Mis on 316 roostevabast terasest küttekeha 1,5–2,5 mm kesta paksuse pikaajaline{0}}erinevus 10% fosforhappe toorlobris 80 kraadi juures abrasiivsete kristallidega

Fosforhappe tootmisteenuse{0}}põhiline vahetus

Fosforhappe märg-protsess tekitab toorsuspensiooni, mis sisaldab 10% fosforhapet, mis on segatud kaltsiumsulfaadi hemihüdraadi või dihüdraadi kristallidega, reageerimata fosfaatkivimi osakeste ja mitmesuguste metalliliste lisanditega. See keskkond on ainulaadselt agressiivne, kuna see ühendab mõõdukalt happelise keskkonna (pH 1-2) tahkete osakestega, mis õõnestavad roostevaba terase 316 passiivset kilet. Fosforhappe kontsentraatorites või ründepaakides kasutatavad elektrilised sukelsoojendid puutuvad kokku samaaegse keemilise korrosiooni ja mehaanilise hõõrdumisega. Katte paksuse otsus vahemikus 1,5 mm kuni 2,5 mm esindab pikaajalist toimivusarvutust, kus paksemas seinas olevat lisametalli tuleb kaaluda suurema ristlõikega töötamise termiliste ja mehaaniliste tagajärgedega. Erinevalt puhaste vedelike teenusest, kus korrosioon on ainus probleem, nõuab see rakendus mitmeaastaste kampaaniate jooksul kahe vastastikku toimiva lagunemismehhanismi jälgimist.

Erosioon-Korrosiooni sünergia ja selle paksussõltuvus

Puhas 80-kraadises fosforhappes on roostevaba teras 316 ühtlase korrosioonikiirusega ligikaudu 0,1-0,3 mm aastas, olenevalt toorhappes sisalduva fluoriidi ja kloriidi lisandite kontsentratsioonist. Abrasiivsete kristallide lisamine-kaltsiumsulfaadi poolhüdraadi kristallid on tavaliselt 10-100 mikroni suurused ja nende Mohsi kõvadus on 2,5-3,0-, muudab lagunemismehhanismi puhtast korrosioonist erosiooniks{23}}. Kokkupõrkes olevad osakesed eemaldavad pidevalt passiivse kaitsva kile, jättes värske metalli happe kätte. Erosiooni{29}}korrosioonikiirus ei ole lihtsalt puhta erosioonikiiruse ja puhta korrosioonikiiruse summa. Selle asemel tekib sünergistlik efekt, kui pidevalt passiveeritud metalli korrosioonikiirus on palju suurem kui stabiilse passiivse pinna korrosioonikiirus. Avaldatud andmed roostevaba terase 316 kohta 10% fosforhappes 5-10% tahke aine sisaldusega 80 kraadi juures ja suspensiooni kiirusega 1,5 m/s näitavad erosiooni-korrosiooni kiirust 0,6–1,2 mm aastas, mis on kolm kuni kuus korda kõrgem kui puhas korrosiooni kiirus. 1,5 mm paksuse seina puhul on pideva erosiooni-korrosiooni korral kuluv aeg perforatsioonini 1,3-2,5 aastat. 2,5 mm seina puhul ulatub arvestuslik aeg 2,1-4,2 aastani. Need arvutused eeldavad aga püsivat erosiooni-korrosiooni kiirust. Tegelikkuses muutub seina õhenemisel lokaalne pingejaotus pinnal ja erosioonikiirus võib kiireneda, kuna õhem sein kaldub osakeste mõjul rohkem kõrvale, tekitades suuremaid lokaalseid pingeid, mis lõhuvad pinda kergemini. Fosforhappetehaste pikaajalised jõudlusandmed näitavad, et kui seina paksus langeb alla 1,0 mm, suureneb erosiooni-korrosiooni kiirus sageli 20–40%. See tähendab, et 2,5 mm seinal ei käivitu mitte ainult rohkem metalli, vaid see töötab ka pikemat aega enne sellesse kiirendusrežiimi sisenemist.

