2% फ्लोरीन के साथ 90 डिग्री पर फॉस्फोरिक एसिड उत्पादन (गीली प्रक्रिया) में, क्या टाइटेनियम ग्रेड 24 (Ti-6Al-4V-0.1Ru) ग्रेड 7 से बेहतर हमले का प्रतिरोध कर सकता है?

फॉस्फेट रॉक के सल्फ्यूरिक एसिड पाचन द्वारा प्राप्त गीले - प्रक्रिया फॉस्फोरिक एसिड (डब्ल्यूपीए) में काफी फ्लोरीन अशुद्धियाँ होती हैं (आमतौर पर एचएफ और एच 2 सीआईएफ 6 के रूप में 1 - 3%) जो फ्लोरापैटाइट खनिजों से आती हैं। 30-50% P2O5 (लगभग 40-60% H3PO4) की सामान्य WPA सांद्रता और 80-100 डिग्री पर, फ्लोरीन धातुओं के लिए बहुत आक्रामक वातावरण पैदा करता है। टाइटेनियम ग्रेड 7 (Ti-0.15Pd) WPA हीटिंग ट्यूब और बाष्पीकरणकर्ताओं के लिए मानक मिश्र धातु है। हालाँकि, फ्लोरीन युक्त एसिड में टाइटेनियम में पर्याप्त संक्षारण दर (0.1-0.3 मिमी/वर्ष) होती है। ग्रेड 24 (Ti-6Al-4V-0.1Ru) एक उच्च शक्ति वाला टाइटेनियम मिश्र धातु है जिसे शुरू में एयरोस्पेस उपयोग के लिए बनाया गया था, संक्षारण प्रतिरोध में सुधार के लिए 0.1% रूथेनियम के साथ संशोधित किया गया है। 90 डिग्री पर 2% फ्लोरीन के साथ सिम्युलेटेड डब्ल्यूपीए में ग्रेड 7 के सापेक्ष ग्रेड 24 के संक्षारण प्रदर्शन की तुलना की जाती है और क्या ग्रेड 24 हीटर सेवा के लिए कोई लाभ देता है, यह स्थापित किया गया है।

टाइटेनियम मिश्र धातुओं पर फ्लोरीन हमले का तंत्र
फॉस्फोरिक एसिड (H3PO4) में HF या फ्लुओसिलिक एसिड (H2SiF6) के साथ प्रमुख संक्षारण प्रक्रिया निष्क्रिय TiO2 फिल्म का रासायनिक विघटन है: TiO{5}}F- + 4H+ TiF62- + 2H2O। फ्लोरीन का हमला, क्लोराइड जमाव की सीमित प्रकृति के विपरीत, सार्वभौमिक और एक समान है। हेक्साफ्लोरोटिटेनेट कॉम्प्लेक्स घुलनशील है और इसलिए निष्क्रिय फिल्म लगातार घुलती रहती है और इसमें सुधार करना पड़ता है। स्थिर -अवस्था संक्षारण दर फिल्म विघटन और पुनर्निष्पादन के बीच परस्पर क्रिया पर निर्भर करती है। निष्क्रिय कोटिंग को स्थिर करने या इसके विघटन की दर को कम करने वाली मिश्रधातु सामग्री को शामिल करने से संक्षारण प्रतिरोध में वृद्धि होगी।

7वीं कक्षा में पैलेडियम एक कैथोडिक संशोधक है जो संक्षारण क्षमता को उत्कृष्ट बनाता है और निष्क्रिय परत के टूटने की गति को कम करता है। हालाँकि, फ्लोरीन युक्त एसिड में TiO2 की उच्च घुलनशीलता फिल्म के विघटन से बचने की एक महान क्षमता भी नहीं देती है, विद्युत रासायनिक स्थितियों की परवाह किए बिना फिल्म को रासायनिक रूप से हटा दिया जाता है। इस प्रकार उच्च फ्लोरीन स्थितियों में पैलेडियम का लाभ कम हो जाता है।

ग्रेड 24 में 6% एल्यूमीनियम, 4% वैनेडियम और 0.1% रूथेनियम होता है। रूथेनियम में पैलेडियम के समान कैथोडिक संशोधन भूमिका होती है, लेकिन फ्लोरीन युक्त एसिड में यह अधिक सफल हो सकता है। निष्क्रिय फिल्म के अंदर Al और V अपने स्वयं के ऑक्साइड (Al2O3, V2O5) बनाते हैं जो फिल्म की घुलनशीलता विशेषताओं को संशोधित कर सकते हैं।

तुलनात्मक संक्षारण परीक्षण
ग्रेड 7 (एनील्ड), ग्रेड 24 (समाधान उपचारित और वृद्ध) और ग्रेड 2 (बेसलाइन) का नियंत्रित विसर्जन परीक्षण सिम्युलेटेड WPA (45% H₃PO₄, 2% F⁻ के रूप में H₂SiF₆, 90 डिग्री) में 1,000 घंटे के लिए किया गया था। निष्कर्ष:

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 >लंबे समय तक एक्सपोज़र के लिए 3 मिमी.

