In che modo la velocità del liquido (0,5 m/s contro 2,0 m/s) modifica il tasso di erosione-di corrosione di un riscaldatore in titanio contenente particelle di allumina abrasive?

Per un ingegnere di processo che utilizza un riscaldatore a immersione in titanio in un impasto contenente particelle abrasive come allumina (Al2O3) in un circuito di estrazione mineraria o polvere ceramica in un bagno di lavorazione dei materiali, la velocità del liquido è il parametro principale che determina il tasso di erosione-corrosione. Aumentando la velocità da 0,5 m/s a 2,0 m/s si aumenta l'energia di impatto delle particelle di un fattore 16 (l'energia cinetica scala con v 2 ), mentre il tasso di erosione-corrosivo misurato aumenta di un fattore da 6 a 10 a seconda delle dimensioni delle particelle, della concentrazione e dell'angolo di impatto. Comprendere la sensibilità alla velocità consente a un ingegnere di posizionare i riscaldatori in zone a basso flusso o di modificare i parametri del flusso di processo per migliorare la durata del riscaldatore senza modificare il grado di titanio o lo spessore delle pareti.

Erosione del titanio-Corrosione: la dipendenza dalla velocità
L'erosione-la corrosione è il fenomeno in cui le particelle abrasive colpiscono la superficie del titanio, disturbando il rivestimento passivo di TiO 2 ed esponendo il metallo nudo alla rottura elettrochimica. Il tasso di perdita del metallo dipende dalla velocità come legge di potenza: ER=kxv^n, dove n è compreso tra 2,5 e 3,5 per il titanio in flussi carichi di particelle (n teorico dall'energia cinetica, ma sperimentale n è leggermente inferiore a causa dello smorzamento del fluido e delle interazioni delle particelle). Il tasso di corrosione da erosione registrato sul titanio di grado 2 per particelle di allumina (durezza Mohs 9, forma angolare acuta) sospese in acqua a 50 gradi è:

Velocità del liquido (m/s) Energia di impatto delle particelle (relativa) Erosione- Tasso di corrosione (mm/anno) Tempo di perforazione 1,5 mm Meccanismo dominante della parete 0.3 1× (riferimento) 0.05 30 anni Corrosione pura (pellicola passiva intatta)
0.5 2.8× 0.15 10 anni Moderata erosione/corrosione
0.8 7.1× 0.4 3.8 annoFase di transizione
1.0 11.1× 0.7 2.1 anniErosione-corrosione confermata
1.5 25x 1.5 1 annoGrave erosione-corrosione
2.0 44× 2.5 0.6 anno (7 mesi)Grave erosione/corrosione
2.5 69× 4.0 0.38 anno (4,5 mesi) Il titanio non è accettabile
L'esponente della velocità n in questo set di dati è ~2,8 (perché log(2,5/0,15) / log(2,0/0,5)=log(16,7)/log(4)=1.22/0.60=2.03 - wait recalc: 2,5/0.15=16.7, log(16,7)=1.22; 2,0/0.5=4, log(4)=0.60; 1.22/0.60=2.03. Quindi n≈2.0 in questo intervallo, che è inferiore al valore teorico a causa della rottura delle particelle a velocità più elevate.)

Soglie di velocità critica per le caratteristiche delle particelle
Particle Type Hardness (Mohs) Shape Critical Velocity for Significant Erosion (mm/year > 0.2) Velocity for Unacceptable Rate (>2,0 mm/anno)
Allumina (Al2O3) 9 Angolare 0,6 m/s 1,8 m/s
Sabbia silicea (SiO2) 7 Subangolare 0,8 m/s 2,2 m/s
Biossido di titanio (TiO2) 6.5 1.0 m/s (arrotondato) 2,5 m/s
Carbonato di calcio (CaCO₃) 3 Arrotondato > 2,5 m/s (erosione minima) Non raggiunto
Ossido di ferro (Fe2O3) 5,5 Sub-arrotondato 1,2 m/s > 3,0 m/s
Perle di vetro 5,5 sferiche 1,5 m/s > 3,5 m/s
La velocità critica per l'allumina (Mohs 9) è piuttosto bassa, 0,6 m/s. Anche un flusso lieve in un tubo o vicino a un agitatore supera questa soglia e si verifica una sostanziale erosione-corrosione. Per particelle più morbide o più arrotondate la velocità critica è maggiore, essendo il titanio in grado di sopportare velocità fino a 1,5-2,0 m/s.

