เมื่อใช้ท่อทำความร้อนไฟฟ้าไทเทเนียมเพื่อให้ความร้อนส่วนผสมของกรดไฮโดรฟลูออริกและกรดไนตริกสำหรับการดองสแตนเลส เหตุใดความหนาของผนังจึงไม่เพียงพอหากไม่มีการเคลือบป้องกัน

การแลกเปลี่ยนขั้นพื้นฐาน-ในการออกแบบเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมสำหรับการดองด้วยกรดผสม
การผสมกรดไฮโดรฟลูออริก (HF) และกรดไนตริก (HNO3) ถูกนำมาใช้ในสายการดองสแตนเลสเพื่อขจัดสีความร้อน ตะกรัน และการเปลี่ยนสีของรอยเชื่อม ค่าทั่วไปคือ 3-8% HF พร้อมด้วย 10-20% HNO 3 ที่ 40-60 องศาเซลเซียส โดยทั่วไปคิดว่าไทเทเนียมทนทานต่อการกัดกร่อนในกรดไนตริก แม้ว่าจะมีความไวต่อกรดไฮโดรฟลูออริกอย่างฉาวโฉ่ก็ตาม HF กัดกร่อนไทเทเนียมโดยการทำลายการเคลือบไทเทเนียมไดออกไซด์ที่ป้องกัน และสร้างสารประกอบเชิงซ้อนไทเทเนียมฟลูออไรด์ที่ละลายน้ำได้ (TiF₆²⁻) กลไกการกัดกร่อนได้รับการควบคุมทางเคมีและไม่จำกัดการแพร่กระจาย ซึ่งหมายความว่าความหนาของผนังที่เพิ่มขึ้นจะทำให้ระยะเวลาในการเจาะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงเท่านั้น แต่อัตราการกัดกร่อนจะคงที่และสูงจนไม่อาจยอมรับได้ ตัวอย่างเช่น อัตราการกัดกร่อนที่รายงานสำหรับไทเทเนียมเกรด 2 รวมกัน 5% HF + 15% HNO3 ที่ 50 องศา คือ 2-5 มม. ต่อปี ซึ่งเพียงพอที่จะซึมผ่านผนัง 2.0 มม. ได้ใน 5-10 เดือน HF ทำให้เกิดปฏิกิริยาซับซ้อนกับไอออนของไทเทเนียมและหยุดการผลิตชั้นออกไซด์ที่คงอยู่ โดยปกติแล้วสารออกซิไดซ์ กรดไนตริก จะทำให้ไททาเนียมผ่านไปได้ HNO3 ปรากฏเป็นร่องรอย HF (0.1%) ที่ทำให้เกิดการโจมตีอย่างรวดเร็ว ในสภาพแวดล้อมดังกล่าว ความหนาของผนังตามจริงไม่ต่ำกว่า 10 มม. จะทำให้มีอายุการใช้งานหลายปี หากคุณต้องการระบุการให้ความร้อนที่เชื่อถือได้สำหรับกระบวนการดองสแตนเลส สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าเหตุใดไทเทเนียมจึงเข้ากันไม่ได้กับส่วนผสม HF-HNO₃ โดยธรรมชาติ และสารเคลือบป้องกันชนิดใดที่สามารถเอาชนะข้อจำกัดนี้ได้

