Äärmuslik keskkond
Segalämmastik-vesinikfluoriidhappega peitsimine 90 kraadi juures on tööstusliku keemilise töötlemise üks agressiivsemaid keskkondi. Lahus -tavaliselt 10-20% HNO₃ ja 2–5% HF- ühendab lämmastikhappe tugeva oksüdeeriva võimsuse fluoriidiooni ainulaadse võimega kompleksida ja lahustada metallide kaitsvaid oksiidkile.
Tantaal-2,5% volframisulam (Ta-2,5 W) on kõige korrosioonikindlam metallmaterjal, mis selle teenuse jaoks kaubanduslikult saadaval on. Puhas tantaal avaldab juba erakordset vastupidavust; volframi lisamine tugevdab sulamit ja suurendab veelgi vastupanuvõimet fluoriidi rünnakule tänu tahke lahuse mõjule passiivsele kilele.
PTFE on immuunne nii hapete suhtes eraldi kui ka nende kombinatsiooni suhtes. Pole passiivset filmi, mida rünnata. Fluoriidist kompleksiks ei ole metalliaatomeid. Kõige vastupidavama metalli ja inertse polümeeri võrdlus selles äärmuslikus keskkonnas valgustab metallilise korrosioonikaitse põhipiire.
Tantaali passiivkile fluoriidi rünnaku all
Tantaal talub segatud HNO₃-HF-i läbi Ta2O5 passiivse kile, mis on üks kõige keemiliselt vastupidavamaid teadaolevaid oksiide. Kile on lämmastikhappes stabiilne kogu kontsentratsiooni ja temperatuurivahemikus. Fluoriioonide juuresolekul läbib kile aeglase lahustumisreaktsiooni:
Ta₂O₅ + 14HF → 2TaF₇²⁻ + 5H₂O + 4H⁺
Tantaal-fluoriidi kompleks on lahustuv. Kile lahustub. Selle all olev tantaalmetall reageerib lämmastikhappega, mis taas-oksüdeerib pinna ja muudab passiivse kile. Tulemuseks on tantaali pidev ja aeglane kadu, korrosioonikiirus, mis sõltub HF kontsentratsioonist, temperatuurist ja HNO₃/HF suhtest.
Ta-2,5 W volframi lisamine muudab seda käitumist. Passiivsesse kilesse lisatud volframi aatomid muudavad selle elektroonilist struktuuri, muutes selle fluoriidirünnakule vastupidavamaks. Ta-2,5 W korrosioonikiirus segatud HNO₃-HF-s on samades tingimustes ligikaudu 30–50% madalam kui puhta tantaali puhul. See on märkimisväärne edasiminek, kuid see on määra vähendamine, mitte mehhanismi kaotamine.
| Korrosiooni parameeter | Tantaal (puhas) | Tantaal-2,5W | PTFE |
|---|---|---|---|
| Korrosioonikaitse mehhanism | Ta₂O5 passiivkile | W-modifitseeritud Ta₂O5 passiivkile | Loomulik C-F sideme stabiilsus |
| Korrosioonikiirus 15% HNO₃ + 3% HF juures 90 kraadi juures (mm/aastas) | 0.02-0.08 | 0.01-0.05 | 0 |
| Korrosioonikiirus, kui HF suureneb 5%-ni (mm/aastas) | 0.05-0.15 | 0.03-0.10 | 0 |
| Tundlikkus HNO₃/HF suhte suhtes | Kõrge (kile stabiilsus sõltub oksüdeerija/fluoriidi tasakaalust) | Mõõdukas | Mitte ühtegi |
| Tundlikkus temperatuuri suhtes | Kõrge (kiirus ligikaudu kahekordistub 15 kraadi kohta) | Kõrge | Puudub (alla 260 kraadi) |
| Keevisvööndi korrosioon | Võimalik eelistatud rünnak | Vähendatud, kuid mitte kõrvaldatud | N/A (keevisõmblused puuduvad) |
| Materjali maksumus (suhteline) | 40-60× | 50-80× | 1× |
Temperatuuri kiirenduse tegur
Tantaali korrosioonikiirus fluoriidi{0}}sisaldavates lahustes sõltub tugevalt temperatuurist{1}}. See kiirus ligikaudu kahekordistub iga 15 kraadi võrra. 60 kraadi juures võib Ta-2,5W soojusvaheti töötada 5-8 aastat. 90 kraadi juures võib kasutusiga lüheneda 2-3 aastani. 110 kraadi juures võib olla vajalik asendamine 12–18 kuu jooksul.
PTFE korrosioonimäär on kõigil kolmel temperatuuril null. Soojusvaheti kasutusea määrab mehaaniline roome aurusurvest, mitte keemiline rünnak. 90 kraadi juures ja sobiva aururõhu reguleerimisega tagab PTFE 15+ aasta kasutusea – 5–7 korda pikem kui Ta-2,5 W.
Ekskursiooni haavatavus
HNO₃/HF suhe peitsimisvannides muutub töötamise ajal. Loputusvee sissetõmme{1}}toorikule lahjendab vanni. Kontsentratsiooni taastamiseks võib hapet lisada, kui spetsifikatsioonisuhe on pisut erinev. Aurumiskaod muudavad koostist. Need variatsioonid nihutavad oksüdeerija/fluoriidi tasakaalu, millele tantaal oma passiivse kile säilitamiseks tugineb.
Madala HNO₃/HF suhte -periood, mis tuleneb näiteks happe lisamise veast,- võib passiivse kile tantalist eemaldada kiiremini, kui saadaolev lämmastikhape suudab seda reformida. Tekkiv aktiivne korrosioon jätkub kuni happe suhte korrigeerimiseni. Ühe ekskursiooni kahjustus võib võrduda kuudepikkuse tavapärase korrosiooniga.
PTFE-l puudub tundlikkus happe suhte suhtes. Mis tahes suurusjärgu suhtemuutus jätab materjali muutumatuks. Praktilise kasutusea määramisel on see ekskursiooni kestvus sama väärtuslik kui püsiv-korrosioonimäär.
Kokkuvõte
PTFE-soojusvahetid on tingimusteta immuunsed segatud HNO₃-HF-i 90-kraadise peitsistamise suhtes, samas kui tantaal-2,5% volframisulam-selle teenuse jaoks kõige vastupidavam kaubanduslik metall-korrodeerub 0,01–0,05 mm aastas fluoriidi passiivse lahustumise tõttu. Korrosioonikiirus kiireneb temperatuuri tõustes ja on tundlik HNO₃/HF suhte suhtes. PTFE tagab 5–7 korda pikema tööea, välistab tundlikkuse protsesside kõrvalekalde suhtes ja maksab murdosa tulekindlast sulamist. HNO₃-HF segateenuses PTFE temperatuuripiirides on PTFE parim valik.
Tehniline tugi PTFE-soojusvaheti spetsifikatsioonidele segahappega peitsimisel on saadaval happe kontsentratsioonide, normaal- ja ekskursiivsete temperatuurivahemike ning seadmete praeguse kasutusea andmete esitamisel.
