Når en nedsenkingsvarmer i titan tjener til å opprettholde 90 grader i en dyppetank for gummivulkanisering (inneholder sinkstearat og svovel), endrer svovel-indusert korrosjon ved høy varmefluks det optimale valget av veggtykkelse? Stearat og svovel), endrer svovel-indusert korrosjon ved høy varmestrøm det optimale valget av veggtykkelse?

Grunnleggende avveininger-av utformingen av titanvarmere for vulkaniseringstanker
Dyppetankene for gummivulkanisering drives ved 90 grader med en formulering av sinkstearat (slippmiddel) og svovel (vulkaniseringsmiddel). Titanium varmeovner opprettholder temperaturen for jevn vulkanisering. Temperaturen på titankappeoverflaten ved høy varmefluks (vanligvis 2,5–3,5 W/cm^2) er 100–120 grader. Ved disse temperaturene interagerer svovel med titan for å generere titansulfid (TiS2) i stedet for det beskyttende titandioksidlaget. Titansulfid er ikke{11}}passiverende, porøst og elektrisk ledende. Dette forvandler korrosjonsmekanismen fra passiv (ubetydelig) til aktiv (uniform eller målrettet angrep). Veggtykkelsen må velges for å kompensere for denne svovelangrepskorrosjonen som ikke oppstår ved lavere varmeflukser eller temperaturer. Undersøkelsen vurderer om svovelkorrosjon endrer den optimale veggtykkelsen sammenlignet med vanlig klorid- eller syrebruk.

Effekt på mekanisk integritet: Titaniumsulfidvekst
The reaction of titanium with sulfur at high temperatures is Ti + S2 ->TiS2. Denne reaksjonen er kinetisk viktig over 100 grader. Sulfidgenereringshastigheten er minimal (<0.01 mm/year) with a titanium heater at 1.5 W/cm2 (surface temperature ≈ 95°C). At 2.5 Wcm-2 (surface temperature of ~115°C) the rate is 0.10-0.20 mm per year. At 3.5 W/cm2 (surface temperature ~ 135 degrees C) the rate is 0.5-1.0 mm/yr. The titanium sulphide layer does not shield the underlying metal. It is porous and spalls off exposing new titanium to additional reaction. This is a consistent thinning type corrosion, not a pitting.

Vulkaniseringstanker av gummi inneholder vanligvis 1 til 5 vektprosent svovel. Sinkstearat brukes som frigjøringsmiddel. Sinkstearat har ingen direkte effekt på korrosjon, men kan fange svovel mot varmeovnens overflate og øke lokal konsentrasjon. Feltdata fra gummidyppelinjer indikerer at titanvarmere med 1,2 mm vegger som opererer med 2,5 W/cm2 har en tynningshastighet på 0,15 mm/år som tilsvarer 8 års levetid. Ved 3,5 W/cm² synker veggtykkelsen med 0,8 mm/år, noe som gir kun 1,5 års levetid.

Kontrollvariabel: Varmefluks og dens innvirkning på termisk ytelse
Svovelkorrosjonshastigheten er eksponentielt relatert til overflatetemperaturen, som er en funksjon av veggtykkelse og varmefluks. For en gitt bulktemperatur (90 grader) og konveksjonskoeffisient (h ≈ 800 W/m2. K i omrørt tank), er overflatetemperaturen T_overflate=90 + q/h + ΔT_cond ΔT_cond=qxt / k_Ti En vegg på ²faciel W/s ved ²faciel W/ 2,52 mm ≈ 90 + 31.3 + 1.8=123 grad . 1.5mm vegg gir 90+31.3+2.2=123.5 grad . minimal forskjell. For begge tykkelser, ved 3,5 W/cm 2, T-overflate ≈ 90 + 43.8 + (2,5–3,0)=136–137 grader. Konvektivt fall dominerer og veggtykkelsens påvirkning på overflatetemperaturen er liten. Derfor har reduksjon av veggtykkelsen ikke en vesentlig effekt på å senke graden av svovelkorrosjon.

Trade-off Syntese: optimal veggtykkelse og varmefluks
Varmefluks (W/cm2) Overflatetemperatur ( grad ) Svovelkorrosjonshastighet (mm/år) Veggtykkelse i 5 års levetid (mm) Optimal veggtykkelse
1,5 W/cm² 95 grader 0.01 0.5 mm 1,0 mm (mekanisk minimum)
2,0 W/cm² 110 grader 0.08 0.9 mm 1,2 mm 2,5 W/cm² 123 grader 0.15 1.3 mm 1,5 mm 3,0 W/cm² 130 grader 0.30 2.0 mm 2,0 mm 3,5 W/cm² 136 grader 0.70 4.0 prosess) Anbefales ikke (redesign prosess)
Ettersom varmefluksen øker, øker veggtykkelsen som kreves for en 5 års levetid tilsvarende. Den ideelle veggtykkelsen skiftes fra 1,0 mm (lav fluks) til 1,5-2,0 mm (høy fluks). Svovelkorrosjon er jevn tynning. I motsetning til kloridgroper der større vegger har synkende avkastning, gir veggtykkelsen et lineært korrosjonstillegg.

Engineering Beyond the Wall: Overflatebelegg og varmefluksreduksjon
Den mest effektive måten å redusere svovelkorrosjon på er å redusere varmefluksen, ikke å øke veggtykkelsen. Drift med 2,0 W/cm² i stedet for 2,5 W/cm² kan redusere nødvendig veggtykkelse fra 1,5 mm til 1,2 mm, samtidig som varmeapparatets levetid forlenges. Dette betyr større varmeoverflate (lengre rør eller flere rør), men avveiningen er verdt det. Alternativt forhindrer et tynt (2–5 µm) strømløst nikkel-fosfor (ENP) lag på titankappen svovel i å komme i kontakt med titan. ENP er motstandsdyktig mot svovelangrep opp til 150 grader. En 1,0 mm titanvegg med ENP-belegg vil vare i 10+ år ved 3,5 W/cm2.

Konklusjoner: Avhengighet av veggtykkelse på varmefluks ved svoveldrift
En dyppevarmer av titan brukes til å opprettholde 90 grader i en gummivulkaniseringsdyppetank med sinkstearat og svovel, og valget av den beste veggtykkelsen modifiseres av svovel-indusert korrosjon. Standard vegg på 1,0–1,2 mm ved lav varmefluks (<=2.0 W/cm2) is enough. At high heat flux (2.5-3.0 W/cm 2 ) the sulfur corrosion rate increases to 0.15-0.30 mm/year needing 1.5-2.0 mm wall for 5-year life. When the power density is above 3.0 W/cm², wall thickness required is > 2.5 mm and a process redesign (reduced heat flux or coated sheath) is recommended. The optimum thickness of a wall for a certain application is decided by the needed heat flux and not by a standard thickness. For rubber vulcanization service, state to the heater manufacturer the expected heat flux (W/cm2) or surface temperature. Using this data, wall thickness can be computed as t = corrosion rate x desired life, with the corrosion rate being obtained using sulfur-temperature kinetics. Generally, a 1.5 mm titanium wall gives a strong 5-8 year service life for most rubber dipping tanks working at 2.0-2.5 W/cm2.