Za inženirje procesov, ki načrtujejo električne potopne grelnike za kopeli za luženje kovin v jeklarnah in obratih za proizvodnjo kovin, kombinacija žveplove kisline pri povišanih temperaturah ustvari eno najbolj agresivnih okolij za ovoje iz nerjavečega jekla 316. Lužilne kopeli običajno delujejo pri 60–90 stopinjah s koncentracijo žveplove kisline 10–25 %, ki pogosto vsebuje raztopljene železove soli, ki dodatno otežujejo korozijsko obnašanje. Debelina stene 2,0 mm je pogosto določena za zagotavljanje zaščite pred korozijo in mehansko robustnost pred vrtinčenjem kopeli in stikom z obdelovancem. Vendar delovanje pri standardnih gostotah vatov 8–12 W/cm² dvigne površinsko temperaturo plašča za 20–40 stopinj nad temperaturo kopeli v razsutem stanju, kar potencialno potisne plašč v režim aktivne korozije, kjer stopnje korozije presegajo 5 mm na leto. Ta članek opredeljuje posebne koncentracijske-temperaturne kombinacije, pri katerih mora biti 2,0 mm ovoj iz 316 znižan pod 5 W/cm², da ostane v režimu pasivne korozije.
Pasivni-aktivni prehod v žveplovi kislini za nerjavno jeklo 316
Kot je določeno v členu 30, ima nerjavno jeklo 316 pasiven-aktiven prehod v žveplovi kislini, ki je močno odvisen od temperature in koncentracije. V pasivnem režimu so stopnje korozije pod 0,2 mm na leto. V aktivnem režimu stopnje poskočijo na 5–20 mm na leto. Pri pogojih lužilne kopeli prehodna meja sledi izraziti krivulji. Pri 10 % žveplove kisline je temperatura prehoda približno 55 stopinj. Pri 15 % prehod pade na 45 stopinj. Pri 20 % pade na 38 stopinj. Pri 25% doseže 32 stopinj. Pri grelniku, ki deluje v razsuti kopeli pri 70 stopinjah s 15 % žveplove kisline, je samo razsuto stanje že nad prehodno temperaturo 45 stopinj-kopel je aktivno jedka do 316 tudi brez toplotnega toka. V takšnih primerih je 316 neprimeren ne glede na debelino stene ali gostoto v vatih. Vendar pa veliko lužilnih kopeli deluje v prehodnem območju, kjer so razmere v razsutem stanju pasivne, vendar povišana površinska temperatura plašča zaradi toplotnega toka potisne plašč v aktivni režim. Za 2,0 mm ovoj pri 10 W/cm² je dvig temperature od mase do površine plašča približno 25–30 stopinj. Masivna kopel pri 40 stopinjah s 15 % kisline (pasivno) povzroči temperaturo površine plašča 65–70 stopinj, kar je nad prehodom 45 stopinj-aktivna korozija se pojavi na površini plašča, čeprav je masivna kopel pasivna.
Kritični pragovi zmanjšanja za 2,0-milimetrski ovoj
Na podlagi korozijskega testiranja 316 vzorcev pri temperaturah in koncentracijah, ki so pomembne za lužilne kopeli, veljajo naslednje zahteve glede zmanjšanja za 2,0 mm stenski ovoj. Vrednosti kažejo največjo vatno gostoto, ki ohranja temperaturo površine plašča vsaj 5 stopinj pod pasivno-aktivno prehodno temperaturo za dano množinsko koncentracijo.
