Ved hvilken spesifikk kombinasjon av svovelsyrekonsentrasjon og temperatur krever en 2,0 millimeter 316 rustfri stålkappe reduksjon under 5 watt per kvadratcentimeter for å forhindre aktiv korrosjon i metallbeisebad?

Prosessingeniører som bygger elektriske varmeovner for metallbeisingsbad i stålfabrikker og metallindustrien står overfor en av de tøffeste forholdene for 316 rustfrie stålhylster når de møter svovelsyre ved ekstreme temperaturer. Beisebad drives vanligvis ved temperaturer på 60 til 90 grader og svovelsyrekonsentrasjoner på 10 til 25 %, ofte med oppløste jernsalter, noe som kompliserer korrosjonsoppførselen ytterligere. En veggtykkelse på 2,0 mm velges ofte for å tillate korrosjon og for å gi mekanisk elastisitet til badet turbulens og kontakt med arbeidsstykket. Kjøring med normal watttetthet på 8-12 W/cm2 fører imidlertid til at kappens overflatetemperatur er 20-40oC høyere enn bulkbadtemperaturen, noe som kan føre til at kappen går inn i det aktive korrosjonsregimet med korrosjonshastigheter på over 5 mm per år. I denne artikkelen identifiserer vi de aktuelle temperatur-konsentrasjonskombinasjonene der en 2,0 mm 316 kappe må reduseres under 5 W/cm2 for å holde seg innenfor det passive korrosjonsregimet.

316 rustfritt stål i svovelsyre: Overgangen fra passiv til aktiv
Artikkel 30 sier at i svovelsyre er den passive-aktive overgangen til 316 rustfritt stål i stor grad avhengig av temperatur og konsentrasjon. Korrosjonshastigheter er < 0,2 mm yr−1 i det passive regimet. I det aktive regimet er hastighetene 5-20 mm per år. Beisebadforholdenes overgangsgrense følger en viss kurve. Overgangstemperaturen for 10 prosent. svovelsyre er omtrent 55 grader C. Ved 15 % er 45 graders overgang. Ved 20 % synker den til 38 grader. Den blir opptil 32 grader . - 25%. For en varmeovn i et bulkbad ved 70 grader med 15 % svovelsyre, er bulktilstanden alene allerede over 45 graders overgangstemperatur - badet er aktivt etsende til 316 uten varmefluks. 316 er ikke hensiktsmessig under disse omstendighetene uavhengig av veggtykkelse eller watttetthet. Imidlertid er mange beisebad i overgangssonen hvor bulkforholdene er passive, men den økte kappens overflatetemperatur, på grunn av varmefluks, skyver kappen inn i det aktive regimet. Temperaturøkningen fra bulk til kappeoverflaten er rundt 25–30 grader for en kappe på 2,0 mm ved 10 W/cm². Et bulkbad på 40 grader med 15 % syre (passiv) gir en kappeoverflatetemperatur på 65–70 grader, som overstiger 45 graders overgangen, så aktiv korrosjon oppstår på kappeoverflaten til tross for at bulkbadet er passivt.

Kritiske reduksjonsgrenser 2,0 millimeter kappe
Nedsettingsbehov fra korrosjonstesting av 316 prøver, ved temperaturer og konsentrasjoner som er relevante for beisebad, er som følger. Slire med 2,0 mm vegg. Verdiene er den maksimale watttettheten som opprettholder kappens overflatetemperatur minst 5 grader under den passive-aktive overgangstemperaturen for den gitte bulkkonsentrasjonen.