Kristalli löögienergia ja seina paksuse mehaaniline roll

Toorfosforhappe suspensioonis olevad abrasiivsed kristallid ei libise ainult piki pinda; need põrkuvad erinevate nurkade all sõltuvalt küttekeha ümbritsevast voolumustrist. Ristvoolus oleva silindrilise küttetoru puhul põrkuvad suspensioonis olevad osakesed peaaegu -normaalsete nurkade all esiserva (suur löögienergia, maksimaalne erosioon) ja külgi pilgunurkade all (madalam erosioon). Kiirusega 1,5 m/s liikuva kaltsiumsulfaadi kristalli löögienergia on olenevalt osakeste suurusest ligikaudu 0,5{7}}2 mikrodžauli. See energia on piisav, et tekitada 316 roostevaba terase pinnal mikroplastilist deformatsiooni. Iga löögi plastiliselt deformeerunud kihi sügavus on tavaliselt 1-5 mikronit. Miljonite löökide ajal toimub materjali kumulatiivne eemaldamine väsimusmehhanismi abil: korduvad löögid põhjustavad töö kõvenemist, seejärel pragude teket, seejärel väikeste metallikildude eraldumist. Materjali eemaldamise kiirus on pöördvõrdeline metalli kõvadusega ja sõltub ka alusmaterjali võimest absorbeerida löögienergiat ilma pragudeta. Paksem sein tagab suurema elastse aluse löögipinna all. 316 roostevaba terase elastsusmoodul on 193 GPa ja toru seina jäikus painutamisel on võrdeline antud välisläbimõõdu paksuse kuubikuga. 2,5 mm seina paindejäikus on ligikaudu 4,6 korda suurem kui 1,5 mm seinal (2,5³ jagatud 1,5³-ga võrdub 4,6). See suurem jäikus vähendab dünaamilist läbipainet osakeste kokkupõrkel, alandades tippkontakti pinget ja vähendades erosioonikiirust. Fosforkütteseadmetega tehtud välimõõtmised näitavad, et 2,5 mm seinatorude esiserva erosioonimäär on identsetes lobritingimustes tavaliselt 20–30% madalam kui 1,5 mm seinatorudel, puhtalt jäikuse tõttu.

Paksema seina termilise jõudluse trahv määrdumise korral

Fosforhappe toorsuspensioon on määrdumise poolest kurikuulus. Kaltsiumsulfaadi kristallid kipuvad sadestuma kuumutatud pindadele, moodustades katlakivi, mis isoleerib toru ja vähendab soojusülekannet. Katlakivi moodustumise kiirus sõltub pinnatemperatuurist kaltsiumsulfaadi lahustuvuskõvera suhtes. Kui ümbrise temperatuur on üle 90-95 kraadi, väheneb kaltsiumsulfaathemihüdraadi lahustuvus ja sadestumine kiireneb. 1,5 mm seinaküttekeha puhul, mis töötab 80-kraadises puistehappes ja vattihedusega 6 W/cm², on ümbrise pinnatemperatuur ligikaudu 95-100 kraadi, mis asub täpselt kiirendatud skaleerimise lävel. 2,5 mm seina puhul sama vattiheduse korral tõuseb ümbrise temperatuur 110-120 kraadini, mis on hästi skaleerimisrežiimis. Katlakivi kogunemine 2,5 mm seinatorule on oluliselt kiirem ja paksem kui 1,5 mm torul. Kui katlakivi on moodustunud, lisab see oma soojustakistuse, sundides ümbrise temperatuuri isetugevdavas ahelas veelgi kõrgemale. 2,5 mm seinal, millel on 0,5 mm kaltsiumsulfaadi skaala, on efektiivne soojustakistus, mis on võrdne 4,0 mm seinaga. See skaala mitte ainult ei vähenda soojusülekannet, vaid loob alla ka pragusid, kus happeline keemia lokaalselt kontsentreerub, kiirendades korrosiooni. Kahe paksuse pikaajaline erinevus{30}}sõltub seetõttu kriitiliselt sellest, kas skaala on kontrollitav. Tehastes, mis kasutavad mehaanilist puhastust (vurrid või kaabitsad) või keemilist katlakivieemaldust, võib 2,5 mm sein saavutada oma pikema erosiooni-korrosiooni eluea. Tehastes, kus katlakivi on lubatud koguneda, võib 1,5 mm sein paremini toimida, kuna selle madalam pinnatemperatuur aeglustab katlakivi teket, ja kui katlakivi tekib, hoiab õhem alussein suuremat soojusvoogu läbi kombineeritud seina ja katlakivi kihi.

