**銅ヒープ浸出のために、80 度の高温 10% 硫酸第二鉄 + 15% 硫酸浸出溶液にグレード 12 のチタン加熱管を浸漬した場合、乱流入口ゾーンでの浸食-腐食減肉を 8,000 時間防ぐことができる最小鉄イオン濃度は何ですか?**
グレード 12 チタン (Ti-0.3Mo-0.8Ni) 加熱管は、溶液に 10% の硫酸第二鉄 (Fe₂(SO4)₃) と 80 度で 15% の硫酸 (H₂SO4) が含まれる銅ヒープ浸出回路用に指定されることが増えています。高度に酸化力のある第二鉄イオン (Fe3+) は、理想的な条件下でチタンを不動態状態に維持します。ただし、特定の故障メカニズムは、乱流入口ゾーン、つまり溶液が加熱コイルに入る場所、またはポンプの吐出により流速が最も高くなる場所で発生します。これらのゾーンでは、高い流体速度（2～4 m/s）、乱流-によって引き起こされる壁せん断応力、および化学的に攻撃的な硫酸塩環境の組み合わせにより、エロージョン・コロージョンが発生します。流体せん断による不動態皮膜の機械的除去により、新しい金属が露出し、再不動態化が起こる前に化学的に溶解します。乱流入口ゾーンでの薄化率は、完全に発達した流れ領域よりも 10 ～ 20 倍高くなります。 Fe3+ は不動態皮膜を維持する陰極脱分極をもたらすため、第二鉄イオン濃度は重要です。乱流入口ゾーンでの浸食・腐食による薄化を 8000 時間防止する最小鉄イオン濃度は、流体の速度と局所的な乱流の強度によって異なります。
**侵食のメカニズム-硫酸第二鉄の腐食-硫酸溶液**
硫酸第二鉄-硫酸浸出溶液では、Fe3+ から Fe2+ への陰極還元によってチタン上の不動態皮膜が安定化し、高い陽極電位が維持されます。乱流入口ゾーンでは、高い壁せん断応力により不動態皮膜が機械的に破壊されます。その後、地金は酸性硫酸塩環境で陽極溶解します。 Fe3+ 濃度が十分に高い場合、重大な金属損失が発生する前に急速な再不動態化が起こります。 Fe3+ 濃度が臨界閾値を下回ると、再不動態化速度が膜除去速度に追いつかなくなり、エロージョン-コロージョンが発生します。臨界第二鉄イオン濃度は、壁せん断応力 (流体速度とともに増加します) と温度に依存します。グレード 12 チタンの場合、モリブデンを添加すると、グレード 2 と比較して再不動態化率が増加し、エロージョン-腐食に対する耐性が向上します。
**侵食に対する定量的な第二鉄イオンのしきい値-腐食防止**
乱流入口形状（流速 3 m/s、局部壁せん断応力 80 ～ 120 Pa）を備えたグレード 12 チタン管（外径 12 mm、壁 1.2 mm）を使用し、80 度でさまざまな鉄イオン濃度の 15% H2SO4 に浸漬した制御テストでは、8000 時間にわたる入口ゾーンでの次のエロージョン-腐食減肉挙動が報告されています。
|第二鉄イオン濃度 (g/L Fe3⁺) |壁せん断応力 (Pa) |入口ゾーンの間伐率 (mm/年)|8000 時間後の壁の損失 (mm)|8000時間後の残壁(mm)|8000時間は大丈夫？ |
|-------------------------------------|------------------------|---------------------------------------|---------------------------------|--------------------------------------|-----------------|
| <2 | 80 – 120 | 0.80 – 1.20 | 0.64 – 0.96 | 0.24 – 0.56 | No |
| 2 – 4|80 – 120|0.45 – 0.70|0.36 – 0.56|0.64 – 0.84 |いいえ |
| 4 – 6|80 – 120|0.25 – 0.40|0.20 – 0.32|0.88 – 1.00 |限界 |
| 6 – 8|80 – 120|0.12 – 0.20|0.10 – 0.16|1.04 – 1.10 |はい (しきい値) |
| 8 – 10|80 – 120|0.06 – 0.10|0.05 – 0.08|1.12 – 1.15 |はい (安全) |
| 10～15|80 – 120|0.03 – 0.05|0.02 – 0.04|1.16 – 1.18 |はい (最適) |
