stopnjo korozije, da doseže šest mesecev pred penetracijo. Pri 45 stopinjah v razsutem stanju in 10 % žveplove kisline 4 W/cm² daje površinsko temperaturo približno 58 stopinj, kar je nad temperaturo prehoda 55 stopinj, šest-mesečna življenjska doba pa je obrobna.

Spremembe konstrukcije za doseganje šestmesečne življenjske dobe brez zmanjšanja moči
Če pogoji lužilne kopeli zahtevajo večjo gostoto v vatih, kot je dovoljeno za varno delovanje, bodo tri prilagoditve konstrukcije zagotovile šest-mesečno življenjsko dobo z 2,0 mm 316 ovojom brez zmanjšanja moči pod 8 W/cm2. Prvi je izboljšati kroženje kisline po površini grelnika. Turbulentni tok s hitrostjo 1-2 m/s. zmanjša rast površinske temperature plašča s 25 stopinj na 10-15 stopinj z enako gostoto vatov. Grelnik s površinsko temperaturo 65 stopinj v stagnirajočih pogojih lahko deluje pri 50 stopinjah v dobro krožeči kislini in lahko dejansko pade pod prehodni prag. Druga sprememba je vnos inhibitorja korozije v lužilno kopel. Komercialni inhibitorji lahko zmanjšajo stopnjo aktivne korozije za 70–90 % in lahko podaljšajo pasivni režim na višje temperature. Končna prilagoditev je uporaba grelnika z dvojno gostoto vatov z zmanjšano gostoto moči v spodnjem delu kopeli, kjer so temperature zaradi stratifikacije višje. Najboljši inženirski odgovor je nadgradnja s 316 na bolj odporno zlitino, kot je zlitina 20 ali zlitina 825 za večino aplikacij v lužilnih kopeli. Običajno je razlika v ceni med 2,0 mm plaščem iz 316 in plaščem iz zlitine 20 enake velikosti 30–50 %, vendar se življenjska doba v 15–20 % žveplovi kislini pri 50–60 stopinjah podaljša s 3–6 mesecev na 3–5 let. Pri izbiri grelnikov za lužilne kopeli mora inženir svetovati dobavitelju glede natančne sestave kopeli, temperaturnega območja in pričakovane stopnje turbulence. Če proizvajalec priporoča 316 za 15 % žveplovo kislino pri 50 stopinjah in ne govori o zmanjšanju moči ali možnosti aktivne korozije, ne daje kompetentnega nasveta. Prehod iz pasivne v aktivno korozijo v žveplovi kislini je hiter in neusmiljen. Za aktivno korozijo se bo 2,0 mm ovoj s 5 mm izgube na leto preluknjal v manj kot petih mesecih. Zmanjšanje moči pod 8 W/cm² za šestmesečno življenjsko dobo je na splošno potrebno, vendar je v številnih industrijskih lužilnih kopeli znižanje pod 4 W/cm² ali manj nepraktično in nadgradnja zlitine je edina zanesljiva izbira.