| Koncentracija žveplove kisline | Temperatura kopeli v razsutem stanju | Temperatura pasivnega-aktivnega prehoda pri tej koncentraciji | Najvišja temperatura površine plašča (prehod minus 5 stopinj varnostnega roba) | Največja dovoljena vatna gostota za 2,0 mm ovoj | Priporočeno dejanje |
|---|---|---|---|---|---|
| 10% | 30 stopinj | 55 stopinj | 50 stopinj | 12 W/cm² | Varno pri standardni vatni gostoti |
| 10% | 40 stopinj | 55 stopinj | 50 stopinj | 6 W/cm² | Zahtevano znižanje moči |
| 10% | 45 stopinj | 55 stopinj | 50 stopinj | 3 W/cm² | Obrobni; razmislite o nadgradnji zlitine |
| 10% | Nad 48 stopinj | 55 stopinj | 50 stopinj | Ni izvedljivo | Uporabite zlitino 20 ali titan |
| 15% | 25 stopinj | 45 stopinj | 40 stopinj | 10 W/cm² | Varno pri zmerni vatni gostoti |
| 15% | 30 stopinj | 45 stopinj | 40 stopinj | 6 W/cm² | Zahtevano znižanje moči |
| 15% | 35 stopinj | 45 stopinj | 40 stopinj | 2 W/cm² | Nepraktično; nadgradnja zlitine |
| 15% | Nad 38 stopinj | 45 stopinj | 40 stopinj | Ni izvedljivo | 316 neprimeren |
| 20% | 20 stopinj | 38 stopinj | 33 stopinj | 8 W/cm² | Varno pri zmanjšani vatni gostoti |
| 20% | 25 stopinj | 38 stopinj | 33 stopinj | 4 W/cm² | Znatno zmanjšanje |
| 20% | Nad 28 stopinj | 38 stopinj | 33 stopinj | Ni izvedljivo | 316 neprimeren |
| 25% | Pod 25 stopinj | 32 stopinj | 27 stopinj | Pod 3 W/cm² | 316 ni priporočljivo |
| 25% | Nad 25 stopinj | 32 stopinj | 27 stopinj | Ni izvedljivo | Uporabite zlitino 20 ali titan |
Za tipično lužilno kopel, ki deluje pri 15-odstotni žveplovi kislini in 35 stopinjski temperaturi v masi, mora 2,0 mm ovoj iz 316 delovati pri 2 W/cm² ali manj, da se prepreči aktivna korozija. Pri tej gostoti vatov bi doseganje tipičnih zahtev po moči 10–20 kW zahtevalo nepraktično dolg grelnik. Zato je 316 neprimeren za to storitev. Inženirji morajo določiti zlitino 20 (Carpenter 20) ali zlitino 825, ki imata pasivne-aktivne prehodne temperature za 30–50 stopinj višje od 316 v žveplovi kislini.
Spremembe zasnove za preprečevanje aktivne korozije brez zmanjšanja moči
Kadar so pogoji lužilne kopeli blizu prehodne meje in je 2,0 mm 316 ovoj že nameščen ali potreben, lahko tri modifikacije konstrukcije preprečijo aktivno korozijo brez zmanjšanja gostote v vatih pod praktične meje. Prvi je povečati kroženje kisline po površini grelnika. Turbulentni tok s hitrostjo 1–2 m/s zmanjša dvig temperature na površini ovoja s 25–30 stopinj na 10–15 stopinj, kar potencialno ohranja ovoj pod prehodnim pragom. Druga sprememba je dodajanje oksidanta v kopel. Majhni dodatki vodikovega peroksida ali železovih ionov lahko premaknejo pasivni-aktivni prehod na višje temperature za 10–20 stopinj, s čimer se ponovno vzpostavi pasivno vedenje. Tretja modifikacija je uporaba zasnove grelnika z dvojno-vat-gostoto z nižjo gostoto moči v spodnjem delu kopeli, kjer so temperature najvišje zaradi stratifikacije. Za večino aplikacij v kopeli za luženje je pravilna inženirska rešitev nadgradnja zlitine 316 na bolj odporno zlitino. Razlika v ceni med 2,0 mm plaščem iz 316 in plaščem iz zlitine 20 enakih dimenzij je običajno 30–50 %, vendar se življenjska doba poveča z mesecev na 5–10 let. Pri določanju grelnikov za lužilne kopeli morajo inženirji dobavitelju zagotoviti natančno sestavo kopeli, temperaturno območje in pričakovano stopnjo turbulence. Proizvajalec, ki priporoča 316 za 15-odstotno žveplovo kislino pri 50 stopinjah, ne da bi razpravljal o zmanjšanju moči ali tveganju aktivne korozije, ne daje odgovornih navodil. Prehod iz pasivne v aktivno korozijo v žveplovi kislini je oster in neprizanesljiv. 2,0 mm ovoj, ki zaradi aktivne korozije izgubi 5 mm na leto, se bo predrl v manj kot petih mesecih. Zmanjšanje moči pod 5 W/cm² je redko praktično za industrijske lužilne kopeli, zaradi česar je nadgradnja zlitine edina zanesljiva možnost za večino aplikacij.