ผลต่อความสมบูรณ์ทางกล กลไกการกัดกร่อนของ HF และจลนศาสตร์เชิงเส้น
การกัดกร่อนของไทเทเนียมในส่วนผสม HF-HNO3 เป็นปฏิกิริยาการละลายทางเคมี ไม่ใช่กระบวนการเคมีไฟฟ้า ปฏิกิริยาสุทธิคือ: Ti + 6HF → TiF 6 2 − + 2H + + 2H 2 . กรดไนตริกไม่สามารถหยุดปฏิกิริยานี้ได้ มันเพียงแค่ออกซิไดซ์ไฮโดรเจนที่พัฒนาแล้วให้เป็นน้ำ คุณลักษณะที่กำหนดของกลไกการกัดกร่อนนี้คือจลนพลศาสตร์เชิงเส้น: ความลึกของการเจาะจะเป็นสัดส่วนกับเวลา แทนที่จะเป็นสัดส่วนกับรากที่สองของเวลา (การแพร่กระจาย-ทู่ที่ควบคุม) ในทางคณิตศาสตร์ d=k × t โดยที่ d คือความลึกของการเจาะ k คือค่าคงที่อัตราการกัดกร่อน (เป็น mm / ปี ) และ t คือเวลา จลนพลศาสตร์เชิงเส้นหมายความว่าการเพิ่มความหนาของผนังเป็นสองเท่าจะเพิ่มอายุการใช้งานเป็นสองเท่า - ไม่มีชั้นออกไซด์ป้องกันที่จะชะลอการกัดกร่อนตามเวลา การศึกษาการจุ่มตามมาตรฐาน ASTM G31 แสดงให้เห็นว่าค่าคงที่อัตราการกัดกร่อน k สำหรับไทเทเนียมเกรด 2 ในอ่างดองสเตนเลสสตีลมาตรฐาน (5% HF, 15% HNO3, 50 องศา ) อยู่ที่ 3.5 มม./ปี ดังนั้นผนังหนา 1.0 มม. จะเจาะได้ในเวลาประมาณ 3.5 เดือน ผนังหนา 2.0 มม. ใน 7 เดือน ผนังหนา 5.0 มม. ใน 17 เดือน อายุการใช้งาน 5- ปี (60 เดือน) จะต้องมีความหนาของผนัง 3.5 มม./ปี × 5 ปี=17.5 มม. ซึ่งเป็นความหนาที่เป็นไปไม่ได้สำหรับการผลิตท่อทำความร้อน ท่อดังกล่าวจะมีราคาสูงกว่าเครื่องทำความร้อนทั่วไปประมาณ 10 เท่า และไม่มีประสิทธิภาพทางความร้อนเนื่องจากมีความต้านทานการนำไฟฟ้าที่รุนแรง สำหรับความเข้มข้นของ HF ที่สูงขึ้น (โดยทั่วไปสำหรับการดองแบบเข้มข้น 8% HF) อัตราการกัดกร่อนจะสูงถึง 6-8 มม./ปี ซึ่งต้องใช้ความหนาของผนังมากกว่า 30 มม. สำหรับอายุการใช้งาน 5 ปี

ผลกระทบต่อสมรรถนะทางความร้อน: ผลการเร่งและความเข้มข้นของอุณหภูมิ
อัตราการกัดกร่อนของไทเทเนียมในสารผสม HF-HNO3 ได้มาจากสมการประเภทอาร์เรเนียส- ซึ่งมีพลังงานกระตุ้นประมาณ 45 กิโลจูล/โมล อัตราการกัดกร่อนจะเพิ่มขึ้น 2 เท่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจาก 50 เป็น 60 องศา ปลอกไทเทเนียมที่มีความต้านทานความร้อนสูงกว่าจะร้อนกว่าที่พื้นผิวด้านนอกโดยมีความหนาแน่นของพลังงานเท่ากันหากปลอกหนาขึ้น สำหรับเครื่องทำความร้อนขนาด 2.5 วัตต์/ซม.2 ในอ่างน้ำ 50 องศา อุณหภูมิผนังพื้นผิวด้านนอกจะอยู่ที่ประมาณ 54 องศา สำหรับผนัง 1.0 มม. และประมาณ 62 องศา สำหรับผนัง 3.0 มม. การเปลี่ยนแปลง 8 องศานี้จะเพิ่มอัตราการกัดกร่อนบนผนังที่หนาขึ้นเป็นสองเท่า ซึ่งชดเชยความได้เปรียบทางเรขาคณิตของวัสดุเพิ่มเติมบางส่วน อายุการใช้งานที่มีประสิทธิภาพของผนังหนา 3.0 มม. (การเร่งอุณหภูมิ) คือประมาณ 12 เดือน เทียบกับ 17 เดือนที่คาดไว้โดยอัตราการกัดกร่อนของอุณหภูมิคงที่ นอกจากนี้ความเข้มข้นของ HF จะเพิ่มขึ้นใกล้กับพื้นผิวเปลือกเนื่องจากการระเหยของน้ำที่ชั้นขอบเขตร้อน สำหรับผนัง 1.0 มม. ที่มีอุณหภูมิพื้นผิว 54 องศา ความเข้มข้นของ HF เฉพาะที่ที่พื้นผิวโลหะจะอยู่ที่ประมาณ 6% ความเข้มข้นของ HF เฉพาะที่เข้าใกล้ 8-9% สำหรับผนัง 3.0 มม. ที่ 62 องศา ทำให้การโจมตีรุนแรงขึ้น วงจรป้อนกลับนี้ส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องทำความร้อนไทเทเนียมผนังหนาค่อนข้างต่ำกว่าที่คาดการณ์โดยจลนศาสตร์เชิงเส้น

