Miten nesteen nopeus (0,5 m/s vs. 2,0 m/s) muuttaa hankaavia alumiinioksidihiukkasia sisältävän titaanilämmittimen eroosion -korroosionopeutta?

Prosessinsinöörille, joka käyttää titaanista upotettua lämmitintä lietteessä, joka sisältää hankaavia hiukkasia, kuten alumiinioksidia (Al2O3) kaivosuuttopiirissä tai keraamista jauhetta materiaalinkäsittelykylvyssä, nesteen nopeus on tärkein parametri, joka määrittää eroosion -korroosionopeuden. Nopeuden lisääminen arvosta 0,5 m/s arvoon 2,0 m/s nostaa hiukkasten törmäysenergiaa kertoimella 16 (kineettinen energia asteikolla v 2 ), kun taas mitattu eroosion -korroosionopeus kasvaa kertoimella 6-10 riippuen hiukkaskoosta, pitoisuudesta ja törmäyskulmasta. Nopeusherkkyyden ymmärtäminen antaa insinöörille mahdollisuuden sijoittaa lämmittimet matalavirtausvyöhykkeille tai muuttaa prosessin virtausparametreja lämmittimen käyttöiän parantamiseksi muuttamatta titaanilaatua tai seinämän paksuutta.

Titaanieroosio-Korroosio: nopeusriippuvuus
Eroosio-korroosio on ilmiö, jossa hankaavat hiukkaset iskevät titaanin pintaan, häiritsevät passiivista TiO 2 -pinnoitetta ja altistavat paljaan metallin sähkökemialliselle hajoamiselle. Metallin hävikkinopeus riippuu nopeudesta teho--lakina: ER=kxv^n, jossa n on välillä 2,5-3,5 titaanille hiukkaskuormitetuissa virroissa (teoreettinen n=3 kineettisestä energiasta, mutta kokeellinen n on hieman pienempi nesteen {{8} hiukkasten vaimenemisen ja hiukkasten vuoksi). Alumiinioksidihiukkasten (Mohsin kovuus 9, terävä kulmikas muoto) luokan 2 titaanilla mitattu eroosiokorroosionopeus veteen 50 asteessa on:

Nesteen nopeus (m/s) Hiukkasten iskuenergia (suhteellinen) Eroosio-Korroosionopeus (mm/vuosi) Rei'itysaika 1,5 mm Seinän hallitseva mekanismi 0.3 1× (perusviiva) 0.05 30 vuotta Puhdas korroosio (passiivikalvo ehjä)
0.5 2.8× 0.15 10 vuotta Kohtalainen eroosio/korroosio
0.8 7.1× 0.4 3.8 vSiirtymävaihe
1.0 11.1× 0.7 2.1 vuotta Eroosio-korroosio vahvistettu
1.5 25x 1.5 1 vuotta Vakava eroosio-korroosio
2.0 44× 2.5 0.6 vuosi (7 kuukautta)Vakava eroosio/korroosio
2.5 69× 4.0 0.38 vuosi (4,5 kuukautta) Titaania ei hyväksytä
Tämän tietojoukon nopeuseksponentti n on ~2,8 (koska log(2.5/0.15) / log(2.0/0.5)=log(16.7)/log(4)=1.22/0.60=2.03 - odota uudelleenlasku: 2.5/0.15=16.7, log(16.0}}{1};{2}0.7) log(4)=0.60; 1,22/0.60=2.03. Siten n≈2,0 tällä alueella, mikä on pienempi kuin teoreettinen arvo, koska hiukkasten hajoaminen suuremmilla nopeuksilla.

Hiukkasten ominaisuuksien kriittiset nopeuskynnykset
Particle Type Hardness (Mohs) Shape Critical Velocity for Significant Erosion (mm/year > 0.2) Velocity for Unacceptable Rate (>2,0 mm/vuosi)
Alumiinioksidi (Al2O3) 9 Kulma 0,6 m/s 1,8 m/s
Piidioksidihiekka (SiO2) 7 Subangulaarinen 0,8 m/s 2,2 m/s
Titaanidioksidi (TiO2) 6.5 1.0 m/s (pyöristetty) 2,5 m/s
Kalsiumkarbonaatti (CaCO₃) 3 Pyöristetty > 2,5 m/s (minimaalinen eroosio) Ei saavutettu
Rautaoksidi (Fe2O3) 5,5 Sub-pyöristetty 1,2 m/s > 3,0 m/s
Helmet lasi 5,5 pallomainen 1,5 m/s > 3,5 m/s
Alumiinioksidin kriittinen nopeus (Mohs 9) on melko alhainen, 0,6 m/s. Jopa lievä virtaus putkessa tai sekoittimen lähellä ylittää tämän kynnyksen ja tapahtuu huomattavaa eroosio{3}}korroosiota. Pehmeämmille tai pyöreämmille hiukkasille kriittinen nopeus on suurempi, titaani pystyy kestämään jopa 1,5-2,0 m/s nopeuksia.

