Prilikom zagrevanja fosforne kiseline (30-50%) na 100 stepeni, zašto kontaminacija rastvorenim gvožđem ubrzava koroziju titana iznad prihvatljivih stopa?

Oprema za grijanje od titana u servisu fosforne kiseline pokazuje kontradiktorno ponašanje. Titan grade 2 u hemijski čistoj 30-50% fosfornoj kiselini na 100 stepeni ima nisku stopu korozije od 0,05-0,10 mm godišnje, što je u granicama prihvatljivih za cijevi grijača. Međutim, industrijska fosforna kiselina (WPA) dobijena digestijom fosfatnih stijena sadrži mnoge nečistoće, a otopljeno željezo (Fe2+ i Fe3+) ​​među njima ima najrazorniji učinak na otpornost titanijuma na koroziju. Čak i zagađenje gvožđem od 0,5% može povećati stopu korozije titanijuma za faktor od 10 do 50, što dovodi do perforacije cevi u mesecima, a ne godinama. Ovaj članak opisuje elektrohemijski mehanizam ubrzane korozije izazvane gvožđem i određuje sigurne granice sadržaja gvožđa za rad titanijumskih grejača.

Mehanizam ubrzanja korozije preko gvožđa
Pasivni film na titanijumu u fosfornoj kiselini uglavnom se sastoji od TiO 2 sa integrisanim vrstama fosfata. Film je stabilan između niza elektrohemijskih potencijala. Otopljeni joni gvožđa, uglavnom Fe³⁺, su redoks šatlovi koji kruže između Fe³⁺ i Fe²⁺ na površini titanijuma. Svaki Fe³⁺ ion koji dođe u kontakt sa površinom uzima elektron od titanijuma (reducira se u Fe²⁺), zatim difunduje i reoksidira se u Fe³⁺ rastvorenim kiseonikom. Ovaj konstantni redoks ciklus uspješno prenosi elektrone iz metala titanijuma u masu otopine, zaobilazeći zaštitni pasivni premaz.

Elektrohemijska mjerenja pokazuju veličinu ovog efekta. Potencijal korozije titanijuma Grade 2 u čistom 40% H₃PO₄ na 100 stepeni stabilizuje se između +150 i +250 mV u odnosu na SCE sa gustinom pasivne struje od 5 µA/cm². Dodatak 0,5% Fe3+ (u obliku feri fosfata) podiže potencijal korozije na +400 do +550 mV u odnosu na SCE i povećava gustinu pasivne struje na 50-100 µA/cm2. Pri 1,0% gvožđa gustina struje je 200-300 µA/cm 2 i odgovara stopi korozije od 0,5-0,8 mm godišnje. Sa 2,0% gvožđa, stope su veće od 1,5 mm/godišnje.

**Kritična granica željeza za servis grijača**
Test dugotrajnog-izlaganja titanijuma Grade 2 u fosfornoj kiselini na 100 stepeni pronalazi praktičnu granicu za gvožđe. Kod rastvorenog gvožđa ispod 0,2% stope korozije su ispod 0,10 mm/godišnje, što je dovoljno za 10 godina života grejača sa debljinom zida od 1,5 mm. Stope su 0,15-0,30 mm/godišnje pri 0,2 do 0,5% željeza što bi smanjilo predviđeni vijek trajanja na 3-5 godina sa tipičnom debljinom zida. Stope korozije iznad 0,5% gvožđa su previsoke (više od 0,5 mm godišnje) i uključuju lokalizovane rupe koje doprinose dodatnom gubitku metala.

Fosforna kiselina vlažnog{0}}procesa obično sadrži 0,8-1,5% otopljenog željeza iz nečistoća fosfatnih stijena. WPA isparivači i koncentratori koriste grijače od titanijuma, koji brzo korodiraju u nedostatku prethodnog tretmana za uklanjanje gvožđa ili nadogradnje na otporniju leguru titana. Titanijum 7 stepena (Ti-0,15Pd) poboljšava toleranciju na gvožđe, sa stopama ispod 0,15 mm godišnje pri 0,8% gvožđa, međutim čak i stepen 7 ne uspeva iznad 1,2% gvožđa.

Matrica aplikacija i strategije ublažavanja
Izvor fosforne kiseline Tipičan sadržaj željeza Preporučeni materijal grijača Očekivana stopa korozije vijek trajanja (1,65 mm zid)
Pročišćeni (termički proces) titanijum 2. stepena<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) Varijabilni cirkonij ili tantal N/A Titan se ne preporučuje
Sažetak Spec. grijača fosforne kiseline
Kontaminacija rastvorenog gvožđa više od 0,2% u fosfornoj kiselini na 100 stepeni promoviše koroziju titanijuma redoks cikličnim mehanizmom koji zaobilazi zaštitu koju pruža pasivni film. Za vlažnu procesnu kiselinu sa tipičnim sadržajem gvožđa od 0,8 do 1,5 %, titanijumski grejači stepena 2 će otkazati za 2 do 3 godine. Inženjeri su suočeni s izborom specificiranja titanijuma 7. razreda (koji gura toleranciju gvožđa na približno 0,8%) ili dodavanja koraka za uklanjanje gvožđa (ekstrakcija rastvaračem, jonska izmena) uzvodno od grejača. Kada kupujete titanijumske grijače za servis fosforne kiseline, uvijek tražite kupon za ispitivanje korozije koji je bio podvrgnut stvarnoj procesnoj kiselini i zahtijevajte minimalnu debljinu stijenke od 2,0 mm za stepen 2 ili 1,65 mm za stepen 7 u kiselini koja sadrži željezo{16}}.