ग्रेड 7 टाइटेनियम 0.12 से 0.18 मिमी/वर्ष पर समान रूप से जंग खा गया। 1,000 घंटों के बाद कमी 0.014 से 0.021 मिमी थी। पैलेडियम ग्रेड 2 से 3 {{14 }} 4 गुना बेहतर था। 5 साल के जीवन (43800 घंटे) के लिए संक्षारण भत्ता 0.6-0.9 मिमी आवश्यक है - 1.65-2.0 मिमी दीवार के साथ संभव है।

ग्रेड 24 टाइटेनियम 0.10-0.14 मिमी/वर्ष पर समान रूप से संक्षारित होता है। 1,000 घंटे के बाद कमी 0.011-0.016 मिमी थी। ग्रेड 7 की तुलना में सुधार मामूली है (संक्षारण दर में लगभग 15-20% की कमी)। मेटलोग्राफिक जांच में अल्फा और बीटा चरणों पर अधिमान्य हमले का कोई सबूत नहीं मिला। दो-चरण माइक्रोस्ट्रक्चर ने मिश्र धातु के समान क्षरण को नहीं रोका।

रूथेनियम सामग्री (0.1%) फ्लोरीन युक्त एसिड में पैलेडियम (0.15%) जितनी प्रभावी प्रतीत होती है। एल्युमीनियम और वैनेडियम मूल्य नहीं जोड़ते; उनके ऑक्साइड भी HF घुलनशील होते हैं और V_2O_5 को फॉस्फोरिक एसिड की उपस्थिति में कम किया जा सकता है, जो उत्पाद एसिड में वैनेडियम आयनों को पेश कर सकता है - कुछ डाउनस्ट्रीम उपयोगों के लिए वांछनीय नहीं है (उर्वरक उत्पादन इसके प्रति सहनशील है; खाद्य ग्रेड या बैटरी ग्रेड एसिड नहीं है)।

ताकत में अंतर और यांत्रिक विचार
ग्रेड 24 में ग्रेड 7 की तुलना में बहुत अधिक ताकत है: ग्रेड 24 के लिए 830-900 एमपीए की उपज ताकत बनाम ग्रेड 7 (एनील्ड) के लिए एमपीए। ग्रेड 24 आंतरिक दबाव या बाहरी दबाव (बाष्पीकरणकर्ता सेवा) के तहत हीटर ट्यूबों के लिए समान दबाव रेटिंग पर पतली दीवार वाले हीटर ट्यूबों की अनुमति देता है। उदाहरण के लिए, दबाव के लिए 1.65 मिमी दीवार की आवश्यकता वाली ग्रेड 7 ट्यूब को 1.0-1.2 मिमी दीवार वाली ग्रेड 24 ट्यूब से प्रतिस्थापित किया जा सकता है। दीवार को पतला करने से सामग्री की बचत हो सकती है और गर्मी हस्तांतरण बढ़ सकता है, लेकिन यह संक्षारण भत्ता को सीमित करता है। फ्लोरीन युक्त एसिड में सजातीय संक्षारण होता है इसलिए पतली दीवार का जीवन तदनुसार कम होगा। समान संक्षारण भत्ता (मान लीजिए 5 वर्ष के जीवन के लिए 0.8 मिमी) के लिए, ग्रेड 24 को 0.8 मिमी + 0.3 मिमी संरचना=1.1 मिमी की आवश्यकता होगी, ग्रेड 7 को 0.8 मिमी + 0.5 मिमी संरचनात्मक=1.3 मिमी की आवश्यकता होगी। दीवार की मोटाई में कुल वृद्धि कम है।