การสังเคราะห์ข้อดี{0}: เหตุใดความหนาของผนังจึงใช้ไม่ได้ผล
ข้อมูลการกัดกร่อนของไทเทเนียมเกรด 2 ในสารละลาย HF-HNO₃ (5% HF + 15% HNO₃) ที่ 50 องศา ซึ่งได้รับการแก้ไขสำหรับผลกระทบของอุณหภูมิเนื่องจากการทำความร้อนที่พื้นผิวที่ความหนาแน่นของพลังงาน 2.5 วัตต์/ซม.² จะถูกนำเสนอในเมทริกซ์ต่อไปนี้

ความหนาของผนังที่กำหนด (มม.) อุณหภูมิพื้นผิวด้านนอก ( องศาที่ 2.5 วัตต์/ซม. 2 ) อัตราการกัดกร่อนตามจริง (มม./ปี รวมถึงการเร่งความเร็วของอุณหภูมิ) ระยะเวลาถึงการเจาะ (เดือน) มีประโยชน์สำหรับการผลิตเครื่องทำความร้อนหรือไม่?
0.9 มม. 53 องศา 4.0 มม./ปี 2.7 เดือนครับ แต่พังเร็ว
1.2 มม. 54 องศา 4.2 มม./ปี 3.4 เดือน ใช่ อายุการใช้งานที่ยอมรับไม่ได้
1.6 มม. 56 องศา 4.8 มม./ปี 4.0 เดือน ใช่ เพิ่มขึ้นเล็กน้อย
2.0 มม. 58 องศา 5.5 มม./ปี 4.4 เดือน ยังครับ<6 months.
2.5 มม. 61 องศา 7.0 มม./ปี 4.3 เดือน เป็นไปได้แต่มีค่าใช้จ่ายสูง การเร่งอุณหภูมิจะชดเชยความหนาที่เพิ่มขึ้น
3.0 มม. 63 องศา 8.5 มม./ปี 4.2 เดือน สร้างยาก ปรับปรุงขั้นต่ำเกิน 2.0 มม.
5.0 มม. 72 องศา 16 มม./ปี 3.8 เดือน ไม่สามารถเชื่อมหรืองอได้ ชีวิตแย่กว่ากำแพงที่บางกว่า
ข้อมูลแสดงผลลัพธ์ที่สำคัญและสวนทาง-: เนื่องจากการเร่งความเร็วของอุณหภูมิ การเพิ่มความหนาของผนังที่เกิน 2.0 มม. ทำให้อายุการใช้งานไม่ดีขึ้น และที่มากกว่า 3.0 มม. อายุการใช้งานจะลดลงจริงเมื่อพื้นผิวที่ร้อนกว่าเร่งการกัดกร่อนเร็วกว่าวัสดุเพิ่มเติมที่เผื่อไว้ ไม่มีความหนาของผนังไทเทเนียมที่สมจริงจะคงอยู่ได้แม้ใช้งานนาน 6 เดือนใน 5% HF + 15% HNO3 ที่ 50oC

