Przy jakiej konkretnej kombinacji stężenia kwasu siarkowego i temperatury osłona ze stali nierdzewnej 316 o grubości 2,0 milimetra wymaga obniżenia wartości znamionowych poniżej 8 watów na centymetr kwadratowy, aby zapobiec ogólnej penetracji korozji w ciągu sześciu miesięcy 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, przy średniej gęstości watów wynoszącej 8-12 W/cm2, temperatura powierzchni osłony wzrasta o 20-40 stopni powyżej temperatury kąpieli w masie, być może wprowadzając osłonę w tryb aktywnej korozji, w którym szybkość korozji przekracza 5 mm rocznie. W artykule podano szczególne kombinacje stężeń i temperatur, które wymagają obniżenia wartości znamionowych powłoki 316 o grubości 2,0 mm poniżej 8 W/cm2, aby uniknąć ogólnej penetracji korozji w ciągu sześciu miesięcy.

Pasywne-aktywne przejście stali nierdzewnej 316 w kwasie siarkowym
Jak podano w poprzednich artykułach, aktywne-przejście pasywne stali nierdzewnej 316 w kwasie siarkowym jest dość wrażliwe zarówno na temperaturę, jak i stężenie. W trybie pasywnym szybkość korozji wynosi mniej niż 0,2 mm rocznie. 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 przekroczył już temperaturę przejściową 45 stopni. - Kąpiel aktywnie koroduje do 316°C bez strumienia ciepła. 316 nie jest odpowiednie w takich okolicznościach, niezależnie od grubości ścianki i gęstości w watach. Jednakże wiele kąpieli trawiących pracuje w strefie przejściowej, gdzie warunki objętościowe są pasywne, ale temperatura powierzchni płaszcza jest wprowadzana do reżimu aktywnego przez duży przepływ ciepła. Dla grubości osłony 2,0 mm przy 8 W/cm2 wzrost temperatury od masy do powierzchni osłony wynosi około 20-25 stopni. Kąpiel masowa ma temperaturę 40 stopni z 15% kwasem (pasywnym), dlatego temperatura powierzchni płaszcza wynosi 60-65 stopni, czyli przekracza 45 stopni, zatem na powierzchni płaszcza występuje aktywna korozja przejściowa, nawet jeśli kąpiel masowa jest pasywna.

Krytyczne progi obniżenia wartości znamionowych powłoki o grubości 2,0 mm
Badania korozji 316 próbek w temperaturach i stężeniach istotnych dla kąpieli trawiących wykazały następujące wymagania dotyczące obniżenia wartości znamionowych dla osłony ściennej o grubości 2,0 mm, aby zapobiec ogólnej penetracji korozji w ciągu sześciu miesięcy. Wartości reprezentują maksymalną gęstość watów, która utrzymuje temperaturę powierzchni powłoki co najmniej 5 stopni poniżej pasywnej-aktywnej temperatury przejścia dla określonego stężenia w masie.

Stężenie kwasu siarkowego w masie Temperatura kąpieli w masie Pasywna-Aktywna temperatura przejścia przy tym stężeniu Maksymalna temperatura powierzchni powłoki (przejście – margines bezpieczeństwa 5 stopni) Maksymalna dopuszczalna gęstość w watach dla powłoki 2,0 mm Oczekiwany czas penetracji 2,0 mm przy wyższej gęstości mocy
10% 35 stopni 55 stopni 50 stopni 12 W/cm2 8-12 miesięcy przy 12 W/cm2 10% 40 stopni 55 stopni 50 stopni 8 W/cm2 6-9 miesięcy przy 8 W/cm2
10% 45 stopni 55 stopni 50 stopni 4 W/cm2 4-6 miesięcy przy 8 W/cm2 10% 50 stopni 55 stopni 50 stopni 0 W/cm2 (niewykonalne) 2-4 miesiące przy dowolnej gęstości watów
30 stopni 45 stopni 40 stopni 15% 10 W/cm² 6-10 miesięcy przy 10 W/cm²
15% 35 stopni 45 stopni 40 stopni 6 W/cm² 4–6 miesięcy przy 8 W/cm²
15% 40 stopni 45 stopni 40 stopni 2 W/cm2 3-5 miesięcy 6 W/cm2
15% >42 stopnie 45 stopni 40 stopni Niemożliwe 2-3 miesiące 20% 25 stopni 38 stopni 33 stopnie 8 W/cm2 5-8 miesięcy przy 8 W/cm2
20% 30°C 38°C 33°C 4 W/cm2 3-5 miesięcy do 6 W/cm2
20% 35 stopni 38 stopni 33 stopnie 0 W/cm² (niemożliwe) 2-3 miesiące 25%< 25°C < 32°C < 27°C < 4 W/cm2 2-4 months at 5 W/cm2
W przypadku typowej kąpieli trawiącej o temperaturze objętościowej 40 stopni i 15% kwasie siarkowym, osłona 316 o średnicy 2,0 mm musi działać przy lub poniżej 2 W/cm2, aby powierzchnia osłony była poniżej 40 stopni i była pasywna. Przy 8 W/cm2 powierzchnia osłony wynosi około 60-65 stopni C, jest to daleko w aktywnym trybie i ogólna korozja przeżarłaby ściankę o grubości 2,0 mm w ciągu około 3-5 miesięcy. Obniżenie wartości znamionowych do 6 W/cm² wydłuża żywotność do 4–6 miesięcy, ale poniżej 6 miesięcy. Obniżenie wartości znamionowych do 4 W/cm2 zapewnia pracę pasywną i żywotność wynoszącą 5+ lat, lecz tak niska gęstość mocy rzadko jest praktyczna w przypadku przemysłowych kąpieli trawiących.

