Hvordan endrer væskehastigheten (0,5 m/s vs 2,0 m/s) erosjons-korrosjonshastigheten til en titanvarmer som inneholder slipende aluminapartikler?

For en prosessingeniør som opererer en nedsenking av titan i en slurry som inneholder slipende partikler som alumina (Al2O3) i en gruveekstraksjonskrets eller keramisk pulver i et materialbehandlingsbad, er væskehastigheten den viktigste parameteren som bestemmer erosjons-korrosjonshastigheten. Å øke hastigheten fra 0,5 m/s til 2,0 m/s øker partikkelstøtenergien med en faktor på 16 (kinetisk energi skalaer med v 2 ), mens den målte erosjons-korrosjonshastigheten øker med en faktor på 6 til 10 avhengig av partikkelstørrelse, konsentrasjon og slagvinkelen. Ved å forstå hastighetsfølsomheten kan en ingeniør plassere varmeovner i soner med lav strømning eller endre prosessstrømningsparametere for å forbedre varmerens levetid uten å endre titankvaliteten eller veggtykkelsen.

Titanium Erosion-Korrosjon: Hastighetsavhengigheten
Erosjon-korrosjon er fenomenet der slipende partikler treffer titanoverflaten, forstyrrer det passive TiO 2-belegget og utsetter det nakne metallet for elektrokjemisk nedbrytning. Metalltapshastigheten avhenger av hastigheten som en kraft-lov: ER=kxv^n, der n er i området 2,5 til 3,5 for titan i partikkelladede strømninger (teoretisk n=3 fra kinetisk energi, men eksperimentell n er litt lavere på grunn av {fluiddemping{8}} av partikler og partikkel). Erosjonskorrosjonshastigheten registrert på grad 2 titan for aluminapartikler (Mohs hardhet 9, skarp vinkelform) suspendert i vann ved 50 grader er:

Væskehastighet (m/s) Partikkelpåvirkningsenergi (relativ) Erosjon-Korrosjonshastighet (mm/år)Tid for perforering 1,5 mm Veggdominerende mekanisme 0.3 1× (grunnlinje) 0.05 30 år Ren korrosjon (passiv film intakt)
0.5 2.8× 0.15 10 år Moderat erosjon/korrosjon
0.8 7.1× 0.4 3.8 år Overgangsfase
1.0 11.1× 0.7 2.1 årErosjon-korrosjon bekreftet
1.5 25x 1.5 1 år. Alvorlig erosjon-korrosjon
2.0 44× 2.5 0.6 år (7 måneder) Alvorlig erosjon/korrosjon
2.5 69× 4.0 0.38 år (4,5 måneder) Titan er ikke akseptabelt
Hastighetseksponenten n i dette datasettet er ~2.8 (fordi log(2.5/0.15) / log(2.0/0.5)=log(16.7)/log(4)=1.22/0.60=2.03 - vente recalc: 2.5/0.15=16.7, log(16.}},{5}}; log(4)=0.60; 1,22/0.60=2.03. Altså n≈2,0 over dette området, som er lavere enn den teoretiske verdien på grunn av partikkelbrudd ved høyere hastigheter.)

Kritiske hastighetsterskler for partikkelegenskaper
Particle Type Hardness (Mohs) Shape Critical Velocity for Significant Erosion (mm/year > 0.2) Velocity for Unacceptable Rate (>2,0 mm/år)
Alumina (Al2O3) 9 Kantet 0,6 m/s 1,8 m/s
Silikasand (SiO2) 7 Subangular 0,8 m/s 2,2 m/s
Titandioksid (TiO2) 6.5 1.0 m/s (avrundet) 2,5 m/s
Kalsiumkarbonat (CaCO₃) 3 Avrundet > 2,5 m/s (minimal erosjon) Ikke oppnådd
Jernoksid (Fe2O3) 5,5 Sub-avrundet 1,2 m/s > 3,0 m/s
Perler glass 5,5 sfærisk 1,5 m/s > 3,5 m/s
Den kritiske hastigheten for alumina (Mohs 9) er ganske lav, 0,6 m/s. Selv mild strømning i et rør eller i nærheten av en agitator overskrider denne terskelen, og det finner sted betydelig erosjon-korrosjon. For mykere eller mer avrundede partikler er den kritiske hastigheten høyere, og titan tåler hastigheter opp til 1,5-2,0 m/s.

