Zašto je katodna gustina struje na površini cijevi ključno ograničenje za dizajn za grijač titanijumskog omotača u rezervoaru za završnu obradu metala s visokim sadržajem klorida/cinka?

SPREMNICI ZA GALAVANIZACIJU, CINKOVANJE ILI LEGIRANJE KORISTE SE ZA ZAVRŠNU OBRADU METALA I SADRŽE SLOŽENE MJEŠAVE ELEKTROLITA Tipične formulacije se sastoje od 50-100 g/L cink hlorida (ZnClClCl2) kao provodljivog klorida (ZnClClCl2) hlorid (KCl) i nekoliko organskih izbjeljivača. Kupka je na 30-50 stepeni sa pH 4,5-6,0. Otpornost na koroziju se često određuje pomoću grijača od titanijumskog omotača. Ove kupke, međutim, stvaraju nenamjernu elektrohemijsku situaciju u kojoj titanijumska cijev djeluje kao katoda za taloženje cinka. Joni cinka u rastvoru se izdvajaju na površini titanijuma delovanjem električnog sistema samog grejača ili lutajućim strujama iz ispravljača za oblaganje. Ako naslaga cinka ostane tanka i ujednačena, cijev je zaštićena, ali ako se proširi na grube, nodularne strukture, cijev se pregrijava i prerano propada. Odlučujući faktor je brzina prijenosa elektrona koji pokreće redukciju cinka, tj. katodna gustina struje na površini cijevi.

Mehanizam katodnog taloženja cinka na titanijumskim grijačima

The usual cathodic reaction happens on the work to be plated in a zinc plating bath. Any conductive surface that contacts the electrolyte, including the titanium heater sheath, can also operate as a cathode if an electrical channel exists. The wire of internal resistance of the heater is electrically insulated from the sheath. However, stray currents from the plating rectifier may pass through the bath, especially if the tank grounding is inadequate or if the heater mounting is in cathodic contact with the tank. When the titanium surface becomes cathodic, zinc ions are reduced to metallic zinc. Zn2+ + 2e- = Zn0. The rate of zinc deposition is proportional to cathodic current density (i_cathode). At low current densities (below 2 mA/cm²) zinc is deposited as a smooth adherent layer which actually shields the titanium. At moderate current densities (2–10 mA/cm2) the deposit becomes rough and porous, trapping electrolyte and leading to small hot spots. At high current densities (>10 mA/cm2), brzi razvoj cinka stvara dendritske strukture koje dodiruju druge dijelove spremnika, što dovodi do kratkih spojeva i lokalnog pregrijavanja.

Način kvara grijača naspram gustoće struje: kvantitativna korelacija

Na osnovu kontrolisanog testiranja u simuliranoj kadi sa cink hloridom (80 g/L ZnCl2, 100 g/L KCl, 50 stepeni) identifikovani su sledeći obrasci kvarova za grejače od titanijuma stepena 2:

Katodna gustina struje manja od 1 mA/cm²: brzina taloženja cinka 0,1-0,3 mm/mjesečno. Nanos prianja, glatka i fino zrnasta. Temperatura grijača je konstantna. Kiselinsko uklanjanje može se koristiti za uklanjanje naslaga bez oštećenja osnovnog metala.

Katodna gustina struje 1–3 mA/cm2 Brzina taloženja cinka 0,5–1,0 mm/mjesečno. Ležište je nodularno sa poroznošću od 20 do 30%. Lokalizirano pregrijavanje na vrhovima depozita povećava temperaturu površine titanijuma za 10-15 stepeni iznad zadate vrednosti. Grejač prečesto radi.

Katodna gustina struje 3-8 mA/cm2 Brzina taloženja cinka 1,5-3,0 mm mesečno U roku od 2-4 nedelje, razvoj dendrita je 5-10 mm dužine. Dendriti protežu zidove rezervoara ili druge grejače, kratki spoj. Kvar grijača je rezultat lokaliziranog topljenja na kontaktnim mjestima.

