Proč je katodická proudová hustota na povrchu trubice klíčovým konstrukčním omezením pro ohřívač s titanovým pláštěm v kovové dokončovací nádrži s vysokým obsahem chloridů/zinkových směsí?

ZINKOVÉ ELEKTRICKÉ, GALVANIZAČNÍ NEBO DEPOZIČNÍ NÁDRŽE SE POUŽÍVAJÍ PRO ÚPRAVU KOVŮ A OBSAHUJÍ KOMPLEXNÍ SMĚSI ELEKTROLYTŮ Typické formulace jsou složeny z 50-100 g/l chloridu zinečnatého (ZnCl2), amonného chloridu draselného (NH4Cl) jako několika organických vodivých solí (NH4Cl). Koupel je 30–50 stupňů s pH 4,5–6,0. Odolnost proti korozi je často specifikována pomocí titanových ohřívačů pláště. Tyto lázně však vytvářejí neúmyslnou elektrochemickou situaci, kdy titanová trubice působí jako katoda pro nanášení zinku. Zinkové ionty v roztoku jsou na povrchu titanu nanášeny působením elektrického systému samotného ohřívače nebo bludnými proudy z pokovovacího usměrňovače. Zůstane-li nános zinku tenký a stejnoměrný, trubice je chráněna, ale pokud se roztáhne na hrubé, nodulární struktury, trubice se přehřeje a předčasně selže. Určujícím faktorem je rychlost přenosu elektronů, která řídí redukci zinku, tj. hustota katodového proudu na povrchu trubice.

Mechanismus katodické depozice zinku na titanových topných tělesech

The usual cathodic reaction happens on the work to be plated in a zinc plating bath. Any conductive surface that contacts the electrolyte, including the titanium heater sheath, can also operate as a cathode if an electrical channel exists. The wire of internal resistance of the heater is electrically insulated from the sheath. However, stray currents from the plating rectifier may pass through the bath, especially if the tank grounding is inadequate or if the heater mounting is in cathodic contact with the tank. When the titanium surface becomes cathodic, zinc ions are reduced to metallic zinc. Zn2+ + 2e- = Zn0. The rate of zinc deposition is proportional to cathodic current density (i_cathode). At low current densities (below 2 mA/cm²) zinc is deposited as a smooth adherent layer which actually shields the titanium. At moderate current densities (2–10 mA/cm2) the deposit becomes rough and porous, trapping electrolyte and leading to small hot spots. At high current densities (>10 mA/cm2), rychlý vývoj zinku vytváří dendritické struktury, které se dotýkají jiných částí nádrže, což vede ke zkratům a místnímu přehřátí.

Režim selhání ohřívače vs. hustota proudu: Kvantitativní korelace

Na základě kontrolovaného testování v simulované lázni chloridu zinečnatého (80 g/l ZnCl2, 100 g/l KCl, 50 stupňů) byly u titanových ohřívačů stupně 2 identifikovány následující poruchy:

Katodická proudová hustota nižší než 1 mA/cm²: Rychlost nanášení zinku 0,1-0,3 mm/měsíc. Přilnavý k usazeninám, hladký a jemně zrnitý. Teplota ohřívače je konstantní. Odstraňování kyselin lze použít k odstranění nánosu bez poškození základního kovu.

Hustota katodového proudu 1–3 mA/cm2 Rychlost depozice zinku 0,5–1,0 mm/měsíc. Nános je nodulární s porozitou 20 až 30 %. Lokalizované přehřátí na špičkách usazenin zvyšuje povrchovou teplotu titanu o 10–15 stupňů nad nastavenou hodnotu. Ohřívač běží příliš často.

Hustota katodového proudu 3-8 mA/cm2 Rychlost depozice zinku 1,5-3,0 mm za měsíc Během 2-4 týdnů je dendritický vývoj dlouhý 5-10 mm. Dendrity překrývají stěny nádrže nebo jiné ohřívače, zkrat. Selhání ohřívače je důsledkem lokalizovaného roztavení v kontaktních místech.

