Dalam Produksi Asam Fosfat (Proses Basah) pada suhu 90 derajat dengan Fluor 2%, Dapatkah Titanium Kelas 24 (Ti-6Al-4V-0,1Ru) Menahan Serangan Lebih Baik Dibandingkan Kelas 7?

Asam fosfat proses basah (WPA) yang diperoleh dari pencernaan asam sulfat batuan fosfat mengandung banyak pengotor fluor (biasanya 1-3% sebagai HF dan H 2 SiF 6 ) yang berasal dari mineral fluorapatit. Pada konsentrasi WPA biasa 30-50% P2O5 (sekitar 40-60% H3PO4) dan pada 80-100 derajat, fluor menghasilkan lingkungan yang sangat agresif terhadap logam. Titanium Grade 7 (Ti-0,15Pd) adalah paduan standar untuk tabung pemanas dan evaporator WPA. Namun, titanium dalam asam yang mengandung fluor memiliki laju korosi yang besar (0,1-0,3 mm/tahun). Grade 24 (Ti-6Al-4V-0.1Ru) adalah paduan titanium berkekuatan lebih tinggi yang awalnya dibuat untuk penggunaan dirgantara, diubah dengan rutenium 0,1% untuk meningkatkan ketahanan terhadap korosi. Kinerja korosi Kelas 24 relatif terhadap Kelas 7 dalam simulasi WPA dengan 2% fluor pada 90 derajat dibandingkan dan apakah Kelas 24 memberikan keuntungan untuk layanan pemanas ditentukan.

Mekanisme Serangan Fluor pada Paduan Titanium
Dalam asam fosfat (H3PO4) dengan HF atau asam fluosilicic (H2SiF6) proses korosi utama adalah pelarutan kimia film TiO2 pasif: TiO2 + 6F- + 4H+ TiF62- + 2H2O. Serangan fluor, berbeda dengan sifat terbatas dari lubang klorida, bersifat universal dan seragam. Kompleks heksafluorotitanat dapat larut dan oleh karena itu lapisan pasifnya terus menerus larut dan harus dibentuk kembali. Laju korosi dalam kondisi tunak bergantung pada interaksi antara pelarutan film dan repassivasi. Penambahan bahan paduan yang menstabilkan lapisan pasif atau menurunkan laju disintegrasi akan meningkatkan ketahanan terhadap korosi.

Pada kelas 7 paladium merupakan pengubah katodik yang menggeser potensi korosi mulia dan mengurangi laju kerusakan lapisan pasif. Namun, dalam asam yang mengandung fluor, kelarutan TiO 2 yang tinggi bahkan tidak memungkinkan potensi mulia untuk menghindari pembubaran film, film tersebut dihilangkan secara kimia terlepas dari kondisi elektrokimia. Oleh karena itu, manfaat paladium berkurang dalam-kondisi fluor tinggi.

Kelas 24 mengandung 6% aluminium, 4% vanadium, dan 0,1% rutenium. Rutenium mempunyai peran modifikasi katodik serupa seperti paladium, namun mungkin lebih berhasil pada asam yang mengandung fluor. Di dalam film pasif Al dan V menghasilkan oksidanya sendiri (Al2O3, V2O5) yang dapat mengubah karakteristik kelarutan film.

Uji korosi komparatif
Pengujian perendaman terkontrol Kelas 7 (anil), Kelas 24 (diolah dengan larutan dan berumur) dan Kelas 2 (dasar) dilakukan selama 1.000 jam dalam simulasi WPA (45% H₃PO₄, 2% F⁻ sebagai H₂SiF₆, 90 derajat). Temuan:

Grade 2 titanium deteriorated at a consistent rate of 0.45 to 0.60 mm/yr. After 1,000 hours (1.4 months), the wall thickness was reduced by 0.05-0.07 mm, a significant reduction but not perforating a conventional tube. 5 year life requires wall thickness >3 mm untuk eksposur lebih lama.

Titanium kelas 7 berkarat secara seragam pada 0,12 hingga 0,18 mm/tahun. Setelah 1.000 jam pengurangannya adalah 0,014 hingga 0,021 mm. Paladium 3-4 kali lebih baik dibandingkan Kelas 2. Untuk masa pakai 5 tahun (43800 jam) diperlukan toleransi korosi sebesar 0,6-0,9 mm-mungkin dengan dinding 1,65-2,0 mm.

Titanium kelas 24 terkorosi secara seragam pada 0,10–0,14 mm/tahun. Setelah 1.000 jam, pengurangannya adalah 0,011-0,016 mm. Peningkatan dibandingkan Kelas 7 hanya sedikit (pengurangan laju korosi sekitar 15-20%). Investigasi metalografi tidak menemukan bukti serangan preferensial pada fase alfa dan beta. Struktur mikro dua fase tidak mencegah korosi seragam pada paduan.

Kandungan rutenium (0,1%) tampaknya sama efektifnya dengan paladium (0,15%) dalam fluor-yang mengandung asam. Aluminium dan vanadium tidak menambah nilai; oksidanya juga larut dalam HF dan V_2O_5 dapat direduksi dengan adanya asam fosfat, yang dapat memasukkan ion vanadium ke dalam asam produk - yang tidak diinginkan untuk beberapa penggunaan hilir (produksi pupuk toleran terhadap hal ini; asam tingkat makanan-atau tingkat baterai-tidak demikian).