Katodna gustina struje > 10 mA/cm2: Stopa taloženja cinka > 5 mm/mjesečno. Nekontrolisani brzi dendritski rast. Grijač obično eksplodira za 1-2 sedmice. Kada se cink odlijepi, osnovni metal titanijuma može biti podvrgnut aktivnoj koroziji.

2.0 Strategije za kontrolu gustoće struje u rezervoarima za završnu obradu metala

Sljedeća tabela daje stablo odlučivanja za upravljanje katodnom gustinom struje na grijačima od titanijumskog omotača na osnovu konfiguracije rezervoara i električnog okruženja.

Podešavanje rezervoara i električno stanje Modifikacija dizajna i strategija upravljanja za maksimalnu dozvoljenu katodnu gustinu struje
Spremnik ispravno uzemljen, grijač električno izolovan od rezervoara, nema lutajućih struja 2 mA/cm2 Prihvatljivo za redovan rad. Mjesečno praćenje debljine naslaga. Očistite grijač svakih 3-6 mjeseci.
Prirubnica grijača u električnom kontaktu sa spremnikom (katoda, električni put postoji) 0,5 mA/cm² Umetnite izolacijsku zaptivku (PTFE, 3 mm) između prirubnice grijača i spremnika. "Smanji gustinu struje na 25%."
Stray currents from rectifier (measured >0,5 V između grijača i referentne elektrode) 0,2 mA/cm2 Postavite uzemljenje uz grijač. Zaštitni grijač, sa perforiranom PTFE cijevi za poboljšanje putanje električnog otpora
High zinc content (>120 g/L Zn2+), high temperature (>50 stepeni) 1 mA/cm2 Niži sadržaj cinka ili niža temperatura kupatila. Veći Zn 2+ povećava stopu taloženja pri sličnoj gustini struje.
Grejač radi u rezervoaru sa pomoćnim katodama (lopovske katode) za distribuciju struje 3 mA/cm^2 Lopovske katode odvode struju od grejača. U redu je da se lopovi čiste sedmično.
Inženjering izvan kontrole gustoće katodne struje

Površinska obrada titanijumske cijevi ima snažan utjecaj na prianjanje cinka. Glatka elektropolirana površina (Ra<0.3 µm) permits the zinc deposit to be removed more readily than on an as-drawn surface (Ra 1.0 µm) where zinc keys into surface troughs. The wall thickness does not matter for the cathodic deposition. But the wall thickness matters for the time the heater can survive a localized overheating after the dendrites are formed. Thick wall (1.5 mm) may tolerate numerous short-circuit events before perforation, thin wall (0.8 mm) fails instantly. Deposition efficiency is also a function of pH. Hydrogen evolution competes with zinc deposition below pH 4, reducing the cathodic current density available for zinc, but with the potential for hydrogen embrittlement.

Pisanje informirane specifikacije

Na primjer, ako vam je potreban grijač omotača od titanijuma za rezervoar za završnu obradu metala s visokim udjelom klorida/cinka, navedite da grijač bude električno izoliran od spremnika pomoću PTFE brtvi i čahura. Postavite maksimalnu dozvoljenu gustinu katodne struje od 1mA/cm2 na osnovu površine grejača i lutajućih struja zabeleženih u rezervoaru. Zatražite od dobavljača grijač s elektropoliranom završnom obradom za lako uklanjanje naslaga cinka. Za postojeće instalacije, izmjerite napon između omotača grijača i bakarne-referentne elektrode bakar sulfata tokom procesa oblaganja. Ako je očitavanje veće od 0,3 V, to ukazuje na preveliku katodnu polarizaciju i potrebna je korekcija. Obezbeđen je sistem reverzne struje kontrolisan timerom - koji obezbeđuje kratak anodni impuls (1 do 2 sekunde pri gustini struje od 2 do 3 mA/cm 2 ) svakog sata kako bi se rastvorili početni depoziti cinka pre nego što se razviju u nodule. Inženjer ograničava katodnu gustinu struje kao ključno ograničenje dizajna kako bi se izbjegao kaskadni otkaz razvoja dendritnog cinka, pregrijavanje i kratko-spajanje u titanijumskim grijačima koji se koriste u aplikacijama za galvanizaciju.