Hustota katodového proudu > 10 mA/cm2: Rychlost depozice zinku > 5 mm/měsíc. Nekontrolovaný rychlý dendritický růst. Ohřívač obvykle fouká za 1-2 týdny. Když se zinek odlupuje, může být základní titanový kov vystaven aktivní korozi.

2.0 Strategie pro řízení proudové hustoty v nádržích na konečnou úpravu kovů

Následující tabulka uvádí rozhodovací strom pro řízení hustoty katodového proudu na ohřívačích s titanovým pláštěm na základě konfigurace nádrže a elektrického prostředí.

Nastavení nádrže a elektrický stav Úprava návrhu a strategie řízení pro maximální přípustnou hustotu katodového proudu
Nádrž řádně uzemněná, Ohřívač elektricky izolován od nádrže, Žádné bludné proudy 2 mA/cm2 Přijatelné pro běžný provoz. Měsíční sledování tloušťky nánosu. Čistěte ohřívač každých 3-6 měsíců.
Příruba ohřívače v elektrickém kontaktu s nádrží (katodická, existuje elektrická cesta) 0,5 mA/cm² Vložte izolační těsnění (PTFE, 3 mm) mezi přírubu ohřívače a nádrž. "Snižte proudovou hustotu na 25 %."
Stray currents from rectifier (measured >0,5 V mezi ohřívačem a referenční elektrodou) 0,2 mA/cm2Nainstalujte zemnicí tyč ohřívačem. Ohřívač štítu s perforovanými PTFE trubicemi pro zlepšení vedení elektrického odporu
High zinc content (>120 g/L Zn2+), high temperature (>50 stupňů) 1 mA/cm2 Nižší obsah zinku nebo nižší teplota lázně. Vyšší Zn 2+ zvyšuje rychlost depozice při podobné proudové hustotě.
Ohřívač provozovaný v nádrži s pomocnými katodami (zlodějské katody) pro distribuci proudu 3 mA/cm^2 Zlodějské katody odvádějí proud pryč od ohřívače. Dobře, aby se zloději uklízeli každý týden.
Inženýrství nad rámec kontroly katodové proudové hustoty

Povrchová úprava titanové trubky má silný vliv na přilnavost zinku. Hladký elektrolyticky leštěný povrch (Ra<0.3 µm) permits the zinc deposit to be removed more readily than on an as-drawn surface (Ra 1.0 µm) where zinc keys into surface troughs. The wall thickness does not matter for the cathodic deposition. But the wall thickness matters for the time the heater can survive a localized overheating after the dendrites are formed. Thick wall (1.5 mm) may tolerate numerous short-circuit events before perforation, thin wall (0.8 mm) fails instantly. Deposition efficiency is also a function of pH. Hydrogen evolution competes with zinc deposition below pH 4, reducing the cathodic current density available for zinc, but with the potential for hydrogen embrittlement.

Psaní informované specifikace

Pokud například požadujete titanový ohřívač pláště pro kovovou dokončovací nádrž s vysokými kombinacemi chloridů a zinku, určete, že ohřívač musí být elektricky izolován od nádrže pomocí PTFE těsnění a průchodek. Nastavte maximální povolenou hustotu katodového proudu 1 mA/cm2 na základě plochy povrchu ohřívače a rozptylových proudů zaznamenaných v nádrži. Požádejte dodavatele o poskytnutí ohřívače s elektrolyticky leštěným povrchem pro snadné odstranění usazenin zinku. U stávajících instalací změřte během pokovování napětí mezi pláštěm ohřívače a měděnou-síranoměďnou referenční elektrodou. Pokud je hodnota větší než 0,3 V, znamená to příliš velkou katodickou polarizaci a vyžaduje korekci. K dispozici je časovač-řízený systém zpětného proudu, který poskytuje krátký anodický impuls (1 až 2 sekundy při proudové hustotě 2 až 3 mA/cm 2 ) každou hodinu, aby rozpustil počínající usazeniny zinku dříve, než se z nich vyvinou uzlíky. Technik omezuje hustotu katodového proudu jako zásadní konstrukční omezení, aby se zabránilo kaskádovému selhání vývoje dendritického zinku, přehřívání a zkratu-v titanových ohřívačích používaných v aplikacích galvanického pokovování.