Почему катодная плотность тока на поверхности трубки является ключевым ограничением конструкции нагревателя с титановой оболочкой в ​​резервуаре для чистовой обработки металла с высоким содержанием хлоридов и цинковых смесей?

БАКИ ДЛЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ ЦИНКОВАНИЯ, ЦИНКОВАНИЯ ИЛИ НАНЕСЕНИЯ СПЛАВОВ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ ДЛЯ ОТДЕЛКИ МЕТАЛЛА И СОДЕРЖАТ СЛОЖНЫЕ СМЕСИ ЭЛЕКТРОЛИТОВ. Типичные составы состоят из 50-100 г/л хлорида цинка (ZnCl2), хлорида аммония (NH4Cl) в качестве проводящей соли, хлорида калия (KCl) и нескольких органических отбеливателей. Ванна имеет температуру 30–50 градусов и pH 4,5–6,0. Коррозионную стойкость часто обеспечивают с помощью нагревателей с титановой оболочкой. Однако эти ванны создают непреднамеренную электрохимическую ситуацию, когда титановая трубка действует как катод для осаждения цинка. Ионы цинка в растворе осаждаются на поверхности титана под действием электрической системы самого нагревателя или блуждающих токов от гальванического выпрямителя. Если цинковый налет остается тонким и однородным, трубка защищена, но если он расширяется до грубых узловатых структур, трубка перегревается и преждевременно выходит из строя. Определяющим фактором является скорость переноса электронов, приводящая к восстановлению цинка, т. е. катодная плотность тока на поверхности трубки.

Механизм катодного осаждения цинка на титановые нагреватели

The usual cathodic reaction happens on the work to be plated in a zinc plating bath. Any conductive surface that contacts the electrolyte, including the titanium heater sheath, can also operate as a cathode if an electrical channel exists. The wire of internal resistance of the heater is electrically insulated from the sheath. However, stray currents from the plating rectifier may pass through the bath, especially if the tank grounding is inadequate or if the heater mounting is in cathodic contact with the tank. When the titanium surface becomes cathodic, zinc ions are reduced to metallic zinc. Zn2+ + 2e- = Zn0. The rate of zinc deposition is proportional to cathodic current density (i_cathode). At low current densities (below 2 mA/cm²) zinc is deposited as a smooth adherent layer which actually shields the titanium. At moderate current densities (2–10 mA/cm2) the deposit becomes rough and porous, trapping electrolyte and leading to small hot spots. At high current densities (>10 мА/см2), быстрое образование цинка создает дендритные структуры, которые контактируют с другими частями резервуара, что приводит к коротким замыканиям и локальному перегреву.

Режим отказа нагревателя в зависимости от плотности тока: количественная корреляция

На основании контролируемых испытаний в ванне с имитацией хлорида цинка (80 г/л ZnCl2, 100 г/л KCl, 50 градусов) для титановых нагревателей класса 2 были выявлены следующие закономерности отказов:

Плотность катодного тока ниже 1 мА/см²: скорость отложения цинка 0,1–0,3 мм/мес. Отложения плотные, гладкие и мелкозернистые. Температура нагревателя постоянная. Кислотную очистку можно использовать для удаления отложений без повреждения основного металла.

Плотность катодного тока 1–3 мА/см2. Скорость осаждения цинка 0,5–1,0 мм/мес. Отложения узловатые, пористость от 20 до 30%. Локальный перегрев на вершинах отложений повышает температуру поверхности титана на 10–15 градусов выше заданного значения. Отопитель слишком часто работает.

Плотность катодного тока 3–8 мА/см2. Скорость осаждения цинка 1,5–3,0 мм в месяц. В течение 2–4 недель развиваются дендриты длиной 5–10 мм. Дендриты охватывают стенки резервуара или других нагревателей, вызывая короткое замыкание. Отказ нагревателя возникает в результате локального плавления в местах контакта.

