製鉄所や金属加工工場の金属酸洗槽用の電気浸漬ヒーターを設計するプロセス エンジニアにとって、高温での硫酸の組み合わせは、316 ステンレス鋼シースにとって最も攻撃的な環境の 1 つを作り出します。酸洗槽は通常、硫酸濃度 10 ～ 25% で 60 ～ 90 度で動作し、多くの場合、腐食挙動をさらに複雑にする溶解鉄塩が含まれています。腐食許容量と、浴の乱流やワークピースの接触に対する機械的堅牢性を提供するために、2.0 mm の壁厚が指定されることがよくあります。ただし、標準的なワット密度 8 ～ 12 W/cm² で動作させると、シースの表面温度がバルク浴温度より 20 ～ 40 度上昇し、腐食速度が年間 5 mm を超える活発な腐食領域にシースが押し込まれる可能性があります。この記事では、2.0 mm 316 シースを受動的腐食状態に保つために 5 W/cm² 未満に軽減する必要がある特定の濃度-温度の組み合わせを特定します。
316 ステンレス鋼の硫酸における受動的-能動的遷移
第 30 条で規定されているように、316 ステンレス鋼は硫酸中で温度と濃度の両方に強く依存する受動-能動転移を示します。パッシブ方式では、腐食速度は年間 0.2 mm 未満です。アクティブな体制では、金利は年間 5 ～ 20 ミリに跳ね上がります。酸洗い浴の条件では、遷移境界は明確な曲線に従います。 10% 硫酸では、転移温度は約 55 度です。 15% では、遷移は 45 度まで下がります。 20%になると38度まで下がります。 25% では 32 度に達します。 15% 硫酸を含む 70 度のバルク浴内で動作するヒーターの場合、バルク状態だけですでに 45 度の転移温度を超えています-熱流束がなくても、浴は 316 まで積極的に腐食します。このような場合、壁の厚さやワット密度に関係なく、316 は不適切です。しかし、多くの酸洗い浴は、バルク状態が受動的であるものの、熱流束によるシース表面温度の上昇によりシースが活性領域に押し込まれる遷移ゾーンで動作します。 10 W/cm2 での 2.0 mm シースの場合、バルクからシース表面までの温度上昇は約 25 ～ 30 度です。 15% の酸 (不動態) を含む 40 度のバルク浴では、シース表面温度が 65 ～ 70 度になります。これは 45 度の転移温度を超えています。-バルク浴が不動態であっても、シース表面で活性腐食が発生します。
2.0 ミリメートルのシースの臨界ディレーティングしきい値
酸洗い浴に関連する温度と濃度での 316 個のサンプルの腐食試験に基づいて、次のディレーティング要件が 2.0 mm 壁シースに適用されます。値は、所定のバルク濃度でシース表面温度をパッシブ-アクティブ転移温度より少なくとも 5 度低く保つ最大ワット密度を示します。
| バルク硫酸濃度 | バルクバス温度 | この濃度におけるパッシブ-アクティブ転移温度 | 最大シース表面温度 (遷移マイナス 5 度の安全マージン) | 2.0 mm シースの最大許容ワット密度 | 推奨されるアクション |
|---|---|---|---|---|---|
| 10% | 30度 | 55度 | 50度 | 12W/cm2 | 標準のワット密度で安全 |
| 10% | 40度 | 55度 | 50度 | 6W/cm2 | ディレーティングが必要 |
| 10% | 45度 | 55度 | 50度 | 3W/cm2 | 限界;合金のアップグレードを検討する |
| 10% | 48度以上 | 55度 | 50度 | 実現不可能 | アロイ20またはチタンを使用 |
| 15% | 25度 | 45度 | 40度 | 10W/cm2 | 中程度のワット密度でも安全 |
| 15% | 30度 | 45度 | 40度 | 6W/cm2 | ディレーティングが必要 |
| 15% | 35度 | 45度 | 40度 | 2W/cm2 | 非現実的。アップグレード合金 |
| 15% | 38度以上 | 45度 | 40度 | 実現不可能 | 316 不適切 |
| 20% | 20度 | 38度 | 33度 | 8W/cm2 | ワット密度を下げても安全 |
| 20% | 25度 | 38度 | 33度 | 4W/cm2 | 大幅なディレーティング |
| 20% | 28度以上 | 38度 | 33度 | 実現不可能 | 316 不適切 |
| 25% | 25度以下 | 32度 | 27度 | 3W/cm2未満 | 316 推奨されません |
| 25% | 25度以上 | 32度 | 27度 | 実現不可能 | アロイ20またはチタンを使用 |
15% の硫酸およびバルク温度 35 度で動作する一般的な酸洗い浴の場合、活性腐食を防ぐために 2.0 mm 316 シースは 2 W/cm2 以下で動作する必要があります。このワット密度では、10 ～ 20 kW の一般的な電力要件を達成するには、非現実的な長さのヒーターが必要になります。したがって、316 はこのサービスには適していません。エンジニアは、硫酸の 316 よりも 30 ～ 50 度高いパッシブ-アクティブ転移温度を持つ合金 20 (カーペンター 20) または合金 825 を指定する必要があります。
ディレーティングなしで活性腐食を回避するための設計変更
酸洗浴の条件が移行境界近くにあり、2.0 mm 316 シースがすでに取り付けられているか必要な場合、3 つの設計変更により、ワット密度を実際の制限以下に下げることなく活性腐食を防ぐことができます。 1 つ目は、ヒーター表面全体の酸の循環を増やすことです。速度 1 ～ 2 m/s の乱流により、シース表面温度の上昇が 25 ～ 30 度から 10 ～ 15 度に減少し、潜在的にシースを転移閾値未満に保つことができます。 2 番目の変更は、浴に酸化剤を添加することです。過酸化水素または第二鉄イオンを少量添加すると、受動的-活性転移が 10 ～ 20 度高温にシフトし、受動的な動作が回復します。 3 番目の変更は、成層により温度が最も高くなる槽の下部の電力密度を低くしたデュアル-ワット-密度のヒーター設計を使用することです。ほとんどの酸洗槽用途では、316 からより耐久性の高い合金にアップグレードするのが正しいエンジニアリング ソリューションです。 2.0 mm 316 シースと同じ寸法の合金 20 シースのコスト差は通常 30 ～ 50% ですが、耐用年数は数か月から 5 ～ 10 年に長くなります。酸洗い槽用のヒーターを指定する場合、エンジニアはサプライヤーに正確な槽の組成、温度範囲、予想される乱流レベルを提供する必要があります。ディレーティングや活性腐食のリスクについて議論せずに、50 度の 15% 硫酸に対して 316 を推奨するメーカーは、責任あるガイダンスを提供していません。硫酸中での受動的腐食から能動的腐食への移行は急激で容赦がありません。 2.0 mm のシースは、活発な腐食により年間 5 mm 減少すると、5 か月以内に穴が開きます。工業用酸洗槽では 5 W/cm² 未満のディレーティングはほとんど実用的ではないため、ほとんどの用途では合金のアップグレードが唯一の信頼できる選択肢となります。
