כיצד הטיפול המקדים לחמצון הקיטור (ב-300 מעלות למשך שעתיים) משפר את העמידות הבאה בפני קורוזיה חומצה של מחמם טיטניום?

למהנדס תהליך שרוצה להאריך את חיי השירות של מחמם טבילה טיטניום בסביבת חומצה קורוזיבית כמו חומצה גופרתית או הידרוכלורית חמה, טיפול מקדים מחמצן קיטור ב-300 מעלות למשך שעתיים מביא לעלייה מדידה בעמידות בפני קורוזיה. תכשיר זה מצמיח סרט טיטניום דו חמצני (TiO2) מווסת ועבה יותר על משטח המחמם, בדרך כלל 0.5 עד 2.0 מיקרון, בהשוואה לסרט הפסיבי המקורי של 2 עד 7 ננומטר. שכבת תחמוצת עבה יותר עמידה יותר להתמוססות כימית, מספקת מחסום הומוגני יותר להתקפת חומצה ויש לה פחות נקודות תקלה שבהן עלולות להתרחש פיתולים מקומיים. בדיקות כמותיות מצביעות על כך שלטיטניום מחומצן{10}}קיטור יש שיעורי קורוזיה מופחתים ב-50-80% מאשר לטיטניום לא מטופל ב-20% H₂SO₄ ב-80 מעלות, וחיי חימום מוגברים פי 2 עד 5 בחומצות מפחיתות אגרסיביות.

מנגנון של חמצון קיטור והשפעה על מבנה התחמוצת
The reaction Ti + 2H2O -->ניתן לווסת את TiO2 + 2H2 על ידי חימום טיטניום בקיטור (אדי מים) ב-300 מעלות. סביבת הקיטור יוצרת ציפוי צפוף ונצמד של רוטיל (TiO₂ גבישי). זאת בניגוד לחמצון אוויר יבש שעלול ליצור תחמוצת נקבוביות עם שברים והתפרקות. חמצון בקיטור מביא לשכבת תחמוצת אחידה יותר ופחות פגומה שכן המימן הנוצר בממשק התחמוצת -מתכת מסוגל לחדור החוצה דרך התחמוצת ולגרום למצב לחץ (מגן) יותר דחוס.

הטיפול של 300 מעלות, 2 שעות הוא אופטימלי עבור טיטניום דרגה 2. בטמפרטורות נמוכות יותר (200 מעלות) התחמוצת צומחת לאט מדי (< 0.1 µm in 2 h). At higher temperatures (400°C) the oxide grows excessively fast (>5 מיקרומטר) והוא נוטה להתפרק. אורכו 2-שעתיים מאפשר כיסוי מלא של פני השטח כולל סדקים ואזורי ריתוך, אך ללא עובי נוסף שיגביל מוליכות תרמית. שכבת התחמוצת שנוצרה היא בצבע זהוב או כחול-חום (צבעי הפרעה) המקבילים לעובי של כ-0.5-2.0 מיקרומטר.

כימות של שיפור עמידות בפני קורוזיה הנגרמת על ידי חמצון קיטור
סביבה חומצית (טמפרטורה) דרגה 2 Ti קצב קורוזיה (מ"מ/שנה) לא מטופל אדים מחומצן (300 מעלות, 2 שעות) קצב קורוזיה (מ"מ/שנה) גורם הפחתה משוער הארכת חיים
20% H₂SO₄, 60 מעלות 0.15 0.04 3.8× 4× 20% H2SO4, 80 מעלות 0.80 0.20 4.0× 4× 10% HCl, 50 מעלות 0.25 0.08 3.1× 3× 10% HCl, 70 מעלות 1.20 0.35 3.4× 3× 5% 0 מעלות {{2}×0% 0%, H3PO4, 100 מעלות 0.10 0.04 2.5× 2.5× 10% חומצה אוקסלית, 60 מעלות 0.60 0.20 3.0× 3×
השינוי הגדול ביותר מתרחש עם חומצות (H2SO4, HCl, פורמית, אוקסלית) כאשר הסרט הפסיבי יציב רק מעט במצב לא מטופל. חומצות מחמצנות (חנקתיות, כרומיות) מייצבות מטבען את הסרט הפסיבי והחמצון בקיטור נותן יתרון קטן נוסף (מקדם הפחתת < 1.5×). הטיפול המקדים משפר גם את ההתנגדות לספיגת מימן בהגדרות קתודיות מאחר שהתחמוצת העבה יותר פועלת כמחסום דיפוזיה למימן אטומי.