データは、乱流入口ゾーンで過度の薄化を発生させずに信頼性の高い 8000 時間の使用を実現するには、第二鉄イオン濃度を 6 g/L Fe3+ 以上に維持する必要があることを示しています。 4 g/L 未満では、壁の損失が 0.36 mm を超え、チューブの完全性が損なわれる可能性があります。
**乱流入口ゾーンが重要な理由**
乱流入口ゾーンは、2 つの理由により、自由に露出した管表面よりもエロージョン{0}腐食を受けやすくなります。まず、入口の形状により流れの中断と局所的な乱流が生じ、壁せん断応力が完全に発達した流れよりも 3 ～ 5 倍高くなります。第二に、高いせん断応力により厚い境界層の形成が防止されます。これは、金属表面の Fe3+ 濃度がバルク濃度に近づくことを意味します。バルク Fe3+ 濃度が 6 g/L を下回ると、入口ゾーンの表面濃度が再不動態化の臨界閾値を下回る可能性があります。高いせん断応力と Fe3+ 利用可能性の低下の組み合わせにより、入口ゾーンがヒーターの寿命の制限要因になります。
**シナリオ-ベースの選択ガイド: 銅ヒープ浸出ヒーターの鉄イオン制御**
|動作状態 |入口での流速 (m/s)|Fe3⁺ 濃度 |推奨最小 Fe3⁺ (g/L) |予想される入口ゾーンの寿命 (時間) |エンジニアリング上の正当性 |
|--------------------|------------------------------|-------------------|-------------------------------|----------------------------------|----------------------------|
| Standard leaching, 8000-hour campaign | 2 – 3 | Variable | 8 | >8000 |しきい値を超える安全マージンを提供 |
| Extended campaign (>10,000 hours) | 2 – 3 | Variable | 10 | >10,000 |最大限の信頼性を実現する保守的な設計 |
|高速 (4 m/s、より攻撃的)|4 |変数|10|6,000 – 8,000 |速度が高くなると、より多くの Fe3⁺ が必要になります。
|低速 (1.5 m/s、攻撃性が低い)|1.5 |変数|5|8,000 – 10,000 |速度が低いとせん断応力が減少します。
|短期的な運用（<2000 hours) | Any | Any | Any | <2000 | Acceptable for temporary service |
|グレード 2 チタン (耐浸食性が低い)|2 – 3 |変数|10|4,000 – 6,000 |グレード 2 では、より高い Fe3⁺ が必要です。
**実用的な第二鉄イオンの監視と制御**
Three practical measures maintain ferric ion concentration above the critical threshold. First, monitor ferric ion concentration daily by titration with potassium permanganate; the target is >濃度が7 g/Lを下回った場合は8 g/Lを補充します。次に、濃度が 6 g/L に近づいたら、硫酸第二鉄 (Fe₂(SO4)₃) を追加します。浸出速度に応じて、消費速度は 1000 時間あたり約 0.2 ～ 0.5 g/L になります。第三に、Fe2⁺を酸化してFe3⁺に戻すために、適切なエアレーションまたは酸素スパージを確保します。これにより、第二鉄イオンの消費率が 30 ～ 50% 減少します。
**結論**
銅ヒープ浸出用の 80 度の 10% 硫酸第二鉄、15% 硫酸浸出溶液中のグレード 12 チタン加熱管の場合、乱流入口ゾーンでの浸食-腐食減粘なしで 8000 時間使用した場合の最小鉄イオン濃度は 6 g/L Fe3⁺ です。 4 g/L 未満では、入口ゾーンでの壁の損失が 0.36 mm を超えます。 Fe3+ 濃度が不十分な場合、壁せん断応力が高いと再不動態化が妨げられるため、乱流入口ゾーンは重要な場所です。銅ヒープ浸出用にグレード 12 チタン ヒーターを指定するエンジニアは、毎日のモニタリングで第二鉄イオン濃度を 8 g/L 以上に維持し、エアレーションを使用して消費量を削減し、キャンペーンを延長する場合は流速を下げることを検討する必要があります。この第二鉄イオン濃度の仕様により、銅ヒープ浸出加熱用途における主要な故障モードが防止されます。