Bulk svovelsyrekonsentrasjon Bulkbadtemperatur Passiv-Aktiv overgangstemperatur ved denne konsentrasjonen Maksimal manteloverflatetemperatur (overgang – 5 graders sikkerhetsmargin) Maks. Tillatt watttetthet for 2,0 mm. Hylse Anbefalt handling 10 % 30 grader 55 grader 50 grader 12 W/cm² Trygg ved standard watttetthet
10 % 40 grader 55 grader 50 grader 6 W/cm² Derate 10 % 45 grader 55 grader 50 grader 3 W/cm2 Marginal; Vurder legeringsoppgradering 10 % Over 48 grader 55 grader 50 grader Ikke muligTitan eller Alloy 20
15 % 25oC 45oC 40oC 10 W/cm2 Trygg i moderat watttetthet
15 % 30 grader 45 grader 40 grader 6 W/cm² Reduksjon nødvendig
15 % 35 grader 45 grader 40 grader 2 W/cm2 Ikke praktisk byttelegering
15 % Over 38 grader 45 grader 40 grader Ikke mulig 316 ikke praktisk
20 % 20 grader 38 grader 33 grader 8 W/cm² Trygg ved lav watttetthet
20% 25C 38C 33C 4 W/cm2 Major reduksjon 20% Over 28C 38C 33C Ikke mulig 316 ikke egnet
25% <25°C 32°C 27°C <3 W/cm² 316 not recommended
25 % > 25 grader 32 grader 27 grader Ikke mulig Bruk Alloy 20 eller Titanium
For et typisk beisebad ved 15 % svovelsyre og 35 graders bulktemperatur, må 2,0 mm 316-kappen være på eller under 2 W/cm2 for å forhindre aktiv korrosjon. Ved denne watttettheten vil varmeren være en upraktisk lang varmeovn for gjennomsnittlig effektbehov på 10-20 kW. Så 316 passer ikke for denne tjenesten. Ingeniører bør vurdere å bruke Alloy 20 (Carpenter 20) eller Alloy 825, som begge har passiv-aktive overgangstemperaturer 30–50 grader høyere enn 316 i svovelsyre.

Designendringer for å forhindre aktiv korrosjon uten reduksjon
Hvis beisebadforholdene er nær overgangsgrensen og en 2,0 mm 316 kappe allerede er på plass eller er nødvendig, kan tre designjusteringer unngå aktiv korrosjon uten å falle watttettheten under praktiske grenser. Den første er å forbedre syresirkulasjonen over varmeoverflaten. Den turbulente strømmen med en hastighet på 1–2 m/s reduserer temperaturstigningen på kappeoverflaten fra 25–30 til 10–15 grader, noe som kan forhindre at kappen når overgangspunktet. Den andre endringen er å tilsette et oksidasjonsmiddel i badekaret. Små tilsetninger av jern(III)ioner eller hydrogenperoksid kan flytte den passive-aktive overgangen til høyere temperaturer med 10-20 grader C, og gå tilbake til passiv oppførsel. Den tredje endringen er design med dobbel-watt-tetthet som har lavere effekttetthet i den nedre delen av badekaret med de høyeste temperaturene på grunn av lagdeling. For de fleste bruksområder for beisebad er den tekniske løsningen å oppgradere fra 316 til en mer motstandsdyktig legering. Typisk er kostnadsforskjellen mellom en 2,0 mm 316 kappe og en Alloy 20 kappe av samme størrelse 30-50 %, men levetiden forbedres fra måneder til 5-10 år. Ved spesifikasjon av varmeovner for beisebad skal ingeniørene gi leverandøren den komplette sammensetningen av badet, temperaturområdet og forventet turbulensgrad. Hvis produsenten anbefaler 316 for 15 % svovelsyre ved 50 grader og ikke snakker om reduksjon eller muligheten for aktiv korrosjon, gir de ikke kompetente råd. Endringen fra passiv til aktiv korrosjon i svovelsyre er rask og nådeløs. En 2,0 mm kappe som mister 5 mm/år i aktiv korrosjon vil perforere på mindre enn 5 måneder. Derating<5 W/cm 2 is seldom feasible for commercial pickling baths, therefore alloy upgrade remains the only reliable remedy for most applications.