מדריך מבוסס-תרחיש ליישום טיפול מקדים לחמצון קיטור
שירות חומצה וחומרה טיפול מקדים מומלץ|תועלת צפויה|שיקולי יישום
דלל H₂SO₄ (5 - 15%), 50 - 70 מעלות, חמצון רציף בקיטור (300 מעלות, 2 שעות) 3-4× מקדם הארכת חיים מומלץ ביותר. חסכוני לתנורי חימום חדשים.
Concentrated H 2 SO 4 (>50%) כל טמפרטורה חמצון אדים לא יעיל יתרון מינימלי. אוקסיד מתמוסס במהירות בחומצה מרוכזת. השתמש בטיטניום דרגה 7.
שירות HCl (5–15%) 40–60 מעלות חמצון אדים 3× הארכת חיים יעיל, אך שימו לב להידרדרות. תחמוצת קיטור מפחיתה את ספיגת המימן.
חומצה פורמית, חומצה אוקסלית, כל ריכוז. חמצון קיטור 2-3× אורך חיים מומלץ ליישומים שוליים שבהם טיטניום לא מטופל מאכל 0.2-0.5 מ"מ/שנה.
שירות במי ים או כלורידים (ללא חומצה)לא הכרחי אין יתרון סרט פסיבי מקורי יציב בכלורידים. אין צורך בחמצון בקיטור.
מים באיכות גבוהה (חלד נמוך) לא הכרחי אין יתרון אין בעיה של קורוזיה לתקן.
תנור חימום ישן (מחדש) לא מעשי לא רלוונטי חייב לעבור חמצון בקיטור לפני ההתקנה. לא ניתן לעשות זאת באתר.
היבטים הנדסיים של טרום-טיפול עבור חמצון בקיטור
יש לבצע את הטיפול המקדים בחמצון הקיטור בתנור בסביבה מבוקרת עם הזרקת קיטור. התנור צריך להיות נקי (מוסר שומנים, כבוש בחומצה כדי להסיר תחמוצת או זיהום שעלול להיות קיים) לפני הטיפול. קצב הטמפרטורה צריך להיות פחות מ-5 מעלות לדקה כדי למנוע מתח תרמי. לאחר החזקה של שעתיים ב-300 מעלות יש לקרר את התנור בזהירות (תנור מגניב או<= 3°C/min) to avoid oxide cracking. The treated surface is fragile and must be handled with clean gloves, since any scratches to the metal will act as corrosion initiation sites . The oxide layer reduces the thermal conductivity of the heater significantly (~5-10%) and should be taken into account for watt density estimates. For applications currently running near the critical heat flux, the thicker oxide may raise the sheath temperature by 5-10 °C.

מסקנה: חמצון בקיטור מאריך חיים פי 3-4 בהפחתת חומצות
טיפול מקדים מחמצן בקיטור ב-300 מעלות למשך שעתיים יוצר שכבת טיטניום דו-חמצני מווסתת, צפופה בעובי 0.5-2.0 מיקרומטר על משטח מחמם טיטניום דרגה 2. עמידות בפני קורוזיה חומצה משופרת פי 3-4 בהפחתת חומצות (גופרית, הידרוכלורית, פורמית, אוקסלית). תחמוצת זו העבה וההומוגנית יותר רגישה פחות להתפוררות כימית ופועלת כמחסום לספיגת מימן. טיפול מקדים בחמצון בקיטור של מחממי טיטניום חדשים לשימוש בחומצות מפחיתות מדוללות עד בינוניות מוסיף בערך 10-15% לעלות המחמם אך משפר את חיי השירות פי 2-5 והוא חסכוני מאוד. הטיפול המקדים אינו שימושי עבור חמצון של חומצות (חנקתיות, כרומיות) או למצבים בשליטת כלוריד שבהם הסרט הפסיבי המקורי כבר יציב. ניתן להשתמש באותה גישה בעת הזמנת דוד טיטניום להפחתת שירות החומצה. ציון טיפול מקדים לחמצון קיטור עם פרמטרי תהליך מתועדים (300 מעלות, שעתיים, אטמוספרת קיטור) מבטיח שהעמידות המשופרת בפני קורוזיה מושגת לפני שהמחמם הוכנס לשימוש.