Termorattasõit ja diferentsiaali laienemise pinged

Fosforhappe kontsentraatorid töötavad partiitsüklitena või vahelduva etteandega, mistõttu küttekeha kogeb soojustsükleid ümbritsevast temperatuurist 80 kraadini ja tagasi. Iga termotsükkel tekitab takistustraadi, magneesiumoksiidi isolatsiooni ja roostevabast terasest ümbrise vahel erineva paisumispinge. Nende pingete suurus on võrdeline ümbrise paksusega, kuna paksem osa pakub rohkem vastupidavust soojuspaisumisele ja kokkutõmbumisele. Temperatuurimuutuse 80 kraadi korral on roostevaba terase 316 vabapaisumine ligikaudu 0,1% (koefitsient 16 x 10⁻⁶ / kraad korda 80 kraadi võrdub 0,00128). 12 mm välisläbimõõduga toru puhul on see laienemine 0,015 mm. 1,5 mm seinaga saab elastse deformatsiooni tõttu seda paisumist kergemini vastu võtta kui 2,5 mm seinale. Tuhandete tsüklite jooksul kogeb paksem sein ümbrise ja magneesiumoksiidi isolatsiooni liideses suuremaid tsüklilisi pingeid. See võib põhjustada isolatsiooni pragunemist, mis vähendab dielektrilist tugevust ja põhjustab lõpuks elektririkkeid. Fosforitehaste pikaajalised-jõudlusandmed näitavad, et 2,5 mm seinaküttekehadel on pärast 3-5-aastast kasutust suurem elektririkke (isolatsiooni purunemine) kui 1,5 mm seinasoojenditel, isegi kui 2,5 mm seinal on veel piisavalt metalli paksust alles. Paksem sein vahetab korrosiooni-erosiooni eluea termilise väsimuse vastu.

Pikaajalise-toimivuse võrdluse kokkuvõte

Praktilised eluea pikendamise strateegiad peale paksuse valiku

Ükski ümbrise paksus üksi ei lahenda fosforhappe läga probleemi. Kolm üksteist täiendavat strateegiat on osutunud tõhusaks küttekeha eluea pikendamisel ainult paksusel põhinevatest prognoosidest kaugemale. Esiteks, voolu juhtimine: küttetorude suunamine lägavooluga paralleelselt, mitte risti, vähendab lööginurki ja erosioonimäära 40-60%. Teiseks, pinna kõvenemine: roostevabast terasest 316 pinna nitridimine või boroonimine suurendab pinna kõvadust 200 HV-lt 800{16}}1000 HV-ni, vähendades järsult erosioonikiirust ilma soojustakistust suurendamata. Pindkarastatud 1,5 mm toru kestab kaks korda kauem kui töötlemata 2,5 mm toru. Kolmandaks, katlakivi kontroll: hoides lahtise happe temperatuuri alla 75 kraadi või lisades katlakivi inhibiitoreid, nagu polüakrülaadid, hoiab ümbrise pind allpool kaltsiumsulfaadi sadestumisläve, võimaldades kasutada õhemaid ja termiliselt tõhusamaid seinu. Mõned tehased on edukalt kasutanud 1,2 mm seinasoojendeid koos pinna kõvenemise ja katlakivi pärssimisega viis aastat või kauem, ületades töötlemata 2,5 mm küttekehasid, mis katlakivist põhjustatud ülekuumenemise tõttu ebaõnnestusid.

Järeldus: töötingimustega põhjendatud jõudluse erinevus

316 roostevabast terasest küttekeha pikaajaline -1,5 mm ja 2,5 mm kesta paksuse erinevus 10% fosforhappega toorlobris 80 kraadi juures ei ole paksema seina puhul lihtne eelis. 2,5 mm sein tagab 1,5-2,0 korda pikema erosiooni-korrosiooniea pideva ja madala{13}}katlakiviga teenuse korral, kuid kannatab kõrgema pinnatemperatuuri tõttu, mis kiirendab katlakivi teket, ja madalama termilise väsimuse tõttu. 1,5 mm sein pakub paremat soojuslikku jõudlust, väiksemat katlakivi teket ja pikemat termilist väsimust, kuid sellel on vähem metallireservi erosiooni{18}}korrosiooniks. Enamiku fosforhappe tootmisettevõtete jaoks on optimaalne paksus nende äärmuste vahel ligikaudu 1,8-2,0 mm, mis on seotud pinna kõvenemise ja katlakivi kontrollimise meetmetega. Kui on sunnitud valima nende kahe vahel, peaks hea katlakivikontrolli ja pideva tööga tehas valima 2,5 mm seina, et maksimeerida erosiooni-korrosiooniga seotud eluiga. Partiitöötlemise, sagedase termotsükli või piiratud katlakivieemaldusvõimega seade peaks valima 1,5 mm seina, et vältida katlakivi tekkimist ja termilise väsimuse tõrkeid. Spetsifikatsioon peaks alati sisaldama pinnatöötluse nõudeid ja voolu orientatsiooni üksikasju, muutes lihtsa paksuse valiku põhjalikuks läga käitlemise küttekehaks.