Jak ovlivní gradient koncentrace boritanu v blízkosti povrchu trubice stabilitu pasivního filmu při cyklickém zahřívání u ohřívače s titanovým pláštěm instalovaného v nádrži s 8% boritanem sodným při 95 stupních?

Pufrovacím činidlem a inhibitorem koroze je boritan sodný (Na2B407) v 8% koncentraci a 95 stupních. Boritanové ionty (B4O72−) mohou vytvořit ochrannou vrstvu na titanu, ale stabilita tohoto filmu je závislá na koncentraci boritanu na kovovém povrchu. Cyklické zahřívání způsobuje migraci nebo srážení boritanových iontů, které je řízeno teplotním gradientem přes mezní vrstvu. Koncentrační gradient je tedy nastaven s koncentrací boritanu vyšší v chladnějším zásobním roztoku a nižší na zahřátém povrchu trubky. Tento gradient destabilizuje pasivní film a způsobuje regionální ztenčení. Pasivní film je stabilní, když je koncentrace boritanu na povrchu vyšší než 2 %.

Mechanismus vývoje gradientu koncentrace boritanu

Boritanové ionty difundují směrem k horkému povrchu titanu během zahřívání v ustáleném stavu-, ale tepelná difúze (Soretův efekt) je od horkého povrchu vytlačuje. Čistým výsledkem je vyčerpání mezní vrstvy tak, že koncentrace boritanu na povrchu zkumavky je o 10-30 % nižší než v zásobním roztoku. Koncentrační gradient osciluje během cyklického ohřevu (cykly on-off) . Jak ohřívač odchází z povrchu, ochlazuje se a boritanové ionty difundují zpět na povrch, což vede k dočasné pasivaci. Když se ohřívač znovu zapne, gradient se obnoví a povrch se vyčerpá. Toto opakované vyčerpání a zotavení klade tlak na pasivní film, což způsobuje jeho praskání a odlupování.

Kvantitativní pasivní stabilita filmu s ohledem na povrchovou koncentraci boritanu

Kontrolované testování v 8% boritanu sodném (hromadná koncentrace) při 95 stupních při cyklickém zahřívání (1 hodina zapnuto, 1 hodina vypnuto) potvrdilo pasivní stabilitu filmu titanu Grade 2 při různých povrchových koncentracích boritanu. Tloušťka pasivního filmu pro povrchovou koncentraci 4-5 % (obohacená) je 5-8 nm, film zůstává stabilní a přilnavý a po 1000 cyklech nedochází k tvorbě důlků. Při 3–4 % (téměř objem) je tloušťka 3–5 nm, povlak je přiměřeně stabilní a důlková tvorba se objevuje někdy po 500 cyklech. Při 2–3 % (střední ochuzení) je tloušťka 2–4 ​​nm, film praská a důlková vrstva je iniciována po 200-400 cyklech. 1-2 % (vyčerpaná) a fólie je nestabilní s důlkovou tvorbou během 50-200 cyklů, s tloušťkou 1-3 nm. Pod 1 % se pasivní film zcela rozpadne a dochází k rovnoměrné korozi při 0,1-0,3 mm za rok.

Vliv koncentrace boritanu a frekvence cyklu na vyčerpání povrchu

Rozsah povrchového vyčerpání závisí na hromadném obsahu boritanu a frekvenci cyklu. Při cyklickém zahřívání je povrchová koncentrace minimální, 2-3 % při 4 % objemovém boritanu. Při 6 % objemu je povrchová koncentrace 3–4 %, což je středně stabilní. Povrchová koncentrace je 4–5 % (stabilní) při 8 % objemu (nominální). Povrchová koncentrace je velmi stabilní při 5–6 % pro 10 % objem. Při 6 cyklech za hodinu (10 minut zapnuto, 10 minut vypnuto) je povrchová koncentrace o 10–20 % nižší než při 2 cyklech za den, protože mezní vrstva nemá čas se zotavit.

Titanové ohřívače - Průvodce koncentrací boritanu a řízením cyklu

Níže uvedená tabulka obsahuje doporučení pro objemovou koncentraci boritanu a parametry cyklu pro udržení pasivní stability filmu na titanu Grade 2 při 95 stupních.

Hromadná koncentrace boritanu (%) Frekvence cyklu zapnutí/vypnutí % Odhadovaný povrch boritanu Povrch Pasivní Stabilita filmu Doporučená akce
6 <2 cycles/day 3-4 Moderate Acceptable
6 > 6 cyklů/hod. 2–3 Mezní Zvýšení koncentrace
8 <2 cycles/day 4-5 Stable Optimal
8 >6 cyklů/hod. 3-4 Střední Frekvence cyklů nižší
10 Libovolné 5–6 Vysoce stabilní Upřednostňováno pro vysoké cyklování
12 Libovolná 6–7 Velmi stabilní specifikace Over-není potřeba
Technika bez kontroly koncentrace

Kvalita titanu ovlivňuje stabilitu pasivního filmu při koncentračních gradientech. Stupeň 7 (stabilizovaný palladiem) si zachová stabilní film při povrchových koncentracích boritanů tak nízkých, jako je 1,5 %, pro větší bezpečnostní rezervu. Střední zlepšení – stupeň 12. Pasivní fólie není ovlivněna tloušťkou stěny. Důležitá je rychlost ohřevu. Pomalý nárůst (1 stupeň/min) poskytuje menší koncentrační gradient než rychlý nárůst (10 stupňů/min). Míchání roztoku (směšovač nebo recirkulační čerpadlo) snižuje tloušťku mezní vrstvy a minimalizuje koncentrační gradient.

Spolehlivá specifikace

For a titanium sheath heater in 8 % sodium borate at 95 °C with cyclic heating, the bulk borate concentration should be 8–10 % to have a surface concentration >4 % během jízdy na kole. Pokud je frekvence cyklů vyšší než 6 cyklů za hodinu, zvyšte koncentraci na 10 %. U stávajících ohřívačů s pasivní nestabilitou filmu (např. nepravidelná spotřeba energie nebo pitting) zvyšte obsah boritanu na 10 % nebo snižte frekvenci cyklování. Sledujte pH a pokud pH během provozu klesne pod 9, přidejte hydroxid sodný. Technik může upravit gradient koncentrace boritanu s dostatečnou objemovou koncentrací a snížit frekvenci cyklování, aby zajistil stabilní pasivní film na titanových topných tělesech.

info-717-483