Titaanivaippalämmittimelle, joka on asennettu 8 % natriumboraattia sisältävään säiliöön 95 asteessa, kuinka boraatin pitoisuusgradientti lähellä putken pintaa vaikuttaa passiivikalvon vakauteen syklisessä kuumennuksessa?

Puskurointiaineena ja korroosionestoaineena käytetään 8 % natriumboraattia (Na2B4O7) 95 asteessa. Boraatti-ionit (B 4 O 7 2 - ) voivat muodostaa suojaavan kerroksen titaanille, mutta tämän kalvon stabiilisuus riippuu boraattipitoisuudesta metallin pinnalla. Lämpötilagradientti rajakerroksen poikki saa aikaan boraatti-ionien kulkeutumisen tai saostumisen syklisessä kuumentamisessa. Tämä tuottaa pitoisuusgradientin, jossa on korkeampi boraattipitoisuus viileämmässä bulkkiliuoksessa ja pienempi boraattipitoisuus kuumassa putken pinnassa. Tuloksena oleva gradientti destabiloi passiivikalvon ja johtaa paikalliseen ohenemiseen. Passiivikalvon stabiilisuus säilyy pinnalla yli 2 %:n boraattipitoisuudessa.

Boraattikonsentraatiogradienttien muodostumismekanismi

Tasaisessa tilassa kuumenevat boraatti-ionit liikkuvat kohti kuumaa titaanipintaa, mutta lämpödiffuusio (Soret-ilmiö) vetää ne pois kuumalta pinnalta. Nettotulos on tyhjentynyt rajakerros, jonka boraattipitoisuus putken pinnalla on 10-30 % pienempi kuin bulkkiliuoksessa. Syklinen lämmitys (on-off-jaksot) saa pitoisuusgradientin värähtelemään. Kun lämmitin sammuu, pinta jäähtyy ja boraatti-ionit diffundoituvat takaisin pintaan aiheuttaen ohimenevän passivoitumisen. Kun lämmitin kytkeytyy uudelleen päälle, kaltevuus palautuu ja pinta tyhjenee. Tämä säännöllinen kuluminen ja palautuminen rasittaa passiivista kalvoa ja aiheuttaa halkeilua ja halkeilua.

Passiivikalvojen kvantitatiivinen stabiilisuus pintaboraattipitoisuuden funktiona

Passiivikalvon stabiilisuus luokan 2 titaanille vaihtelevilla pintaboraattipitoisuuksilla on todistettu kontrolloidussa testauksessa 8 % natriumboraatilla (bulkkipitoisuus) 95 asteessa syklisessä lämmityksessä (1 tunti päällä, 1 tunti pois päältä). Passiivikalvon paksuus 4-5 % pintapitoisuudella (rikastettu) on 5-8 nm. Kalvo on vakaa ja tarttuva, eikä pistesyttymistä tapahdu 1000 syklin jälkeen. Kalvo on yleensä stabiili ja jonkin verran pistesyttymistä tapahtuu 500 syklin jälkeen (paksuus 3-5 nm 3-4 %:ssa (lähes bulkki)). 2-3 %:lla (kohtalainen kuluminen) paksuus on 2-4 nm, kalvo halkeilee ja pistesyöpyminen alkaa 200-400 syklin jälkeen. Kalvo on hauras ja pistesyttymistä tapahtuu 50–200 jaksossa, kun paksuus on 1–3 nm 1–2 %:ssa (tyhjentynyt). Alle 1 %:n arvoilla passiivinen kalvo tuhoutuu täysin ja tasaista korroosiota esiintyy nopeudella 0,1–0,3 mm/vuosi.

Boraattipitoisuuden ja kiertonopeuden vaikutus pinnan ehtymiseen

Pinnan ehtymisen aste riippuu bulkkiboraatin pitoisuudesta ja syklin taajuudesta. Syklikuumennuksen aikana pintapitoisuus 4 %:lla bulkkiboraattia on minimaalinen, bulkkipitoisuus 2-3 %. 6 %, pintapitoisuus 3-4 %. Kohtalaisen vakaa. Nimellinen bulkkipitoisuus on 8 %. Pintapitoisuus on 4-5 %. Tämä on vakaa. Pintapitoisuus on 5–6 % ja erittäin tasainen 10 %:n bulkkipitoisuudella. Syklitiheydellä 6 sykliä tunnissa (10 min päällä, 10 min pois päältä) pintapitoisuus on 10–20 % pienempi kuin 2 syklissä päivässä, koska rajakerroksella ei ole aikaa palautua.

Opas boraattipitoisuuden ja syklin hallintaan titaanilämmittimille

Alla olevassa taulukossa on yhteenveto bulkkiboraattipitoisuudesta ja sykliparametreista passiivisen kalvon stabiilisuuden säilyttämiseksi luokan 2 titaanilla 95 asteessa.

Bulkkiboraattipitoisuus (%) Jakson taajuus (päällä/pois) % Pinta Boraatti (arvioitu) Passiivinen kalvon vakaus Suositeltu toimenpide
6 <2 cycles/day 3–4 Moderate Acceptable
6 >6 jaksoa/tunti 2-3 Marginaalipitoisuuden nousu
8 <2 cycles/day 4–5 Stable Optimal
8 >6 jaksoa/tunti 3-4 Keskitaso Pienennä syklien taajuutta
10 Mikä tahansa 5–6 Erittäin vakaa Suositellaan kovaan pyöräilyyn
12 Mikä tahansa 6–7 Erittäin vakaa Tarpeeton yli-määrittely
Suunnittelua ilman keskittymiskykyä

Titaanin laatu vaikuttaa passiivikalvon stabiilisuuteen pitoisuusgradienteissa. Grade 7 (palladiumstabiloitu) on stabiili 1,5 %:n boraatin pintapitoisuuteen asti korkeammalla turvallisuuskertoimella. Arvosana 12 on kohtalaista parannusta. Seinämän paksuudella ei ole vaikutusta passiivikalvoon. Lämmitysnopeus on tärkeä. Hidas nostaminen (1 aste minuutissa) alentaa pitoisuusgradienttia verrattuna nopeaan nousuun (10 astetta minuutissa). Liuoksen sekoittaminen (sekoitin tai kierrätyspumppu) vähentää rajakerroksen paksuutta ja siten minimoi pitoisuusgradientin.

Tietojen tietojen antaminen

Kun titaanivaippalämmitintä lämmitetään syklisesti 8 % natriumboraatissa 95 asteessa, pidä bulkkiboraattipitoisuus 8–10 %:ssa, jotta pintakonsentraatio on yli 4 % pyöräilyn aikana. Jos syklien taajuus on yli 6 jaksoa tunnissa, nosta bulkkipitoisuus 10 %:iin. Olemassa oleville lämmittimille, joissa on passiivisen kalvon epävakaus (epätasainen virrankulutus tai pistesyöpyminen), lisää boraattia sen pitoisuuden nostamiseksi 10 %:iin tai kiertotiheyden vähentämiseksi. Tarkista pH koko käytön ajan ja lisää natriumhydroksidia, jos pH on alle 9. Insinööri hallitsee boraattikonsentraatiogradienttia riittävällä massapitoisuudella ja pienemmällä kiertotiheydellä titaanilämmittimien passiivikalvon pitämiseksi vakaana.