Плотность катодного тока > 10 мА/см2: Скорость осаждения цинка > 5 мм/месяц. Неконтролируемый быстрый рост дендритов. Обогреватель обычно перегорает через 1-2 недели. Когда цинк отслаивается, основной металл титан может подвергаться активной коррозии.

2.0 Стратегии контроля плотности тока в ваннах для чистовой обработки металла

В следующей таблице представлена ​​схема принятия решений по управлению плотностью катодного тока в нагревателях с титановой оболочкой в ​​зависимости от конфигурации резервуара и электрической среды.

Настройка резервуара и электрическое состояние. Модификация конструкции и стратегия управления максимально допустимой плотностью катодного тока.
Резервуар правильно заземлен. Нагреватель электрически изолирован от резервуара. Отсутствие блуждающих токов. 2 мА/см2. Приемлемо для регулярной эксплуатации. Ежемесячный мониторинг толщины отложений. Очищайте обогреватель каждые 3–6 месяцев.
Фланец нагревателя находится в электрическом контакте с баком (катодный, имеется электрический путь) 0,5 мА/см²Вставьте изолирующую прокладку (ПТФЭ, 3 мм) между фланцем нагревателя и баком. «Снизить плотность тока до 25%».
Stray currents from rectifier (measured >0,5 В между нагревателем и электродом сравнения) 0,2 мА/см2Установите заземляющий стержень рядом с нагревателем. Защитный нагреватель с перфорированной трубкой из ПТФЭ для улучшения распределения электрического сопротивления.
High zinc content (>120 g/L Zn2+), high temperature (>50 градусов) 1 мА/см2. Более низкое содержание цинка или более низкая температура ванны. Более высокий Zn 2+ увеличивает скорость осаждения при одинаковой плотности тока.
Heater operated in tank with auxiliary cathodes (thief cathodes) for current distribution 3 mA/cm^2 Thief cathodes divert current away from heater. Okay for thieves to be cleaned weekly.
Инженерное дело без контроля плотности катодного тока

Обработка поверхности титановой трубки оказывает сильное влияние на адгезию цинка. Гладкая электрополированная поверхность (Ra<0.3 µm) permits the zinc deposit to be removed more readily than on an as-drawn surface (Ra 1.0 µm) where zinc keys into surface troughs. The wall thickness does not matter for the cathodic deposition. But the wall thickness matters for the time the heater can survive a localized overheating after the dendrites are formed. Thick wall (1.5 mm) may tolerate numerous short-circuit events before perforation, thin wall (0.8 mm) fails instantly. Deposition efficiency is also a function of pH. Hydrogen evolution competes with zinc deposition below pH 4, reducing the cathodic current density available for zinc, but with the potential for hydrogen embrittlement.

Написание обоснованной спецификации

Например, если вам требуется нагреватель с титановой оболочкой для бака чистовой обработки металла с высоким содержанием хлорида и цинка, укажите, что нагреватель должен быть электрически изолирован от резервуара с помощью прокладок и втулок из ПТФЭ. Установите максимально допустимую плотность катодного тока 1 мА/см2, исходя из площади поверхности нагревателя и блуждающих токов, зарегистрированных в резервуаре. Попросите поставщика предоставить обогреватель с электрополированной поверхностью для облегчения удаления отложений цинка. В существующих установках во время процесса нанесения покрытия измерьте напряжение между оболочкой нагревателя и медным-электродом сравнения из сульфата меди. Если показание превышает 0,3 В, это указывает на слишком сильную катодную поляризацию и требует коррекции. Предусмотрена система обратного тока,-управляемая таймером, которая подает короткий анодный импульс (от 1 до 2 секунд при плотности тока от 2 до 3 мА/см 2 ) каждый час для растворения зарождающихся отложений цинка до того, как они превратятся в проблемные конкреции. Инженер ограничивает катодную плотность тока как важнейшее ограничение конструкции, чтобы избежать каскадного отказа, связанного с образованием дендритного цинка, перегрева и короткого-замыкания в титановых нагревателях, используемых в гальванотехнике.