ग्रेड 24 मजबूत है जो एक फायदा है जहां यांत्रिक भार (दबाव, कंपन, थर्मल साइक्लिंग) संक्षारण से अधिक महत्वपूर्ण है। फ्लोरीन प्रधान संक्षारण में जीवन एकसमान संक्षारण की दर से निर्धारित होता है और ताकत गौण महत्व की होती है।

डब्ल्यूपीए हीटर सामग्री अनुप्रयोग मैट्रिक्स (2% एफ-, 90 डिग्री)
सामग्री के संक्षारण की दर (मिमी/वर्ष) कारक (सापेक्षिक लागत) संक्षारण भत्ता (5 वर्ष) 5 वर्ष के जीवन के लिए न्यूनतम दीवार, सर्वोत्तम अनुप्रयोग
ग्रेड 2 0.45-0.60 1.0x 2.25-3.00 मिमी 2.5-3.5 मिमी 5 साल के जीवन के लिए किफायती नहीं
ग्रेड 7 0.12-0.18 1.4x 0.60-0.90 मिमी 1.2-1.5 मिमी सिद्ध मानक विकल्प
24 0.10-0.14 2.0-2.5x 0.50-0.70 मिमी 1.0-1.2 मिमी उच्च लागत, नगण्य संक्षारण लाभ
हेस्टेलॉय सी-276 0.02-0.05 3.5-4.0x 0.10-0.25 मिमी 0.5-0.8 मिमी सर्वोत्तम संक्षारण प्रतिरोध, उच्चतम कीमत
ज़िरकोनियम 702 0.01-0.02 8-10x 0.05-0.10 मिमी 0.4-0.6 मिमी सबसे लंबे जीवन के लिए प्रीमियम
डब्ल्यूपीए हीटर विशिष्टता के लिए निष्कर्ष
इन स्थितियों के तहत, टाइटेनियम ग्रेड 24 (Ti-6Al-4V-0.1Ru) 2% फ्लोरीन के साथ 90 डिग्री पर गीली-प्रक्रिया फॉस्फोरिक एसिड में ग्रेड 7 (0.10-0.14 मिमी प्रति वर्ष की तुलना में 0.12-0.18 मिमी प्रति वर्ष) की तुलना में थोड़ा कम एक समान संक्षारण दर दिखाता है, जो 15-20% का सुधार है। अधिकांश WPA हीटर अनुप्रयोगों के लिए यह छोटा सा लाभ बहुत अधिक लागत (2-2.5 गुना ग्रेड 7) के लायक नहीं है। फ्लोरीन युक्त फॉस्फोरिक एसिड में उपयोग के लिए, मिश्र धातु 7 मानक, सबसे किफायती टाइटेनियम मिश्र धातु बनी हुई है। जहां उच्च यांत्रिक शक्ति की आवश्यकता होती है, वहां ग्रेड 24 के उपयोग पर विचार किया जा सकता है (उदाहरण के लिए बेहतर गर्मी हस्तांतरण, या उच्च दबाव बाष्पीकरण सेवा के लिए पतली दीवार वाली टयूबिंग) और संक्षारण लाभ गौण है, जहां थोड़ी कम संक्षारण दर प्रतिस्थापन के बीच अंतराल को 5 से 6 साल तक बढ़ा देती है, या जहां ग्रेड 7 उपलब्ध नहीं है और ग्रेड 24 को प्रतिस्थापित किया जा सकता है। 3% से अधिक फ्लोरीन सांद्रता या 95 डिग्री से अधिक तापमान के लिए न तो ग्रेड 7 और न ही ग्रेड 24 पर्याप्त दीर्घकालिक जीवन देगा और हास्टेलॉय सी-276 या ज़िरकोनियम निर्दिष्ट किया जाना चाहिए। WPA सेवा के लिए हीटर खरीदते समय, वास्तविक प्रक्रिया एसिड में संक्षारण परीक्षण कूपन ऑर्डर करें। यह इस तथ्य के कारण है कि फ्लोरीन सामग्री और फॉस्फेट रॉक अशुद्धियाँ स्रोत से स्रोत तक काफी भिन्न होती हैं। 90 डिग्री पर 2% फ्लोरीन के साथ औसत डब्ल्यूपीए के लिए, 1.65 मिमी की दीवार मोटाई के साथ ग्रेड 7 को 5 साल के संचालन के लिए निर्दिष्ट किया जाना चाहिए। ग्रेड 24 को केवल वहीं निर्दिष्ट किया जाना चाहिए जहां एक विशेष यांत्रिक या थर्मल लाभ बढ़ी हुई लागत को उचित ठहराता है।