При каком конкретном сочетании концентрации серной кислоты и температуры оболочка из нержавеющей стали 316 толщиной 2,0 мм требует снижения номинальных характеристик ниже 5 Вт на квадратный сантиметр для предотвращения активной коррозии в ваннах для травления металла?

Инженеры-технологи, создающие погружные электронагреватели для ванн травления металла на сталелитейных заводах и в металлообрабатывающей промышленности, сталкиваются с одними из самых суровых условий для оболочек из нержавеющей стали 316, когда они сталкиваются с серной кислотой при экстремальных температурах. Травильные ванны обычно эксплуатируются при температуре от 60 до 90 градусов и концентрации серной кислоты от 10 до 25 %, часто с растворенными солями железа, что еще больше усложняет коррозионное поведение. Толщина стенки 2,0 мм часто выбирается для защиты от коррозии и обеспечения механической устойчивости к турбулентности ванны и контакту с заготовкой. Однако работа при нормальной плотности ватт 8-12 Вт/см2 приводит к тому, что температура поверхности оболочки оказывается на 20-40°C выше температуры объемной ванны, что может привести к переходу оболочки в режим активной коррозии со скоростью коррозии более 5 мм в год. В этой статье мы определяем применимые комбинации температуры и концентрации, для которых необходимо снизить номинальную мощность оболочки из 316 толщиной 2,0 мм ниже 5 Вт/см2, чтобы оставаться в режиме пассивной коррозии.

Нержавеющая сталь 316 в серной кислоте: переход от пассивного к активному
В статье 30 говорится, что в серной кислоте пассивный-активный переход нержавеющей стали 316 во многом зависит от температуры и концентрации. Скорость коррозии < 0,2 мм/год в пассивном режиме. В активном режиме темпы составляют 5-20 мм в год. Граница перехода условий травильной ванны проходит по определенной кривой. Температура перехода на 10 процентов. серной кислоты — около 55 градусов С. При 15% — переход на 45 градусов. При 20% она падает до 38 градусов. Она достигает 32 градусов . - 25%. Для нагревателя в объемной ванне при 70 градусах с 15% серной кислоты само объемное состояние уже превышает температуру перехода 45 градусов - ванна активно коррозирует до 316 без теплового потока . 316 не подходит в этих обстоятельствах, независимо от толщины стенок или плотности ватт. Однако многие травильные ванны находятся в переходной зоне, где объемные условия являются пассивными, но повышенная температура поверхности оболочки из-за теплового потока переводит оболочку в активный режим. Повышение температуры от объема к поверхности оболочки составляет около 25–30 градусов для оболочки толщиной 2,0 мм при 10 Вт/см². Объемная ванна при 40 градусах с 15% кислотой (пассивная) приводит к температуре поверхности оболочки 65–70 градусов, что превышает переходную температуру 45 градусов, поэтому на поверхности оболочки происходит активная коррозия, несмотря на то, что объемная ванна является пассивной.

Критические пороги снижения номинальных характеристик Оболочка 2,0 мм
Потребности в снижении номинальных характеристик в результате коррозионных испытаний 316 образцов при температурах и концентрациях, соответствующих травильным ваннам, заключаются в следующем. Оболочка со стенкой 2,0 мм. Значения представляют собой максимальную плотность ватт, которая поддерживает температуру поверхности оболочки как минимум на 5 градусов ниже температуры пассивного-активного перехода для данной объемной концентрации.

Объемная концентрация серной кислоты Температура объемной ванны Пассивная-Активная температура перехода при этой концентрации Максимальная температура поверхности оболочки (переход – запас прочности 5 градусов)Макс. Допустимая плотность ватт для 2,0 мм. Рекомендуемое действие для оболочки 10 % 30 градусов 55 градусов 50 градусов 12 Вт/см² Безопасно при стандартной плотности ватт
10% 40 градусов 55 градусов 50 градусов 6 Вт/см² Снижение номинальных характеристик 10% 45 градусов 55 градусов 50 градусов 3 Вт/см2 Предельное; Рассмотреть возможность модернизации сплава 10 % Выше 48 градусов 55 градусов 50 градусов Невозможно Титан или сплав 20
15% 25°C 45°C 40°C 10 Вт/см2 Безопасно при умеренной плотности мощности
15% 30 градусов 45 градусов 40 градусов 6 Вт/см² Необходимо снижение номинальных характеристик
15% 35 градусов 45 градусов 40 градусов 2 Вт/см2 Нецелесообразно менять сплав
15% Выше 38 градусов 45 градусов 40 градусов Невозможно 316 непрактично
20% 20 градусов 38 градусов 33 градусов 8 Вт/см² Безопасно при низкой плотности мощности
20 % 25C 38C 33C 4 Вт/см2 Значительное снижение номинальных характеристик 20 % Выше 28C 38C 33C Невозможно 316 не подходит
25% <25°C 32°C 27°C <3 W/cm² 316 not recommended
25% > 25 градусов 32 градусов 27 градусов Невозможно Используйте сплав 20 или титан
Для типичной травильной ванны с 15% серной кислотой и объемной температурой 35 градусов толщина оболочки из 316 толщиной 2,0 мм должна иметь удельную мощность не более 2 Вт/см2, чтобы предотвратить активную коррозию. При такой плотности мощности нагреватель будет непрактично длинным при средней потребляемой мощности 10-20 кВт. Так что 316 не подходит для этого сервиса. Инженерам следует рассмотреть возможность использования сплава 20 (Carpenter 20) или сплава 825, оба из которых имеют температуру пассивно-активного перехода на 30–50 градусов выше, чем 316 в серной кислоте.

Изменения конструкции для предотвращения активной коррозии без снижения номинальных характеристик
Если условия травильной ванны близки к границе перехода и оболочка из 316 толщиной 2,0 мм уже установлена ​​или необходима, три корректировки конструкции помогут избежать активной коррозии, не снижая удельную плотность ватт ниже практических пределов. Во-первых, это улучшение циркуляции кислоты по поверхности нагрева. Турбулентный поток со скоростью 1–2 м/с снижает повышение температуры поверхности оболочки с 25–30 до 10–15 градусов, что может помешать оболочке достичь точки перехода. Вторая переделка – добавление в ванну окислителя. Небольшие добавки ионов железа или перекиси водорода могут сдвинуть пассивный-активный переход к более высоким температурам на 10-20 градусов C, возвращая к пассивному поведению. Третье изменение — это конструкция нагревателя с двойной -ваттной плотностью, которая имеет меньшую плотность мощности в нижней части ванны с наибольшими температурами из-за расслоения. Для большинства применений травильных ванн инженерное решение заключается в переходе от сплава 316 к более стойкому сплаву. Обычно разница в стоимости между оболочкой из сплава 316 толщиной 2,0 мм и оболочкой из сплава 20 того же размера составляет 30–50 %, но срок службы увеличивается с нескольких месяцев до 5–10 лет. При выборе нагревателей для травильных ванн инженеры должны предоставить поставщику полный состав ванны, диапазон температур и ожидаемую степень турбулентности. Если производитель рекомендует 316 для 15% серной кислоты при 50 градусах и не говорит о снижении номинальных характеристик или возможности активной коррозии, он не дает компетентного совета. Переход от пассивной коррозии к активной в серной кислоте быстрый и беспощадный. Оболочка толщиной 2,0 мм, которая теряет 5 мм/год в результате активной коррозии, перфорируется менее чем за 5 месяцев. Снижение номинальных характеристик<5 W/cm 2 is seldom feasible for commercial pickling baths, therefore alloy upgrade remains the only reliable remedy for most applications.