Bezpieczna koperta operacyjna – sześciomiesięczny okres użytkowania
Poniższa tabela przedstawia maksymalne bezpieczne stężenie kwasu siarkowego w masie i kombinacje temperatur dla osłony 316 o średnicy 2,0 mm, zapewniające sześciomiesięczny okres użytkowania przy różnych gęstościach watów bez aktywnej penetracji korozji.

Gęstość watowa Maksymalna temperatura nasypu dla 10% H2SO4 Maksymalna temperatura nasypu dla 15% H2SO4 Maksymalna temperatura nasypu dla 20% H2SO4 Maksymalna temperatura nasypu dla 25% H2SO4 4 W/cm2 48 stopni 38 stopni 30 stopni 25 stopni 6 W/cm2 46 stopni 35 stopni 28 stopni 22 stopni 8 W/cm2 43 stopni 32 stopnie 25 stopni Niebezpieczne 10 W/cm2 40 stopni 28 stopni Niebezpieczne Niebezpieczne
12 W/cm2 36 stopnia Nie bezpieczne Nie bezpieczne Nie bezpieczne
Powłoka 316 o średnicy 2,0 mm i 8 W/cm2 miałaby temperaturę powierzchniową około 58 stopni, powyżej przejścia 45 stopni, dla kąpieli trawiącej działającej przy 15% kwasie siarkowym i temperaturze objętościowej 35 stopni. Prawdopodobnie nie potrwa to sześć miesięcy. Gęstość watowa wynosząca 4 W/cm^2 utrzymuje powierzchnię na poziomie około 48 stopni, powyżej temperatury przejścia wynoszącej 45 stopni, ale zmniejszone natężenie przepływu ciepła spowalnia szybkość korozji na tyle, aby uzyskać sześć miesięcy przed penetracją. Przy temperaturze objętościowej 45 stopni i 10% kwasie siarkowym, 4 W/cm² daje temperaturę powierzchniową około 58 stopni, czyli powyżej temperatury przejścia wynoszącej 55 stopni, a sześcio-miesięczna żywotność jest marginalna.

Zmiany konstrukcyjne mające na celu osiągnięcie sześciomiesięcznego okresu eksploatacji bez obniżania wartości znamionowych
Jeśli warunki kąpieli trawiącej wymagają wyższej gęstości watów niż dopuszczalna dla bezpiecznej pracy, trzy zmiany konstrukcyjne zapewnią sześciomiesięczny- okres użytkowania w osłonie 316 o grubości 2,0 mm bez obniżenia wartości znamionowych poniżej 8 W/cm2. Pierwszy polega na poprawie cyrkulacji kwasu po powierzchni grzejnika. Przepływ turbulentny z prędkością 1-2 m/s. zmniejsza wzrost temperatury powierzchni osłony z 25 stopni do 10-15 stopni przy tej samej gęstości watów. Grzejnik o temperaturze powierzchni wynoszącej 65 stopni w warunkach stagnacji może działać w temperaturze 50 stopni w dobrze krążącym kwasie i rzeczywiście może spaść poniżej progu przejścia. Druga zmiana polega na wprowadzeniu do kąpieli trawiącej inhibitora korozji. Komercyjne inhibitory mogą zmniejszyć szybkość aktywnej korozji o 70–90% i mogą wydłużyć reżim pasywny do wyższych temperatur. Ostateczna regulacja polega na zastosowaniu konstrukcji grzejnika o podwójnej gęstości mocy i zmniejszonej gęstości mocy w dolnej części wanny, gdzie temperatury są wyższe w wyniku rozwarstwiania. Najlepszą odpowiedzią inżynierską jest przejście z 316 na bardziej odporny stop, taki jak Alloy 20 lub Alloy 825, w przypadku większości zastosowań kąpieli trawiących. Zwykle różnica w kosztach między osłoną 316 o średnicy 2,0 mm a osłoną ze stopu 20 o tym samym rozmiarze wynosi 30–50%, ale żywotność w 15–20% kwasie siarkowym w temperaturze 50–60 stopni wzrasta z 3–6 miesięcy do 3–5 lat. Przy wyborze podgrzewaczy do kąpieli trawiących inżynier powinien doradzić dostawcy co do dokładnego składu kąpieli, zakresu temperatur oraz oczekiwanego stopnia 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. W przypadku aktywnej korozji osłona o grubości 2,0 mm i utracie 5 mm rocznie ulegnie perforacji w czasie krótszym niż pięć miesięcy. Generalnie wymagane jest obniżenie wartości znamionowych poniżej 8 W/cm² na okres sześciu miesięcy, jednakże w wielu przemysłowych kąpielach trawiących obniżenie wartości znamionowych poniżej 4 W/cm² lub mniej jest niepraktyczne i jedynym niezawodnym wyborem jest ulepszanie stopu.