วิศวกรรมนอกกำแพง: การเคลือบป้องกันและทางเลือกอื่น
Because titanium is essentially incompatible with HF-HNO3 combinations regardless of wall thickness, the only realistic options are to shield the titanium surface or to replace the titanium altogether. There are three known methods. First, fluoropolymer coatings (PTFE, PFA or ETFE) of 100–200 µm thickness offer total chemical isolation from the acid combination. PTFE resists all concentrations of HF and HNO3 to 200C. A coated titanium heater with 1.2 mm wall results in >อายุการใช้งาน 5 ปี เพราะเป็นงานเคลือบไม่ใช่ไททาเนียมที่เจอกรด การเคลือบจะต้องไม่มีรูเข็ม ทาด้วยสเปรย์ไฟฟ้าสถิตหรือท่อหดด้วยความร้อน- และทดสอบด้วยเครื่องทดสอบประกายไฟ ค่าใช้จ่ายด้านความร้อนมีมาก (ค่าการนำไฟฟ้าของสารเคลือบ 0.25 W/m·K มีส่วนทำให้อุณหภูมิพื้นผิวประมาณ 5 องศาที่ 2.5 W/cm2) แต่ก็พอทนได้เมื่อพิจารณาถึงการยืดอายุขัยครั้งใหญ่ ประการที่สอง ความต้านทานต่อสารเคมีมาจากซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) หรือเปลือกควอทซ์รอบๆ เครื่องทำความร้อนไทเทเนียม วัสดุเหล่านี้เฉื่อยต่อ HF-HNO_{3} แต่เปราะบางและต้องใช้ความระมัดระวัง ประการที่สาม เครื่องทำความร้อนแบบหุ้มแทนทาลัมหรือแทนทาลัม-ให้ความต้านทานการกัดกร่อนใน HF-HNO 3 โดยมีอัตราการกัดกร่อนน้อยกว่า 0.05 มม./ปี แทนทาลัมสร้างชั้น Ta2O5 ที่ทนทาน ซึ่งสามารถต้านทาน HF ได้จนถึงความเข้มข้นปานกลาง อย่างไรก็ตาม แทนทาลัมมีราคาแพงกว่าไทเทเนียม 8-10 เท่าและหนักกว่า ไทเทเนียมเคลือบ PTFE เป็นโซลูชันที่มีประสิทธิภาพด้านต้นทุน-สูงสุดสำหรับการดำเนินการดองสเตนเลสส่วนใหญ่

สรุป: ความหนาของผนังไม่เกี่ยวข้อง จำเป็นต้องมีการเคลือบป้องกัน
สำหรับการทำความร้อนด้วยท่อความร้อนไฟฟ้าไทเทเนียมที่มีส่วนผสมของไฮโดรฟลูออริกและกรดไนตริกสำหรับการดองเหล็กกล้าไร้สนิม ความหนาของผนังจะไม่เพียงพอหากไม่มีการเคลือบป้องกัน เนื่องจากไทเทเนียมจะกัดกร่อนเป็นเส้นตรงในสารละลายที่มี HF- ในอัตรา 4-8 มม. ต่อปี และการเร่งอุณหภูมิจากผนังที่หนาขึ้นจะลบล้างประโยชน์ทางเรขาคณิตใดๆ แม้แต่ความหนาของผนังไทเทเนียม 5 มม. หรือน้อยกว่าก็ไม่เพียงพอสำหรับการอยู่รอด 6 เดือนใน 5% HF + 15% HNO3 ที่ 50 องศา คำตอบทางวิศวกรรมไม่จำเป็นต้องมีปลอกไทเทเนียมที่หนาขึ้น แต่ต้องเพิ่มการเคลือบฟลูออโรโพลีเมอร์หนา 100–200 µm (PTFE, PFA หรือ ETFE) เหนือผนังไทเทเนียม 1.2–1.5 มม. ทั่วไป การเคลือบป้องกันไททาเนียมจากกรดและมีอายุการใช้งานนานกว่า 5 ปี หรือเลือกปลอกแทนทาลัมหรือซิลิคอนคาร์ไบด์ ข้อกำหนดที่สำคัญสำหรับเครื่องทำความร้อนสำหรับสายการดองสแตนเลสไม่ใช่ความหนาของผนัง แต่เป็นการเคลือบฟลูออโรโพลีเมอร์แบบไม่มีรูเข็มที่ได้รับการรับรองพร้อมใบรับรองการทดสอบประกายไฟ การร้องขอผนังไทเทเนียมที่หนาขึ้นโดยไม่มีการเคลือบ บ่งบอกถึงความเข้าใจผิดเกี่ยวกับกลไกการกัดกร่อน และจะส่งผลให้เกิดความเสียหายก่อนเวลาอันควรโดยไม่คำนึงถึงความหนาของผนังที่กำหนด "มอบความเข้มข้นของ HF และอุณหภูมิในการทำงานให้กับผู้ผลิต "ต้องมีเอกสารเกี่ยวกับความสมบูรณ์ของการเคลือบผิวก่อนการติดตั้ง