Fosforik Asit (%30-50) 100 Derecede Isıtıldığında, Çözünmüş Demir Kirliliği Neden Titanyum Korozyonunu Kabul Edilebilir Oranların Ötesinde Hızlandırır?

Fosforik asit servisindeki titanyum ısıtma ekipmanı çelişkili davranış sergiler. 100 derecede kimyasal olarak saf %30-%50 fosforik asit içindeki titanyum sınıf 2, yılda 0,05-0,10 mm'lik düşük bir korozyon oranına sahiptir; bu, ısıtıcı tüpler için kabul edilebilir sınırlar içindedir. Bununla birlikte, fosfat kayasının sindiriminden elde edilen endüstriyel ıslak proses fosforik asit (WPA) birçok yabancı madde içerir ve çözünmüş demir (Fe2+ ve Fe3+), bunlar arasında titanyumun korozyon direnci üzerinde en yıkıcı etkiye sahiptir. %0,5'lik demir kirliliği bile titanyumun korozyon oranlarını 10 ila 50 kat artırabilir, bu da borunun yıllar yerine aylar içinde delinmesine yol açabilir. Bu makale, demirin neden olduğu hızlanan korozyonun elektrokimyasal mekanizmasını açıklamakta ve titanyum ısıtıcıların çalışması için güvenli demir içeriği sınırlarını belirlemektedir.

Demir yoluyla korozyon hızlandırma mekanizması
Fosforik asitteki titanyum üzerindeki pasif film esas olarak entegre fosfat türlerine sahip Ti02'den oluşur. Film bir dizi elektrokimyasal potansiyel arasında stabildir. Başta Fe³⁺ olmak üzere çözünmüş demir iyonları, titanyum yüzeyinde Fe³⁺ ve Fe²⁺ arasında döngü yapan redoks mekikleridir. Yüzeye temas eden her Fe³⁺ iyonu titanyumdan bir elektron alır (Fe²⁺'ye indirgenir), sonra difüze olur ve çözünmüş oksijen ile yeniden Fe³⁺'ye oksitlenir. Bu sürekli redoks döngüsü, elektronları titanyum metalinden toplu çözeltiye başarılı bir şekilde aktarır, böylece koruyucu pasif kaplamayı atlar.

Elektrokimyasal ölçümler bu etkinin büyüklüğünü göstermektedir. 100 derecede saf %40 H₃PO₄ içindeki Sınıf 2 titanyumun korozyon potansiyeli, 5 µA/cm² pasif akım yoğunluğuyla SCE'ye kıyasla +150 ile +250 mV arasında dengelenir. %0,5 Fe3+ (ferrik fosfat formunda) ilavesi, korozyon potansiyelini SCE'ye kıyasla +400 ila +550 mV'ye yükseltir ve pasif akım yoğunluğunu 50-100 µA/cm2'ye yükseltir. %1,0 demirde akım yoğunluğu 200-300 µA/cm2'dir ve yılda 0,5-0,8 mm'lik bir korozyon oranına karşılık gelir. %2,0 demirde oranlar 1,5 mm/yıldan yüksektir.

**Isıtıcı Servisi Kritik Demir Limiti**
Fosforik asit içindeki Grade 2 titanyumun 100 derecede-uzun süreli maruz kalma testi, demir için pratik bir sınır bulur. %0,2'nin altındaki çözünmüş demirde korozyon oranları 0,10 mm/yıl'ın altındadır, bu da 1,5 mm et kalınlığında 10 yıllık ısıtıcı ömrü için yeterlidir. Oranlar %0,2 ila 0,5 demirde 0,15-0,30 mm/yıldır ve bu da tipik duvar kalınlığında öngörülen ömrü 3-5 yıla indirir. %0,5 demirin üzerindeki korozyon oranları çok yüksektir (yılda 0,5 mm'den fazla) ve ek metal kaybına katkıda bulunan lokal oyuklaşmayı içerir.

Islak-işlem fosforik asit genellikle fosfat kayası safsızlıklarından elde edilen %0,8-1,5 oranında çözünmüş demir içerir. WPA buharlaştırıcıları ve yoğunlaştırıcıları, demir çıkarma ön işlemi olmadığında veya daha dirençli bir titanyum alaşımına yükseltme yapılmadığında hızla paslanan titanyum ısıtıcılar kullanır. Derece 7 titanyum (Ti-0,15Pd), %0,8 demirde yılda 0,15 mm'nin altındaki oranlarla demir toleransını artırır, ancak Derece 7 bile %1,2 demirin üzerinde başarısız olur.

Uygulama Matrisi ve Etki Azaltma Stratejileri
Fosforik Asit Kaynağı Tipik Demir İçeriği Önerilen Isıtıcı Malzemesi Beklenen Korozyon Oranı Hizmet Ömrü (1,65 mm duvar)
Saflaştırılmış (termal işlem) Grade 2 titanyum<0.05% 0.05-0.08 mm/year 15-20 years WPA, solvent-extracted Grade 2 titanium (1.65-2.0 mm) 0.2-0.4% 0.10-0.15 mm/year 8-12 years WPA, untreated (low iron rock) Grade 7 titanium (2.0 mm) 0.5-0.8% 0.12-0.20 mm/year 6-10 years WPA, untreated (high iron rock) Grade 7 + iron removal system 0.8-1.5% 0.20-0.40 mm/year 3-5 years
Superphosphoric acid (>%70 P₂O₅) Değişken Zirkonyum veya tantal Yok Titanyum önerilmez
Fosforik Asit Isıtıcı Spesifikasyonunun Özeti
100 derecede fosforik asitte %0,2'den fazla çözünmüş demir kirliliği, pasif filmin sağladığı korumayı aşan bir redoks döngü mekanizması yoluyla titanyumun korozyonunu teşvik eder. Tipik demir içeriği %0,8 ila 1,5 olan ıslak proses asidi için, 2. Sınıf titanyum ısıtıcılar 2 ila 3 yıl içinde arızalanır. Mühendisler, Grade 7 titanyumu (demir toleransını yaklaşık %0,8'e iten) belirtme veya ısıtıcının yukarı akışına demir çıkarma adımları (solvent ekstraksiyonu, iyon değişimi) ekleme seçeneğiyle karşı karşıyadır. Fosforik asit hizmeti için titanyum ısıtıcılar satın alırken, her zaman gerçek proses asidine tabi tutulmuş bir korozyon testi kuponu isteyin ve demir{16}}içeren asitte Sınıf 2 için minimum 2,0 mm veya Sınıf 7 için 1,65 mm minimum duvar kalınlığı talep edin.