Waarom versnelt opgeloste ijzerverontreiniging de titaniumcorrosie tot boven aanvaardbare snelheden wanneer fosforzuur (30-50%) wordt verwarmd tot 100 graden?

Titanium verwarmingsapparatuur in fosforzuurgebruik vertoont tegenstrijdig gedrag. Titanium klasse 2 in chemisch zuiver 30-50% fosforzuur bij 100 graden heeft een lage corrosiesnelheid van 0,05-0,10 mm per jaar, wat ruim binnen de aanvaardbare limieten voor verwarmingsbuizen ligt. Industrieel fosforzuur uit het natte proces (WPA), verkregen uit de vertering van fosfaatgesteente, bevat echter veel onzuiverheden, en opgelost ijzer (Fe2+ en Fe3+) ​​heeft het meest verwoestende effect op de weerstand tegen titaniumcorrosie. Zelfs 0,5% ijzervervuiling kan de corrosiesnelheid van titanium met een factor 10 tot 50 verhogen, wat binnen maanden in plaats van jaren tot buisperforatie leidt. Dit artikel beschrijft het elektrochemische mechanisme van door ijzer veroorzaakte versnellende corrosie en bepaalt veilige grenzen van het ijzergehalte voor de werking van titaniumverwarmers.

Corrosieversnellingsmechanisme via ijzer
De passieve film op titanium in fosforzuur bestaat voornamelijk uit TiO 2 met geïntegreerde fosfaatsoorten. De film is stabiel tussen een reeks elektrochemische potentiëlen. De opgeloste ijzerionen, voornamelijk Fe³⁺, zijn redox-shuttles die tussen Fe³⁺ en Fe²⁺ aan het titaniumoppervlak fietsen. Elk Fe³⁺-ion dat in contact komt met het oppervlak neemt een elektron uit titanium (reducerend tot Fe²⁺), diffundeert vervolgens weg en wordt opnieuw geoxideerd tot Fe³⁺ door opgeloste zuurstof. Deze constante redoxcyclus brengt met succes elektronen over van het titaniummetaal naar de bulkoplossing, waardoor de beschermende passieve coating wordt omzeild.

Elektrochemische metingen tonen de omvang van dit effect aan. Het corrosiepotentieel van titanium klasse 2 in zuivere 40% H₃PO₄ bij 100 graden stabiliseert tussen +150 en +250 mV versus SCE met een passieve stroomdichtheid van 5 µA/cm². De toevoeging van 0,5% Fe3+ (in de vorm van ijzerfosfaat) verhoogt het corrosiepotentieel tot +400 tot +550 mV versus SCE en verhoogt de passieve stroomdichtheid tot 50-100 µA/cm2. Bij 1,0% ijzer bedraagt ​​de stroomdichtheid 200-300 µA/cm 2 en komt overeen met een corrosiesnelheid van 0,5-0,8 mm per jaar. Bij 2,0% ijzer zijn de percentages groter dan 1,5 mm/jaar.

**Kritische ijzerlimiet voor verwarming**
De langdurige blootstellingstest- van titanium klasse 2 in fosforzuur bij 100 graden vindt een praktische limiet voor ijzer. Bij opgelost ijzer onder de 0,2% is de corrosiesnelheid lager dan 0,10 mm/jaar, voldoende voor een levensduur van 10 jaar bij een wanddikte van 1,5 mm. De tarieven zijn 0,15-0,30 mm/jaar bij 0,2 tot 0,5% ijzer, wat de verwachte levensduur zou verkorten tot 3-5 jaar bij een typische wanddikte. Corrosiepercentages boven 0,5% ijzer zijn te hoog (meer dan 0,5 mm per jaar) en brengen plaatselijke putvorming met zich mee, wat bijdraagt ​​aan extra metaalverlies.

Natte-procesfosforzuur bevat gewoonlijk 0,8-1,5% opgelost ijzer uit fosfaatertsverontreinigingen. WPA-verdampers en concentrators maken gebruik van titaniumverwarmers, die snel corroderen als er geen voorbehandeling voor ijzerverwijdering is of als er wordt geüpgraded naar een resistentere titaniumlegering. Graad 7 titanium (Ti-0,15Pd) verbetert de ijzertolerantie, met percentages van minder dan 0,15 mm per jaar bij 0,8% ijzer, maar zelfs klasse 7 faalt boven 1,2% ijzer.

Toepassingsmatrix en mitigatiestrategieën
Bron van fosforzuur Typisch ijzergehalte Aanbevolen verwarmingsmateriaal Verwachte corrosiesnelheid Levensduur (1,65 mm wand)
Gezuiverd (thermisch proces) Titanium klasse 2<0.05% 0.05-0.08 mm/year 15-20 years WPA, solvent-extracted Grade 2 titanium (1.65-2.0 mm) 0.2-0.4% 0.10-0.15 mm/year 8-12 years WPA, untreated (low iron rock) Grade 7 titanium (2.0 mm) 0.5-0.8% 0.12-0.20 mm/year 6-10 years WPA, untreated (high iron rock) Grade 7 + iron removal system 0.8-1.5% 0.20-0.40 mm/year 3-5 years
Superphosphoric acid (>70% P₂O₅) Variabel zirkonium of tantaal N.v.t. Titanium niet aanbevolen
Samenvatting van specificaties fosforzuurverwarmer
Opgeloste ijzerverontreiniging van meer dan 0,2% in fosforzuur bij 100 graden bevordert de corrosie van titanium door een redoxcyclusmechanisme dat de bescherming omzeilt die door de passieve film wordt geboden. Voor nat proceszuur met een typisch ijzergehalte van 0,8 tot 1,5% zullen titaniumverwarmers van klasse 2 binnen 2 tot 3 jaar defect raken. Ingenieurs worden geconfronteerd met de keuze om titanium van klasse 7 te specificeren (wat de ijzertolerantie naar ongeveer 0,8% duwt) of om ijzerverwijderingsstappen toe te voegen (oplosmiddelextractie, ionenuitwisseling) stroomopwaarts van de verwarmer. Wanneer u titaniumverwarmers koopt voor fosforzuurgebruik, vraag dan altijd om een ​​corrosietestbon die is onderworpen aan het daadwerkelijke proceszuur, en eis een minimale wanddikte van 2,0 mm voor klasse 2 of 1,65 mm voor klasse 7 bij ijzer-houdend zuur.