Przy jakiej konkretnej kombinacji stężenia kwasu siarkowego i temperatury osłona ze stali nierdzewnej 316 o grubości 2,0 milimetra wymaga obniżenia wartości znamionowych poniżej 5 watów na centymetr kwadratowy, aby zapobiec aktywnej korozji w kąpielach trawiących metal?

Inżynierowie zajmujący się procesami budujący elektryczne grzejniki zanurzeniowe do kąpieli trawiących metale w hutach stali i zakładach produkujących metale stają w obliczu jednego z najcięższych warunków dla osłon ze stali nierdzewnej 316 w obliczu działania kwasu siarkowego w ekstremalnych temperaturach. Kąpiele trawiące są powszechnie stosowane w temperaturach od 60 do 90 stopni i przy stężeniu kwasu siarkowego od 10 do 25%, często z rozpuszczonymi solami żelaza, co jeszcze bardziej komplikuje zachowanie korozyjne. Często wybiera się grubość ścianki 2,0 mm, aby zapobiec korozji i zapewnić odporność mechaniczną na turbulencje kąpieli i kontakt z przedmiotem obrabianym. Jednakże praca przy normalnej gęstości watów wynoszącej 8-12 W/cm2 powoduje, że temperatura powierzchni płaszcza jest o 20–40oC wyższa niż temperatura kąpieli w masie, co może prowadzić do wejścia płaszcza w tryb aktywnej korozji z szybkością korozji większą niż 5 mm rocznie. W tym artykule identyfikujemy odpowiednie kombinacje temperatury i stężenia, dla których powłoka 316 o grubości 2,0 mm musi zostać obniżona poniżej 5 W/cm2, aby pozostać w pasywnym reżimie korozji.

Stal nierdzewna 316 w kwasie siarkowym: przejście od pasywnego do aktywnego
Artykuł 30 stanowi, że w przypadku kwasu siarkowego bierna-aktywna przemiana stali nierdzewnej 316 zależy w dużej mierze od temperatury i stężenia. Szybkość korozji wynosi < 0,2 mm rocznie w trybie pasywnym. W trybie aktywnym stawki wynoszą 5-20 mm rocznie. Granica przejścia warunków kąpieli trawiącej przebiega według określonej krzywej. Temperatura przejścia dla 10 proc. kwas siarkowy ma około 55 stopni C. Przy 15% następuje przemiana 45 stopni. Przy 20% spada do 38 stopni. Dochodzi do 32 stopni . - 25%. W przypadku grzejnika w kąpieli zbiorczej o temperaturze 70 stopni z 15% kwasem siarkowym, sam stan masy przekracza już temperaturę przejścia 45 stopni – kąpiel aktywnie koroduje do 316°C bez strumienia ciepła. 316 nie jest odpowiednia w takich okolicznościach niezależnie od grubości ścianki i gęstości w watach. Jednakże wiele kąpieli trawiących znajduje się w strefie przejściowej, gdzie warunki objętościowe są pasywne, ale podwyższona temperatura powierzchni osłony, w wyniku strumienia ciepła, wypycha osłonę do stanu aktywnego. Wzrost temperatury od masy do powierzchni osłony wynosi około 25–30 stopni dla osłony o grubości 2,0 mm przy 10 W/cm². Kąpiel masowa o temperaturze 40 stopni z 15% kwasem (pasywna) powoduje, że temperatura powierzchni płaszcza wynosi 65–70 stopni, co przekracza przejście 45 stopni, zatem na powierzchni płaszcza występuje aktywna korozja, mimo że kąpiel masowa jest pasywna.

Krytyczne progi obniżenia wartości znamionowych Osłona o grubości 2,0 milimetra
Wymagania w zakresie obniżenia wartości znamionowych wynikające z badań korozji 316 próbek w temperaturach i stężeniach właściwych dla kąpieli trawiących są następujące. Osłona ze ścianką o grubości 2,0 mm. Wartości to maksymalna gęstość watów, która utrzymuje temperaturę powierzchni powłoki co najmniej 5 stopni poniżej pasywnej-aktywnej temperatury przejścia dla danego stężenia w masie.

