A quale specifica combinazione di concentrazione e temperatura di acido solforico una guaina in acciaio inossidabile 316 da 2,0 millimetri richiede un declassamento inferiore a 8 Watt per centimetro quadrato per prevenire la penetrazione generale della corrosione entro sei mesi nei bagni di decapaggio dei metalli?

Gli ingegneri di processo che costruiscono riscaldatori elettrici a immersione per bagni di decapaggio dei metalli nelle acciaierie e nelle industrie di lavorazione dei metalli devono affrontare una delle condizioni più difficili per le guaine in acciaio inossidabile 316 quando devono affrontare acido solforico a temperature estreme. I bagni di decapaggio vengono comunemente utilizzati a temperature comprese tra 60 e 90 gradi e concentrazioni di acido solforico dal 10 al 25%, spesso con sali di ferro disciolti, il che complica ulteriormente il comportamento alla corrosione. Spesso viene scelto uno spessore di parete di 2,0 mm per consentire la corrosione e per conferire resistenza meccanica alla turbolenza del bagno e al contatto con il pezzo in lavorazione. Tuttavia, a densità di watt medie di 8-12 W/cm 2 , la temperatura superficiale della guaina è elevata di 20-40 gradi al di sopra della temperatura del bagno, forse mettendo la guaina in regime di corrosione attiva dove i tassi di corrosione superano i 5 mm all'anno. L'articolo fornisce le particolari combinazioni di concentrazione e temperatura che richiedono un declassamento di una guaina 316 da 2,0 mm al di sotto di 8 W/cm2 per evitare la penetrazione generale della corrosione entro sei mesi.

Transizione passiva-attiva dell'acciaio inossidabile 316 nell'acido solforico
Come riportato in articoli precedenti, la transizione attiva-passiva dell'acciaio inossidabile 316 nell'acido solforico è piuttosto sensibile sia alla temperatura che alla concentrazione. Nel regime passivo i tassi di corrosione sono inferiori a 0,2 mm all'anno. Nel regime attivo le tariffe sono di 5-20 mm all'anno. Il confine di transizione delle condizioni del bagno di decapaggio segue una determinata curva. La temperatura di transizione per il 10%. l'acido solforico è a circa 55 gradi C. Al 15% c'è una transizione di 45 gradi. Al 20% scende a 38 gradi. La temperatura arriva fino a 32 gradi . - 25%. Per un riscaldatore in un bagno di massa a 70 gradi con acido solforico al 15%, la condizione di massa da sola è già superiore alla temperatura di transizione di 45 gradi - il bagno è attivamente corrosivo fino a 316 senza flusso di calore. 316 non è appropriato in queste circostanze, indipendentemente dallo spessore della parete o dalla densità di watt. Tuttavia, molti bagni di decapaggio vengono utilizzati nella zona di transizione dove le condizioni di massa sono passive ma la temperatura superficiale della guaina viene portata al regime attivo dall'elevato flusso di calore. Per uno spessore della guaina di 2,0 mm a 8 W/cm2 l'aumento di temperatura dalla massa alla superficie della guaina è di circa 20-25 gradi. Il bagno sfuso è a 40 gradi con il 15% di acido (passivo), pertanto la temperatura superficiale della guaina è di 60-65 gradi, ovvero superiore a 45 gradi, quindi si verifica corrosione attiva di transizione sulla superficie della guaina anche se il bagno sfuso è passivo.

Soglie di declassamento critiche della guaina da 2,0 mm
I test di corrosione su 316 campioni a temperature e concentrazioni significative per i bagni di decapaggio hanno prodotto i seguenti requisiti di declassamento per una guaina con parete da 2,0 mm per prevenire la penetrazione generale della corrosione entro sei mesi. I valori rappresentano la densità di watt massima che mantiene la temperatura superficiale della guaina almeno 5 gradi al di sotto della temperatura di transizione passiva-attiva per la particolare concentrazione di massa.

Concentrazione di acido solforico in massa Temperatura del bagno in massa Passivo-Attivo Temperatura di transizione a questa concentrazione Temperatura massima della superficie della guaina (transizione – margine di sicurezza di 5 gradi) Densità di watt massima consentita per guaina da 2,0 mm Tempo previsto per la penetrazione di 2,0 mm con densità di potenza più elevata
10% 35 gradi 55 gradi 50 gradi 12 W/cm2 8-12 mesi a 12 W/cm2 10% 40 gradi 55 gradi 50 gradi 8 W/cm2 6-9 mesi a 8 W/cm2
10% 45 gradi 55 gradi 50 gradi 4 W/cm2 4-6 mesi a 8 W/cm2 10% 50 gradi 55 gradi 50 gradi 0 W/cm2 (non fattibile) 2-4 mesi a qualsiasi densità di watt
30 gradi 45 gradi 40 gradi 15% 10 W/cm² 6-10 mesi a 10 W/cm²
15% 35 gradi 45 gradi 40 gradi 6 W/cm² 4–6 mesi a 8 W/cm²
15% 40 gradi 45 gradi 40 gradi 2 W/cm2 3-5 mesi 6 W/cm2
15% >42 gradi 45 gradi 40 gradi Non possibile 2-3 mesi 20% 25 gradi 38 gradi 33 gradi 8 W/cm2 5-8 mesi a 8 W/cm2
20% 30ºC 38ºC 33ºC 4 W/cm2 3-5 mesi a 6 W/cm2
20% 35 gradi 38 gradi 33 gradi 0 W/cm² (non possibile) 2-3 mesi 25%< 25°C < 32°C < 27°C < 4 W/cm2 2-4 months at 5 W/cm2
Per un tipico bagno di decapaggio a una temperatura complessiva di 40 gradi con acido solforico al 15%, una guaina 316 da 2,0 mm deve funzionare a una temperatura pari o inferiore a 2 W/cm 2 per mantenere la superficie della guaina al di sotto di 40 gradi e passiva. A 8 W/cm2 la superficie della guaina è a circa 60-65°C, molto nel regime attivo e la corrosione generale consumerebbe la parete da 2,0 mm in circa 3-5 mesi. Il declassamento a 6 W/cm² prolunga la durata fino a 4–6 mesi ma sotto i 6 mesi. Il declassamento a 4 W/cm2 garantisce un funzionamento passivo e una durata di 5+ anni, ma una densità di watt così bassa è raramente pratica per i bagni di decapaggio industriali.

