כאשר מחממים חומצה זרחתית (30-50%) ב-100 מעלות, מדוע זיהום ברזל מומס מאיץ את קורוזיית הטיטניום מעבר לשיעורים המקובלים?

ציוד חימום טיטניום בשירות חומצה זרחתית מציג התנהגות סותרת. טיטניום דרגה 2 בחומצה זרחתית טהורה כימית 30-50% ב-100 מעלות הוא בעל שיעור קורוזיה נמוך של 0.05-0.10 מ"מ לשנה, וזה בהחלט בגבולות המקובלים עבור צינורות חימום. עם זאת, חומצה זרחתית תעשייתית בתהליך רטוב (WPA) המתקבלת מעיכול סלע פוספט מכילה זיהומים רבים, ולברזל מומס (Fe2+ ו-Fe3+) ​​יש את ההשפעה ההרסנית ביותר על עמידות בפני קורוזיה טיטניום. אפילו זיהום ברזל של 0.5% יכול להגביר את שיעורי הקורוזיה של טיטניום בפקטור של 10 עד 50, מה שמוביל לניקוב הצינור בחודשים ולא שנים. מאמר זה מתאר את המנגנון האלקטרוכימי של קורוזיה מואצת הנגרמת על ידי ברזל וקובע גבולות בטוחים של תכולת ברזל לפעולה של מחממי טיטניום.

מנגנון האצת קורוזיה באמצעות ברזל
הסרט הפסיבי על טיטניום בחומצה זרחתית מורכב בעיקר מ-TiO 2 עם מיני פוספט משולבים. הסרט יציב בין טווח של פוטנציאלים אלקטרוכימיים. יוני הברזל המומסים, בעיקר Fe³⁺, הם מעבורות חיזור הנוסעות בין Fe³⁺ ל-Fe²⁺ על פני הטיטניום. כל יון Fe³⁺ שמגע עם פני השטח לוקח אלקטרון מטיטניום (המופחת ל-Fe²⁺), ואז מתפזר ומתחמצן מחדש ל-Fe³⁺ על ידי חמצן מומס. מחזור חיזור קבוע זה מעביר בהצלחה אלקטרונים ממתכת הטיטניום לתמיסה בתפזורת, כך שהוא עוקף את הציפוי הפסיבי המגן.

מדידות אלקטרוכימיות מראות את גודל ההשפעה הזו. פוטנציאל הקורוזיה של טיטניום דרגה 2 ב-40% H₃PO₄ טהור ב-100 מעלות מתייצב בין +150 ל-+250 mV לעומת SCE עם צפיפות זרם פסיבית של 5 µA/cm². תוספת של 0.5% Fe3+ (בצורה של פוספט ברזל) מעלה את פוטנציאל הקורוזיה ל-+400 ל-+550 mV לעומת SCE ומגבירה את צפיפות הזרם הפסיבית ל-50-100 µA/cm2. ב-1.0% ברזל צפיפות הזרם היא 200-300 µA/cm 2 ומתאימה לקצב קורוזיה של 0.5-0.8 מ"מ בשנה. ב-2.0% ברזל, השיעורים גבוהים מ-1.5 מ"מ לשנה.

**מגבלת ברזל קריטית לשירות המחמם**
בדיקת החשיפה לטווח ארוך- של טיטניום דרגה 2 בחומצה זרחתית ב-100 מעלות מוצאת גבול מעשי לברזל. בברזל מומס מתחת ל-0.2% שיעורי הקורוזיה הם מתחת ל-0.10 מ"מ לשנה, מספיקים למשך 10 שנות חיי מחמם עם עובי דופן של 1.5 מ"מ. התעריפים הם 0.15-0.30 מ"מ לשנה ב-0.2 עד 0.5% ברזל, מה שיפחית את אורך החיים החזוי ל-3-5 שנים עם עובי דופן טיפוסי. שיעורי קורוזיה מעל 0.5% ברזל גבוהים מדי (יותר מ-0.5 מ"מ בשנה) וכרוכים בבור מקומי שתורם לאובדן מתכות נוסף.

חומצה זרחתית רטובה בתהליך- מכילה בדרך כלל 0.8-1.5% ברזל מומס מזיהומים בסלע פוספט. מאיידים ורכזי WPA משתמשים בתנורי חימום טיטניום, אשר נשחקים במהירות בהיעדר טיפול מקדים להסרת ברזל או שדרוג לסגסוגת טיטניום עמידה יותר. טיטניום דרגה 7 (Ti-0.15Pd) משפר את סבילות הברזל, עם שיעורים מתחת ל-0.15 מ"מ בשנה ב-0.8% ברזל, אולם אפילו דרגה 7 נכשלת מעל 1.2% ברזל.

מטריצת יישומים ואסטרטגיות הפחתה
מקור לחומצה זרחתית תכולת ברזל טיפוסית חומר מחמם מומלץ חיי שירות קצב קורוזיה (קיר 1.65 מ"מ)
טיטניום מטוהר (תהליך תרמי) דרגה 2<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) זירקוניום משתנה או טנטלום לא מומלץ טיטניום
סיכום של מפרט מחמם חומצה זרחתית
זיהום ברזל מומס של יותר מ-0.2% בחומצה זרחתית ב-100 מעלות מקדם את קורוזיה של טיטניום על ידי מנגנון מחזור חיזור שעוקף את ההגנה שמעניק הסרט הפסיבי. עבור חומצה רטובה עם תכולת ברזל טיפוסית של 0.8 עד 1.5%, מחממי טיטניום דרגה 2 ייכשלו תוך שנתיים עד 3 שנים. המהנדסים עומדים בפני הבחירה לציין טיטניום דרגה 7 (שדוחפת את סבילות הברזל לכ-0.8%) או להוסיף שלבים להסרת ברזל (מיצוי ממס, החלפת יונים) במעלה הזרם של המחמם. בקניית מחממי טיטניום לשירות חומצה זרחתית, בקש תמיד קופון לבדיקת קורוזיה שעבר לחומצה התהליך בפועל, ודרוש עובי דופן מינימלי של 2.0 מ"מ לדרגה 2 או 1.65 מ"מ לדרגה 7 בחומצה נושאת ברזל.-