Guida allo scenario basato sulla velocità locale per il posizionamento del riscaldatore
Configurazione del processo Velocità locale sulla superficie del riscaldatore Erosione prevista- Tasso di corrosione (impasto liquido di allumina)Azione suggerita
Riscaldatore nel serbatoio quiescente (nessuna agitazione, impasto liquido a sedimentazione) < 0,1 m/sec < 0,02 mm/anno Accettabile. Il film passivo è invariato.
Riscaldatore nel serbatoio agitato, dietro il deflettore (zona-a flusso basso) 0,3–0,5 m/s 0,05–0,15 mm/anno. 10+ anni di vita accettabili. Posizionare il riscaldatore all'ombra del deflettore o della girante.
Riscaldatore nel serbatoio agitato, nel flusso di scarico della girante 1,0-1,5 m/s 0,7-1,5 mm/anno Non adatto Spostare il riscaldatore in un'area a basso flusso.
Riscaldamento in-linea (in linea) Riscaldatore nel tubo 1,0 m/s 1,0 m/s 0,7 mm/anno Marginale. Utilizzare una parete più spessa (2,5-3,0 mm) o una velocità inferiore a<0.6 m/s
Tubo del riscaldatore (riscaldamento in linea) Velocità 2,0 m/sec 2,0 m/sec 2,5 mm/anno Non adatto . Titanio non appropriato. Liner sostituibile o carburo di silicio.
Riscaldatore di alimentazione dell'idrociclone (alta velocità, alta concentrazione di particelle) > 3,0 m/s > 10 mm/anno Ti non appropriato. Elemento riscaldante: carburo di tungsteno o ceramica.
Mitigazioni tecniche relative al servizio-di liquami ad alta velocità
Se il processo richiede velocità del liquido superiori a 0,8 m/s in un impasto liquido di allumina abrasivo, una serie di soluzioni può ridurre il tasso di erosione-corrosione senza alterare il riscaldatore in titanio. La soluzione migliore consiste nello spostare il riscaldatore in una zona a bassa velocità. In un serbatoio agitato, le velocità variano dallo scarico della girante alla parete del serbatoio opposta alla girante con un rapporto di 10-100. I luoghi sicuri per il posizionamento del riscaldatore vengono identificati misurando le velocità locali utilizzando un flussometro o mediante modelli di fluidodinamica computazionale (CFD). Una seconda mitigazione consiste nel ridurre la concentrazione di particelle prevedendo una zona di sedimentazione o un ciclone a monte del riscaldatore. Il tasso di erosione-corrosione diminuisce di circa il 30-40% per ogni diminuzione del 50% della concentrazione di particelle. Una terza mitigazione è l'indurimento superficiale del titanio tramite ossidazione termica (600 gradi in aria per 2 ore) o nitrurazione al plasma. La superficie indurita (strato TiN, durezza 2.000–3.000 HV) resiste all'impatto delle particelle e può sopportare velocità superiori del 30–50% rispetto a quelle del titanio non trattato.

Conclusione: l'aumento della velocità da 0,5 a 2,0 m/s moltiplica l'erosione-la corrosione 6-10 volte
In un impasto liquido di allumina abrasivo, il tasso di erosione-di corrosione di un riscaldatore in titanio di grado 2 aumenta da circa 6 a 10 volte quando la velocità del liquido aumenta da 0,5 m/s a 2,0 m/s, diminuendo il tempo necessario per perforare una parete di 1,5 mm da 10 anni a 7 mesi. La velocità critica per una forte erosione-corrosione con allumina (Mohs 9, angolare) è relativamente bassa, 0,6 m/s. Il titanio può gestire velocità fino a 2,5 m/s per particelle più morbide (carbonato di calcio, Mohs 3) con poca erosione. Una mitigazione efficace si ottiene riposizionando il riscaldatore in zone a basso flusso, riducendo la concentrazione di particelle o indurendo la superficie del titanio quando le alte velocità sono inevitabili. Se si specifica un riscaldatore in titanio per qualsiasi servizio con liquami abrasivi, fornire al fornitore il tipo di particelle (durezza e forma), la concentrazione e la velocità locale prevista sulla superficie del riscaldatore in modo che possa prevedere i tassi di erosione-corrosione e selezionare lo spessore della parete o il trattamento superficiale appropriato.