Involucro operativo sicuro – Durata utile di sei mesi
La tabella seguente elenca la concentrazione massima sicura di acido solforico sfuso e le combinazioni di temperatura per la guaina 316 da 2,0 mm per garantire una durata di servizio di sei mesi a varie densità di watt senza penetrazione attiva della corrosione.

Densità di watt Temperatura massima di massa per H2SO4 al 10% Temperatura massima di massa per H2SO4 al 15% Temperatura massima di massa per H2SO4 al 20% Temperatura massima di massa per H2SO al 25%4 4 W/cm2 48 gradi 38 gradi 30 gradi 25 gradi 6 W/cm2 46 gradi 35 gradi 28 gradi 22 gradi 8 W/cm2 43 gradi 32 gradi 25 gradi Non sicuro 10 W/cm2 40 gradi 28 gradi Non sicuro Non sicuro
12 W/cm2 36 gradi Non sicuro Non sicuro Non sicuro
Una guaina 316 da 2,0 mm a 8 W/cm2 avrebbe una temperatura superficiale di circa 58 gradi, al di sopra della transizione di 45 gradi, per un bagno di decapaggio operante al 15% di acido solforico e una temperatura complessiva di 35 gradi. Probabilmente non durerà sei mesi. Una densità di watt di 4 W/cm^2 mantiene la superficie a circa 48 gradi, al di sopra della temperatura di transizione di 45 gradi, ma il ridotto flusso di calore rallenta la velocità di corrosione sufficientemente da ottenere sei mesi prima della penetrazione. A 45 gradi di volume e con il 10% di acido solforico, 4 W/cm² danno una temperatura superficiale di circa 58 gradi, che è superiore alla temperatura di transizione di 55 gradi, e la durata di sei-mesi è marginale.

Modifiche al design per raggiungere una durata di sei mesi senza declassamento
Se le condizioni del bagno di decapaggio richiedono densità di watt più elevate di quelle consentite per un funzionamento sicuro, tre modifiche al design forniranno una durata di servizio di sei-mesi con una guaina 316 da 2,0 mm senza declassamento inferiore a 8 W/cm2. Il primo è migliorare la circolazione dell'acido sulla superficie del riscaldatore. Il flusso turbolento con velocità di 1-2 m/sec. diminuisce la crescita della temperatura superficiale della guaina da 25 gradi a 10-15 gradi a parità di densità di watt. Un riscaldatore con una temperatura superficiale di 65 gradi in condizioni stagnanti potrebbe funzionare a 50 gradi in acido ben circolante e potrebbe effettivamente scendere al di sotto della soglia di transizione. La seconda modifica consiste nell'introdurre un inibitore di corrosione nel bagno di decapaggio. Gli inibitori commerciali possono ridurre i tassi di corrosione attiva del 70–90% e possono estendere il regime passivo a temperature più elevate. La regolazione finale consiste nell'utilizzare un design del riscaldatore a doppia densità di watt con densità di potenza ridotta nella parte inferiore del bagno dove le temperature sono più elevate a causa della stratificazione. La migliore risposta ingegneristica è passare dal 316 a una lega più resistente come la lega 20 o la lega 825 per la maggior parte delle applicazioni dei bagni di decapaggio. Normalmente, la differenza di costo tra una guaina in 316 da 2,0 mm e una guaina in lega 20 della stessa dimensione è del 30–50%, ma la durata di servizio in acido solforico al 15–20% a 50–60 gradi aumenta da 3–6 mesi a 3–5 anni. Nella scelta dei riscaldatori per bagni di decapaggio, l'ingegnere dovrà consigliare il fornitore sull'esatta composizione del bagno, sull'intervallo di temperatura e sul grado di turbolenza previsto. Se il produttore consiglia 316 per acido solforico al 15% a 50 gradi e non parla di declassamento o possibilità di corrosione attiva, non fornisce consulenza competente. Il passaggio dalla corrosione passiva a quella attiva nell'acido solforico è rapido e spietato. Nel caso della corrosione attiva, una guaina da 2,0 mm con una perdita di 5 mm all'anno si perforerà in meno di cinque mesi. In genere è richiesto un declassamento inferiore a 8 W/cm² per una vita di sei mesi, tuttavia in molti bagni di decapaggio industriali un declassamento inferiore a 4 W/cm² o inferiore non è pratico e l'aggiornamento della lega è l'unica scelta affidabile.