Для титанового нагревательного стержня, работающего в 50% растворе карбоната калия при температуре 110 градусов, как уровень растворенного кислорода (0,5 частей на миллион против . 5 частей на миллион) меняет стабильность пассивационного слоя титаната?

Защитный слой титаната калия (K₂TiO₃) образуется на поверхности титана в 50% карбонате калия (K₂CO₃) при температуре 110 градусов. Образование титаната критически зависит от растворенного кислорода (DO). При низком DO (0,5 ppm) слой титаната тонкий (0,1–0,5 мкм), пористый и обеспечивает плохую защиту. При высоком РК (5 ppm) покрытие становится толстым (1–3 мкм) и плотным, что снижает скорость коррозии в 5–10 раз. Слой титаната образуется в результате реакции TiO 2 + K 2 O → K 2 TiO 3, где K 2 O образуется в результате разложения K 2 CO 3 .

Механизм влияния растворенного кислорода на формирование титанатного слоя.

Кислород необходим для поддержания поверхности титана в пассивном состоянии, в котором TiO_2 может расти. TiO2 реагирует в присутствии K2CO3 и образует K2TiO3. При недостатке кислорода слой TiO2 тонкий и дефектный, образовавшийся слой K2TiO3 такой же дефектный. При низком РК слой содержит трещины и поры, которые способствуют продолжению коррозии. При высоком РК слой равномерно увеличивается и становится защитным. В установившемся режиме скорость коррозии определяется прохождением кислорода через слой титаната.

Количественные свойства титанатного слоя в зависимости от растворенного кислорода

При контролируемых испытаниях титана Grade 2 температура 110 градусов в 50% K 2 CO 3 в течение 1000 часов доказала следующее. При 0 ppm DO (деаэрированный) толщина слоя титаната составляет 0,05–0,1 мкм, скорость коррозии 0,15–0,30 мм/год и темная пористая поверхность. При концентрации DO 0,5 ppm толщина составляет 0,1-0,3 мкм, скорость коррозии 0,08-0,15 мм/год, поверхность серая, с умеренной пористостью. Толщина 0,5–1,0 мкм. Скорость коррозии составляет 0,03–0,08 мм в год. Поверхность светло-серая с содержанием DO 2 ppm. При содержании DO 5 ppm толщина составляет 1,0–2,0 мкм, скорость коррозии 0,01–0,03 мм/год, поверхность блестящая и защищенная. При концентрации DO 10 ppm толщина составляет 2,0–3,0 мкм, скорость коррозии 0,005–0,015 мм в год, поверхность блестящая и стабильная.

Влияние температуры на потребность в растворенном кислороде

С ростом температуры минимальное содержание растворенного кислорода, необходимое для устойчивой пассивации, увеличивается. Минимальный раствор кислорода при 80 градусах для стабильного пассивационного слоя (скорость коррозии<0.02 mm per year) is 1 ppm. The minimum is 2ppm at 100°C. At 110°C the minimum is 3ppm. The minimum is at 120 °C (4 ppm). 5 ppm, 130°C. The DO for a safety margin should be 2–3 times the minimum.

Руководство по контролю уровня растворенного кислорода в нагревателях на основе карбоната калия

Рекомендации по содержанию растворенного кислорода в 50% K2CO3 при температуре 110 градусов для титановых нагревателей Grade 2 и Grade 7 приведены в таблице ниже.

Измеренное содержание растворенного кислорода (ppm) Стабильность слоя титаната Ожидаемая скорость коррозии (мм в год)Рекомендуемое действие:5 Отлично от 0,005 до 0,015Нет 3–5Хорошо 0,01–0,03 Мониторинг еженедельно 2–3 Незначительно 0,03–0,08 Продувка воздухом 1–2 Плохо 0,08–0,15 Увеличьте аэрацию
0.5 - 1 Нестабильный редизайн 0.15 - 0.30; добавить окислитель<0.5 Very unstable >0,30 Не приемлемо
Инженерия за пределами DO

Марка титана влияет на необходимый уровень кислорода. Марка 7 (стабилизированная палладием) создает стабильный слой титаната при более низких уровнях растворенного кислорода (1-2 ppm при 110°C) благодаря катализируемому палладием восстановлению кислорода. Уровень 12 класса предназначен для среднего уровня повышения квалификации. Толщина стенки обеспечивает припуск на коррозию; Коррозия 0,03 мм/год на стенке толщиной 2,0 мм сохраняется в течение 60 лет. Концентрация K2CO3 влияет на пассивацию, и более низкое необходимое содержание DO наблюдается при 40% K2CO3. Потребность РК возрастает на 1-2 ppm из-за присутствия в растворе K 2 CO 3 хлоридов (из примесей).

Делаем обоснованное предположение

For titanium heat rod in 50% K₂CO₃ at 110°C, ensure dissolved oxygen >5 частей на миллион путем барботажа воздухом или впрыска кислорода. Добавьте датчик растворенного кислорода с сигнализацией, установленной на уровне 4 частей на миллион, и блокировкой на уровне 3 частей на миллион. Для существующих систем с DO < 3 частей на миллион установите барботер или увеличьте скорость аэрации. Если аэрация невозможна, разбавьте K2CO3 до 40% или снизьте температуру до 100 градусов. Инженер контролирует концентрацию растворенного кислорода выше 5 частей на миллион, чтобы обеспечить стабильный защитный слой титаната калия и минимизировать коррозию.