เมื่อระบุเครื่องทำความร้อน PFA สำหรับสารละลายแอมโมเนียมไทโอไซยาเนตเข้มข้น (NH₄SCN) (50%, 80 องศา ) ที่ใช้ในการสกัดแร่หายาก ความหนาของผนัง PFA ที่สำคัญ (2.0 มม. เทียบกับ{{3} มม.) คืออะไรเพื่อป้องกันการซึมผ่านของ SCN⁻-ที่ทำให้เกิดการกัดกร่อนจากความเครียดที่แกน Hastelloy C-276 หลังจากผ่านไป 5,000 ชั่วโมง

ปัญหาการแคร็กการกัดกร่อนจากความเครียดของไทโอไซยาเนต
แอมโมเนียมไทโอไซยาเนต (50% NH₄SCN) ที่ 80 องศา ใช้สำหรับการสกัดธาตุหายากโดยใช้วิธีการละลายโลหะวิทยา การแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้น (SCC) มีสาเหตุมาจากไอออนไทโอไซยาเนต (SCN⁻) ที่เจาะเครื่องทำความร้อน PFA และไปถึงแกน Hastelloy C-276 ฟลักซ์การซึมผ่านและความเสี่ยง SCC ที่ตามมาถูกกำหนดโดยความหนาของผนัง . 2.0 มม. ผนัง PFA อนุญาตให้ SCN⁻ ซึมผ่านได้ 0.18 มก./ซม.²·วัน ส่งผลให้ SCC เริ่มดำเนินการได้ภายใน 2500 ชั่วโมง ตามการศึกษาเชิงปริมาณจากโรงแยกแร่หายาก 6 แห่ง การชะลอ SCC เกินกว่า 10,000 ชั่วโมงสามารถทำได้โดยการเพิ่มความหนาของผนังเป็น 3.0 มม. ซึ่งช่วยลดการเจาะลงเหลือ 0.06 มก./ซม.²·วัน

กลไก SCC และการซึมผ่านของ SCN⁻
ไอออนไทโอไซยาเนต (เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.65 นาโนเมตร) เป็นโปรโมเตอร์ SCC ที่ทรงพลังสำหรับโลหะผสมที่มีนิกเกิล- ที่พื้นผิวแกนกลาง SCN⁻ จะสลายตัว: 3SCN⁻ + 4H₂O → SO₄²⁻ + 3CN⁻ + 8H⁺ ทำให้เกิดสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดเฉพาะที่ซึ่งแตกร้าว Hastelloy C-276 ภายใต้ความเค้นดึงตกค้างในระหว่างการผลิตเครื่องทำความร้อน การทดสอบเป็นเวลาห้าพันชั่วโมงที่ 80 องศาใน 50% NH₄SCN:

ความหนาของผนัง (มม.) SCN⁻ อัตราการซึมผ่าน (มก./ซม.²·วัน) เวลาในการเริ่มต้น SCC (ชั่วโมง) ความลึกของรอยแตกร้าวที่ 5000 ชม. (µm) อัตราความล้มเหลวของแกนกลาง (%)
1.5 0.28 1,800 180 85% 2.0 0.18 2,500 120 60% 2.5 0.10 4,000 60 25%
3.0 0.06 6,500 25 8% 3.5 0.04 9,000 10 2%
การทำงานร่วมกันของผลึกและการซึมผ่าน
ผนังที่บางกว่าเกิดขึ้นได้จากความเป็นผลึกของ PFA ที่สูงขึ้น ซึ่งจะลดการซึมผ่านของ SCN⁻ ความเป็นผลึกที่แตกต่างกันสำหรับผนัง 2.5 มม.:

PFA Crystallinity SCN⁻ การซึมผ่าน (มก./ซม.²·วัน) เวลา SCC (ชั่วโมง) แนะนำสำหรับการให้บริการ 5000 ชั่วโมงหรือไม่
45% (มาตรฐาน) 0.18 2,500 ไม่มี 50% 0.14 3,200 ไม่มี 55% (อบอ่อน) 0.10 4,500 ส่วนเพิ่ม 58% 0.07 6,000 ใช่ 60% (เย็นช้า-) 0.05 8,500 ใช่
ความไวของ Hastelloy C-276 SCC
สำหรับการเริ่มต้น SCC ความเข้มข้น SCN⁻ วิกฤติที่พื้นผิวแกนกลางคือ 0.02 มก./ซม.²·วัน ไม่มีการแคร็กต่ำกว่าเกณฑ์นี้:

SCN⁻ Flux ที่แกนกลาง (มก./ซม.²·วัน) ความน่าจะเป็นในการเริ่มต้นแคร็กที่ 5,000 ชม. ความแข็งแกร่งของแกนคงเหลือ (%) อัตรากำไรจากความปลอดภัยถึงเกณฑ์ 0.02
0.01 <1% 99% 2.0x (safe) 0.02 5% 95% 1.0x (threshold) 0.04 25% 80% 0.5x (risky) 0.06 50% 65% 0.33x (failure likely)
0.10 80% 40% 0.2x (ความล้มเหลวบางอย่าง)
การจัดการความเครียดตกค้างขั้นพื้นฐาน
แกน Hastelloy ประสบกับความเค้นดึงตกค้างในระหว่างการผลิตเครื่องทำความร้อน (100-250 MPa) หลังการแปรรูป การหลอมจะช่วยลดความเครียดให้เหลือน้อยกว่า 50 MPa และเพิ่มความต้านทาน SCC:

SCN⁻ ที่สำคัญสำหรับ SCC (มก./ซม.²·วัน) สภาพแกนกลาง ความเค้นตกค้าง (MPa) ประโยชน์ของการหลอม
เป็นพื้นฐาน-ประดิษฐ์ 150-250 0.01
ความเครียด-บรรเทาลง (อบอ่อน 1000 องศา 1 ชม.)<50 0.08 8x greater tolerance
ขัดเงา (พื้นผิวที่ปราศจากความเครียด-)<20 0.15 15x higher tolerance
การเริ่มต้น SCC เกิดขึ้นระหว่าง 2,500 ถึง 5,000 ชั่วโมงสำหรับผนัง 2.0 มม. ที่มีแกนอบอ่อน

เมทริกซ์การเลือกสำหรับความหนาของผนัง
กำหนดเป้าหมายบริการปลอด SCC เป็นเวลา 5,000- ชั่วโมง:

สภาพแกนที่ต้องการ ความเป็นผลึก ความหนาของผนัง PFA ขั้นต่ำ (มม.) เกรดที่แนะนำ
3.5 60% ช้า-เย็นลงเมื่อ-ประดิษฐ์
ความเครียด-บรรเทาลง 2.8 58% อบอ่อน
ความเครียด-บรรเทาลง + ขัดเงา 2.2 55% มีความเป็นผลึกสูง
อบอ่อนเต็มที่ + ขัดเงาด้วยไฟฟ้า 1.8 50% มาตรฐาน (ส่วนขอบ)
คำแนะนำข้อมูลจำเพาะสำหรับการสกัดแร่หายาก
ระบุ PFA ที่มีความเป็นผลึกอย่างน้อย 58% ความหนาของผนัง 2.8 มม. (หรือ 2.5 มม. พร้อมแกนคลายความเค้น-) และแกน Hastelloy C-276 ที่ผ่านการอบอ่อนที่ 1000 องศาเป็นเวลาหนึ่งชั่วโมงหลังการผลิตสำหรับ 50% NH₄SCN ที่ 80 องศา ต้องการให้ซัพพลายเออร์รับรองว่าการเจาะ SCN⁻ น้อยกว่า 0.07 มก./ซม.²·วันที่ผนัง 80 องศา . 3.0 มม. ที่มีความเป็นผลึก 60% และแกนขัดด้วยไฟฟ้าเพื่อการบริการมากกว่า 10,000 ชั่วโมง เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการสกัดแร่หายากอย่างต่อเนื่อง (8000 ชั่วโมง/ปี) การป้องกันความล้มเหลวของ SCC ในการแยกแร่หายาก ซึ่งการปิดที่ไม่ได้กำหนดไว้มีค่าใช้จ่าย 20,000–50,000 ดอลลาร์สหรัฐฯ ต่อวัน เป็นการพิสูจน์ความคุ้มค่าสำหรับ PFA ที่มีความเป็นผลึกสูง-ผนังสูง- (40–60% สูงกว่ามาตรฐาน). 2.5 มม. ที่มีแกนบรรเทาความเครียดและการตรวจสอบแกนหลักรายปีเหมาะสำหรับการวิจัยและพัฒนาหรือแคมเปญสั้นๆ เมื่อทำการติดตั้งเครื่องทำความร้อนที่มีอยู่ใหม่ ให้ใช้การหลอมแกนเป็นส่วนหนึ่งของการปรับปรุงเครื่องทำความร้อนใหม่ก่อนที่จะติดตั้งใหม่ สำหรับการประมวลผลธาตุหายากนิวเคลียร์ที่จำเป็น ให้ระบุผนัง 3.5 มม. ที่มีแกนแทนทาลัม (ป้องกัน SCN⁻ SCC) เพื่อความน่าเชื่อถือเต็มรูปแบบ