Perbedaan Kekuatan dan Pertimbangan Mekanik
Kelas 24 memiliki kekuatan yang jauh lebih tinggi daripada Kelas 7 : kekuatan luluh 830-900 MPa untuk Kelas 24 vs. 275-345 MPa untuk Kelas 7 (anil) . Kelas 24 memungkinkan tabung pemanas berdinding lebih tipis dengan peringkat tekanan yang sama untuk tabung pemanas di bawah tekanan internal atau tekanan eksternal (layanan evaporator). Misalnya, tabung Kelas 7 yang memerlukan tekanan dinding 1,65 mm dapat diganti dengan tabung Kelas 24 dengan dinding 1,0-1,2 mm. Menipiskan dinding dapat menghemat material dan meningkatkan perpindahan panas, namun membatasi kemungkinan korosi. Asam yang mengandung fluor memiliki korosi yang homogen sehingga dinding yang lebih tipis akan memiliki umur yang lebih rendah. Untuk ketahanan korosi serupa (katakanlah 0,8 mm untuk masa pakai 5 tahun), Kelas 24 memerlukan struktur 0,8 mm + 0.3 mm=1.1 mm Kelas 7 memerlukan struktur 0,8 mm + 0.5 mm=1.3 mm. Peningkatan ketebalan dinding secara keseluruhan kecil.

Grade 24 lebih kuat yang merupakan keunggulan dimana beban mekanis (tekanan, getaran, siklus termal) lebih penting daripada korosi. Dalam korosi yang didominasi fluor, umurnya ditentukan oleh laju korosi yang seragam dan kekuatan adalah hal yang paling penting.

Matriks Aplikasi Bahan Pemanas WPA (2% F-, 90 derajat )
Laju Korosi Material (mm/tahun)Faktor (Biaya Relatif) Tunjangan Korosi (5 Tahun) Dinding Minimum untuk Umur 5 Tahun Aplikasi Terbaik
Kelas 2 0.45-0.60 1.0x 2,25-3,00 mm 2,5-3,5 mm Tidak ekonomis untuk umur 5 tahun
Kelas 7 0.12-0.18 1.4x 0,60-0,90 mm 1,2-1,5 mm Pilihan standar yang terbukti
24 0.10-0.14 2.0-2.5x 0,50-0,70 mm 1,0-1,2 mm Biaya lebih tinggi, keunggulan korosi dapat diabaikan
Hastelloy C-276 0.02-0.05 3.5-4.0x 0,10-0,25 mm 0,5-0,8 mm Ketahanan korosi terbaik, harga tertinggi
Zirkonium 702 0.01-0.02 8-10x 0,05-0,10 mm 0,4-0,6 mm Premium untuk masa pakai paling lama
Kesimpulan untuk Spesiasi Pemanas WPA
Dalam kondisi ini, titanium Kelas 24 (Ti-6Al-4V-0,1Ru) menunjukkan laju korosi yang seragam sedikit lebih rendah dibandingkan dengan Kelas 7 (0,10-0,14 mm per tahun dibandingkan dengan 0,12-0,18 mm per tahun) dalam asam fosfat proses basah pada suhu 90 derajat dengan 2% fluor, peningkatan sebesar 15-20%. Keuntungan kecil ini tidak sebanding dengan biaya yang jauh lebih besar (2-2,5 kali Kelas 7) untuk sebagian besar aplikasi pemanas WPA. Untuk digunakan dalam asam fosfat yang mengandung fluor, paduan 7 tetap menjadi paduan titanium standar dan paling ekonomis. Grade 24 dapat dipertimbangkan untuk digunakan dimana diperlukan kekuatan mekanik yang lebih tinggi (misalnya pipa berdinding tipis untuk meningkatkan perpindahan panas, atau layanan evaporator bertekanan tinggi) dan manfaat korosi bersifat sekunder, dimana laju korosi yang sedikit lebih rendah meningkatkan interval antara penggantian dari 5 hingga 6 tahun, atau jika Grade 7 tidak tersedia dan Grade 24 dapat diganti. Untuk konsentrasi fluor yang lebih besar dari 3% atau suhu lebih besar dari 95 derajat, baik Grade 7 maupun Grade 24 tidak akan memberikan masa pakai jangka panjang yang memadai dan Hastelloy C-276 atau zirkonium harus ditentukan. Saat membeli pemanas untuk layanan WPA, pesanlah kupon uji korosi dalam asam proses sebenarnya. Hal ini disebabkan kandungan fluor dan pengotor batuan fosfat sangat bervariasi dari satu sumber ke sumber lainnya. Untuk WPA rata-rata dengan 2% fluor pada 90 derajat, Kelas 7 dengan ketebalan dinding 1,65 mm harus ditentukan untuk pengoperasian 5 tahun. Kelas 24 harus ditentukan hanya jika keuntungan mekanis atau termal tertentu membenarkan peningkatan biaya.