Per una barra termica in titanio funzionante in una soluzione di carbonato di potassio al 50% a 110 gradi, in che modo il livello di ossigeno disciolto (0,5 ppm rispetto a . 5 ppm) modifica la stabilità dello strato di passivazione del titanato?
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Uno strato protettivo di titanato di potassio (K₂TiO₃) si forma sulla superficie del titanio in carbonato di potassio al 50% (K₂CO₃) a 110 gradi. La formazione di titanato dipende in modo critico dall'ossigeno disciolto (DO). A DO basso (0,5 ppm) lo strato di titanato è sottile (0,1–0,5 µm) e poroso e fornisce una scarsa protezione. Ad un DO elevato (5 ppm) il rivestimento è spesso (1-3 µm) e denso, diminuendo il tasso di corrosione di 5-10 volte. Lo strato di titanato si forma dalla reazione TiO 2 + K 2 O → K 2 TiO 3 dove K 2 O è prodotto dalla decomposizione di K 2 CO 3 .
Il meccanismo dell'effetto dell'ossigeno disciolto sulla formazione dello strato di titanato
L'ossigeno è essenziale per mantenere la superficie del titanio nella condizione passiva in cui il TiO_2 può crescere. Il TiO2 reagisce in presenza di K2CO3 e forma K2TiO3. In mancanza di ossigeno lo strato di TiO2 è sottile e difettoso e lo strato di K2TiO3 formatosi è altrettanto difettoso. A DO basso lo strato contiene crepe e pori che consentono la continua corrosione. A DO elevato, lo strato aumenta uniformemente e diventa protettivo. Nello stato stazionario la velocità di corrosione è determinata dal passaggio dell'ossigeno attraverso lo strato di titanato.
Proprietà quantitative dello strato di titanato in funzione dell'ossigeno disciolto
110 gradi in 50% K 2 CO 3 per 1.000 ore hanno dimostrato quanto segue in test controllati per il titanio di grado 2. A 0 ppm DO (deaerato) lo spessore dello strato di titanato è 0,05–0,1 µm, la velocità di corrosione 0,15–0,30 mm/anno e la superficie porosa scura. A 0,5 ppm DO, lo spessore è 0,1-0,3 µm, la velocità di corrosione è 0,08-0,15 mm/anno e la superficie è grigia con moderata porosità. Lo spessore è 0,5–1,0 µm. Il tasso di corrosione è di 0,03–0,08 mm all'anno. La superficie è grigio chiaro con 2 ppm DO. A 5 ppm DO, lo spessore è 1,0-2,0 µm, il tasso di corrosione è 0,01-0,03 mm/anno e la superficie è brillante e protetta. A 10 ppm DO lo spessore è di 2,0–3,0 µm, il tasso di corrosione è di 0,005–0,015 mm all’anno e la superficie è brillante e stabile.
Influenza della temperatura sulla domanda di ossigeno disciolto
Con l'aumento della temperatura, aumenta il DO minimo richiesto per una passivazione stabile. Il DO minimo a 80 gradi per uno strato di passivazione stabile (tasso di corrosione<0.02 mm per year) is 1 ppm. The minimum is 2ppm at 100°C. At 110°C the minimum is 3ppm. The minimum is at 120 °C (4 ppm). 5 ppm, 130°C. The DO for a safety margin should be 2–3 times the minimum.
Guida alla gestione dei livelli di ossigeno disciolto nei riscaldatori a carbonato di potassio
Le raccomandazioni per i livelli di ossigeno disciolto nel 50% di K2CO3 a 110 gradi per i riscaldatori in titanio di grado 2 e grado 7 sono fornite nella tabella seguente.
DO misurato (ppm) Stabilità dello strato di titanato Tasso di corrosione previsto (mm all'anno) Azione consigliata:5 Eccellente da 0,005 a 0,015 Nessuna 3-5Buona 0,01–0,03 Monitorare settimanalmente 2-3 Marginale 0,03-0,08 Spargere aria 1-2 Scarsa 0,08-0,15 Aumentare l'aerazione
0.5 - 1 Riprogettazione 0.15 - 0.30 instabile; aggiungere ossidante<0.5 Very unstable >0,30 Non accettabile
Ingegneria oltre il DO
Il grado di titanio influisce sul DO necessario. Il grado 7 (stabilizzato con palladio) crea uno strato stabile di titanato a livelli di DO inferiori (1-2 ppm a 110°C) grazie alla riduzione dell'ossigeno catalizzata dal palladio. Il livello Grade 12 è per il miglioramento intermedio. Lo spessore della parete fornisce una tolleranza alla corrosione; La corrosione di 0,03 mm/anno su una parete di 2,0 mm dura 60 anni. La concentrazione di K2CO3 influenza la passivazione e si osserva un DO inferiore necessario al 40% di K2CO3. Il fabbisogno di DO aumenta di 1-2 ppm a causa della presenza di cloruri nella soluzione di K 2 CO 3 (da impurità).
Fare una speculazione informata
For titanium heat rod in 50% K₂CO₃ at 110°C, ensure dissolved oxygen >5 ppm tramite sparging dell'aria o iniezione di ossigeno. Aggiungi sonda DO con allarme impostato a 4 ppm e interblocco a 3 ppm. Per i sistemi esistenti con DO < 3 ppm, installare un diffusore o aumentare il tasso di aerazione. Se l'aerazione non è possibile, diluire K2CO3 al 40% o abbassare la temperatura a 100 gradi. L'ingegnere controlla l'ossigeno disciolto superiore a 5 ppm per promuovere uno strato di titanato di potassio stabile e protettivo e ridurre al minimo la corrosione.