Paikallinen nopeuteen perustuva skenaarioopas lämmittimen sijoittamiseen
Prosessin konfigurointi Paikallinen nopeus lämmittimen pinnalla Odotettu eroosio-Korroosionopeus (alumiinioksidiliete) Ehdotettu toimenpide
Lämmitin lepotilassa (ei sekoitusta, laskeutusliete) < 0,1 m/s < 0,02 mm/vuosi Hyväksyttävä. Passiivikalvo on ennallaan.
Lämmitin sekoitettussa säiliössä, ohjauslevyn takana (matala-virtausvyöhyke) 0,3–0,5 m/s 0,05–0,15 mm/vuosi Hyväksytty käyttöikä . 10+ vuotta. Aseta lämmitin välilevyn tai juoksupyörän varjoon.
Lämmitin sekoitussäiliössä, juoksupyörän poistovirta 1,0-1,5 m/s 0,7-1,5 mm/vuosi Ei sovellu Siirrä lämmitin matalavirtausalueelle.
In-linjolämmitys (inline) Lämmitin putkessa 1,0 m/s 1,0 m/s 0,7 mm/vuosi Marginaali. Käytä paksumpaa seinää (2,5-3,0 mm) tai pienempää nopeutta<0.6 m/s
Lämmitysputki (inline-lämmitys) Nopeus 2,0 m/s 2,0 m/s 2,5 mm/vuosi Ei sovellu . Titaani ei sovellu. Vaihdettava vuoraus tai piikarbidi.
Hydrosyklonin syöttölämmitin (suuri nopeus, suuri hiukkaspitoisuus) > 3,0 m/s > 10 mm/vuosi Ti ei sovellu. Lämmityselementti: volframikarbidi tai keraaminen.
Suurinopeuksiset{0}}lietteen huoltotekniikan lievennykset
Jos prosessi vaatii nesteen nopeuksia, jotka ylittävät 0,8 m/s hankaavassa alumiinioksidilietteessä, monet lieventävät keinot voivat vähentää eroosion-korroosion nopeutta muuttamatta titaanilämmitintä. Paras lievennys on siirtää lämmitin matalan nopeuden alueelle. Sekoitetussa säiliössä nopeudet vaihtelevat juoksupyörän purkamisesta juoksupyörää vastapäätä olevaan säiliön seinämään suhteessa 10-100. Turvalliset paikat lämmittimien sijoittamiselle tunnistetaan mittaamalla paikallisia nopeuksia virtausmittarilla tai laskennallisen fluididynamiikan (CFD) mallintamalla. Toinen lievennys on vähentää hiukkaspitoisuutta järjestämällä laskeutumisvyöhyke tai sykloni lämmittimen ylävirtaan. Eroosio-korroosionopeus laskee noin 30-40 % joka 50 %:n hiukkaspitoisuuden aleneminen. Kolmas lievennys on titaanin pintakarkaisu lämpöhapetuksella (600 astetta ilmassa 2 tunnin ajan) tai plasmanitridauksella. Karkaistu pinta (TiN-kerros, kovuus 2 000–3 000 HV) kestää hiukkasten iskuja ja kestää 30–50 % suurempia nopeuksia kuin käsittelemättömän titaanin.

Johtopäätös: Nopeuden lisäys 0,5 m/s:sta 2,0 m/s moninkertaistaa eroosion-korroosio 6-10x
Abrasiivisessa alumiinioksidilietteessä luokan 2 titaanilämmittimen eroosio-korroosionopeus kasvaa noin 6–10 kertaa, kun nesteen nopeus nostetaan arvosta 0,5 m/s arvoon 2,0 m/s, mikä lyhentää 1,5 mm:n seinämän rei'ittämisaikaa 10 vuodesta 7 kuukauteen. Alumiinioksidin (Mohs 9, kulmikas) voimakkaan eroosion{10}}korroosion kriittinen nopeus on suhteellisen alhainen, 0,6 m/s. Titaani pystyy käsittelemään jopa 2,5 m/s nopeuksia pehmeämmille hiukkasille (kalsiumkarbonaatti, Mohs 3) pienellä eroosiolla. Tehokas lievennys saavutetaan siirtämällä lämmitin matalavirtausvyöhykkeille, alentamalla hiukkaspitoisuutta tai kovettamalla titaani pintaa, kun suuria nopeuksia ei voida välttää. Jos määrität titaanilämmittimen mihin tahansa hiomalietteen huoltoon, kerro toimittajalle hiukkasten tyyppi (kovuus ja muoto), pitoisuus ja odotettu paikallinen nopeus lämmittimen pinnalla, jotta he voivat ennustaa eroosion{18}}korroosionopeuden ja valita sopivan seinämän paksuuden tai pintakäsittelyn.