Stężenie kwasu siarkowego w masie Temperatura kąpieli w masie Pasywna-Aktywna temperatura przejścia przy tym stężeniu Maksymalna temperatura powierzchni osłony (przejście – margines bezpieczeństwa 5 stopni)Maks. Dopuszczalna gęstość watowa dla 2,0 mm. Osłona Zalecane działanie 10% 30 stopni 55 stopni 50 stopni 12 W/cm² Bezpieczne przy standardowej gęstości watów
10% 40 stopni 55 stopni 50 stopni 6 W/cm² Obniżenie wartości znamionowych 10% 45 stopni 55 stopni 50 stopni 3 W/cm2 Marginalne; Rozważ ulepszenie stopu 10% Powyżej 48 stopni 55 stopni 50 stopni Niemożliwe Tytan lub stop 20
15% 25oC 45oC 40oC 10 W/cm2 Bezpieczny przy umiarkowanej gęstości mocy
15% 30 stopni 45 stopni 40 stopni 6 W/cm² Konieczne obniżenie wartości znamionowych
15% 35 stopni 45 stopni 40 stopni 2 W/cm2 Niepraktyczna zmiana stopu
15% Powyżej 38 stopni 45 stopni 40 stopni Niemożliwe 316 niepraktyczne
20% 20 stopni 38 stopni 33 stopni 8 W/cm² Bezpieczne przy niskiej gęstości mocy
20% 25C 38C 33C 4 W/cm2 Znaczne obniżenie wartości znamionowych 20% Powyżej 28C 38C 33C Niemożliwe 316 nieodpowiednie
25% <25°C 32°C 27°C <3 W/cm² 316 not recommended
25% > 25 stopni 32 stopnie 27 stopni Niemożliwe Użyj stopu 20 lub tytanu
W przypadku typowej kąpieli trawiącej przy 15% kwasie siarkowym i temperaturze objętościowej 35 stopni, powłoka 316 o grubości 2,0 mm musi mieć moc równą lub niższą niż 2 W/cm2, aby zapobiec aktywnej korozji. Przy tej gęstości watów grzejnik byłby niepraktycznie długim grzejnikiem przy średnim zapotrzebowaniu na moc wynoszącym 10-20 kW. Zatem numer 316 nie jest odpowiednim rozwiązaniem dla tej usługi. Inżynierowie powinni rozważyć zastosowanie stopu 20 (Carpenter 20) lub stopu 825, które charakteryzują się temperaturą przejścia pasywno-aktywnego o 30–50 stopni wyższą niż 316 w kwasie siarkowym.

Zmiany projektowe mające na celu zapobieganie aktywnej korozji bez obniżania wartości znamionowych
Jeśli warunki kąpieli trawiącej są zbliżone do granicy przejścia i osłona ze stali 316 o grubości 2,0 mm jest już na miejscu lub jest konieczna, trzy zmiany konstrukcyjne mogą zapobiec aktywnej korozji bez spadku gęstości mocy poniżej praktycznych granic. Pierwszym z nich jest poprawa cyrkulacji kwasu na powierzchni grzewczej. Przepływ turbulentny z prędkością 1–2 m/s powoduje zmniejszenie wzrostu temperatury powierzchni osłony z 25–30 do 10–15 stopni, co może uniemożliwić dotarcie osłony do punktu przejścia. Druga zmiana polega na dodaniu do kąpieli środka utleniającego. Niewielkie dodatki jonów żelaza lub nadtlenku wodoru mogą przesunąć pasywne-aktywne przejście do wyższych temperatur o 10-20 stopni C, powracając do zachowania pasywnego. Trzecią zmianą jest konstrukcja grzejnika o podwójnej{{16}watowej gęstości, która ma niższą gęstość mocy w dolnej części wanny o najwyższych temperaturach ze względu na rozwarstwienie. W przypadku większości zastosowań kąpieli trawiących rozwiązaniem inżynieryjnym jest przejście ze stopu 316 na bardziej odporny stop. Zazwyczaj różnica w kosztach pomiędzy osłoną 316 o średnicy 2,0 mm a osłoną ze stopu Alloy 20 o tym samym rozmiarze wynosi 30-50%, ale żywotność wydłuża się z miesięcy do 5-10 lat. Określając grzejniki do kąpieli trawiących, inżynierowie powinni dostarczyć dostawcy pełny skład kąpieli, zakres temperatur i przewidywany stopień turbulencji. Jeśli producent zaleca 316 na 15% kwas siarkowy o temperaturze 50 stopni i nie mówi o obniżeniu wartości znamionowych lub możliwości aktywnej korozji, to nie udziela kompetentnych porad. Zmiana korozji pasywnej na aktywną w kwasie siarkowym jest szybka i bezlitosna. Osłona o grubości 2,0 mm, która traci 5 mm/rok w wyniku aktywnej korozji, ulegnie perforacji w czasie krótszym niż 5 miesięcy. Obniżanie wartości znamionowych<5 W/cm 2 is seldom feasible for commercial pickling baths, therefore alloy upgrade remains the only reliable remedy for most applications.