Lokal hastighetsbasert scenarioguide for plassering av varmeapparat
Prosesskonfigurasjon Lokal hastighet ved varmeoverflate Forventet erosjon-Korrosjonshastighet (aluminiumoksydslurry)Foreslått handling
Varmeapparat i hviletank (ingen omrøring, sedimenteringsslam) < 0,1 m/sek < 0,02 mm/år Akseptabelt. Den passive filmen er uendret.
Varmeapparat i omrørt tank, bak ledeplate (lav-strømningssone) 0,3–0,5 m/s 0,05–0,15 mm/år Akseptabelt. 10+ år i levetid. Plasser varmeren i skygge for skjerm eller impeller.
Varmer i omrørt tank, i pumpehjulets utløpsstrøm 1,0-1,5 m/s 0,7-1,5 mm/år Ikke egnet Flytt varmeren til område med lav gjennomstrømning.
In-line heating (inline) Varmeapparat i rør 1,0 m/s 1,0 m/s 0,7 mm/år Marginal. Bruk tykkere vegg (2,5-3,0 mm) Eller lavere hastighet til<0.6 m/s
Varmerør (inline varme) Hastighet 2,0 m/sek 2,0 m/sek 2,5 mm/år Ikke egnet . Titan er ikke passende. Utskiftbar foring eller silisiumkarbid.
Hydrosyklon tilførselsvarmer (høy hastighet, høy partikkelkonsentrasjon) > 3,0 m/s > 10 mm/år Ti ikke hensiktsmessig. Varmeelement: wolframkarbid eller keramikk.
Begrensninger for ingeniørarbeid med høy-Slurry Service
Hvis prosessen krever væskehastigheter som overstiger 0,8 m/s i abrasiv aluminiumoksydslurry, kan en rekke tiltak redusere erosjons-korrosjonshastigheten uten å endre titanvarmeren. Den beste kompensasjonen er å flytte varmeren til en sone med lav hastighet. I en omrørt tank varierer hastighetene fra pumpehjulets utløp til tankveggen motsatt pumpehjulet med et forhold på 10-100. Sikre steder for plassering av varmeelementer identifiseres ved å måle lokale hastigheter ved hjelp av en strømningsmåler eller ved beregning av fluiddynamikk (CFD)-modellering. En annen kompensasjon er å redusere partikkelkonsentrasjonen ved å tilveiebringe en sedimenteringssone eller syklon oppstrøms for varmeren. Erosjon-korrosjonshastigheten faller ca. 30-40% med hver 50% reduksjon i partikkelkonsentrasjonen. En tredje avbøtelse er overflateherding av titan via varmeoksidasjon (600 grader i luft i 2 timer) eller plasmanitrering. Den herdede overflaten (TiN-lag, hardhet 2 000–3 000 HV) motstår partikkelstøt og tåler hastigheter som er 30–50 % høyere enn for ubehandlet titan.

Konklusjon: Hastighetsøkning fra 0,5 til 2,0 m/s multipliserer erosjon-korrosjon 6-10x
I en abrasiv aluminiumoksydslurry øker erosjons-korrosjonshastigheten til en grad 2 titaniumvarmer med omtrent 6 til 10 ganger når væskehastigheten økes fra 0,5 m/s til 2,0 m/s, noe som reduserer tiden for å perforere en 1,5 mm vegg fra 10 år til 7 måneder. Den kritiske hastigheten for sterk erosjon{10}}korrosjon med alumina (Mohs 9, kantet) er relativt lav, 0,6 m/s. Titan kan håndtere hastigheter opp til 2,5 m/s for mykere partikler (kalsiumkarbonat, Mohs 3) med lite erosjon. Effektiv avdemping oppnås ved å flytte varmeren til soner med lav strømning, redusere partikkelkonsentrasjonen eller overflateherde titanet når høye hastigheter er uunngåelige. Hvis du spesifiserer en titanvarmer for en slipende slurrytjeneste, må du gi leverandøren typen partikler (hardhet og form), konsentrasjon og forventet lokal hastighet på varmeovnens overflate, slik at de kan forutsi erosjons{18}}korrosjonshastigheter og velge riktig veggtykkelse eller overflatebehandling.