Em que combinação específica de concentração e temperatura de ácido sulfúrico uma bainha de aço inoxidável 316 de 2,0 milímetros requer redução de capacidade abaixo de 5 Watts por centímetro quadrado para evitar corrosão ativa em banhos de decapagem de metal?

Os engenheiros de processo que constroem aquecedores elétricos de imersão para banhos de decapagem de metal em siderúrgicas e indústrias de fabricação de metal enfrentam uma das condições mais severas para bainhas de aço inoxidável 316 quando confrontados com ácido sulfúrico em temperaturas extremas. Os banhos de decapagem são comumente operados em temperaturas de 60 a 90 graus e concentrações de ácido sulfúrico de 10 a 25%, muitas vezes com sais de ferro dissolvidos, o que complica ainda mais o comportamento à corrosão. Uma espessura de parede de 2,0 mm é frequentemente escolhida para permitir a corrosão e dar resiliência mecânica à turbulência do banho e ao contato com a peça de trabalho. No entanto, operar em densidades normais de watts de 8-12 W/cm2 faz com que a temperatura da superfície da bainha seja 20-40oC mais alta que a temperatura do banho a granel, o que pode levar a bainha a entrar no regime de corrosão ativa com taxas de corrosão superiores a 5 mm por ano. Neste artigo, identificamos as combinações de temperatura-concentração aplicáveis ​​para as quais uma bainha 316 de 2,0 mm precisa ser reduzida abaixo de 5 W/cm2 para permanecer dentro do regime de corrosão passiva.

Aço Inoxidável 316 em Ácido Sulfúrico: A Transição do Passivo para o Ativo
O Artigo 30 afirma que no ácido sulfúrico a transição passiva-ativa do aço inoxidável 316 depende em grande parte da temperatura e da concentração . As taxas de corrosão são < 0,2 mm ano-1 no regime passivo. No regime ativo as taxas são de 5-20 mm por ano. O limite de transição das condições do banho de decapagem segue uma certa curva. A temperatura de transição para 10 por cento. o ácido sulfúrico é de cerca de 55 graus C. A 15% é uma transição de 45 graus. Em 20% cai para 38 graus. Chega a 32 graus . - 25%. Para um aquecedor em um banho a granel a 70 graus com ácido sulfúrico a 15%, a condição a granel por si só já está acima da temperatura de transição de 45 graus - o banho é ativamente corrosivo a 316 sem fluxo de calor. 316 não é apropriado nessas circunstâncias, independentemente da espessura da parede ou densidade de watts. No entanto, muitos banhos de decapagem estão na zona de transição onde as condições de volume são passivas, mas o aumento da temperatura da superfície da bainha, devido ao fluxo de calor, empurra a bainha para o regime ativo. O aumento de temperatura do volume para a superfície da bainha é de cerca de 25-30 graus para uma bainha de 2,0 mm a 10 W/cm². Um banho a granel a 40 graus com 15% de ácido (passivo) resulta em uma temperatura da superfície da bainha de 65 a 70 graus, que excede a transição de 45 graus, de modo que a corrosão ativa ocorre na superfície da bainha, apesar do fato de o banho a granel ser passivo.

Limites Críticos de Derating Bainha de 2,0 Milímetros
As necessidades de redução do teste de corrosão de 316 amostras, em temperaturas e concentrações pertinentes aos banhos de decapagem, são as seguintes. Bainha com parede de 2,0 mm. Os valores são a densidade máxima de watts que mantém a temperatura da superfície da bainha pelo menos 5 graus abaixo da temperatura de transição passiva-ativa para uma determinada concentração aparente.

Concentração de ácido sulfúrico a granel Temperatura do banho a granel Passivo-Ativo Temperatura de transição nesta concentração Temperatura máxima da superfície do revestimento (transição – margem de segurança de 5 graus) Máx. Densidade de Watts Permitida para 2,0 mm. Bainha Ação recomendada 10% 30 graus 55 graus 50 graus 12 W/cm² Seguro em densidade de watts padrão
10% 40 graus 55 graus 50 graus 6 W/cm² Desclassificação 10% 45 graus 55 graus 50 graus 3 W/cm2 Marginal; Considere atualizar a liga 10% Acima de 48 graus 55 graus 50 graus Não é possívelTitânio ou liga 20
15% 25oC 45oC 40oC 10 W/cm2 Seguro em densidade moderada de watts
15% 30 graus 45 graus 40 graus 6 W/cm² É necessária redução de capacidade
15% 35 graus 45 graus 40 graus 2 W/cm2 Liga de mudança não prática
15% Acima de 38 graus 45 graus 40 graus Não é possível 316 não é prático
20% 20 graus 38 graus 33 graus 8 W/cm² Seguro em baixa densidade de watts
20% 25C 38C 33C 4 W/cm2 Desclassificação principal 20% Acima de 28C 38C 33C Não é possível 316 não adequado
25% <25°C 32°C 27°C <3 W/cm² 316 not recommended
25% > 25 graus 32 graus 27 graus Não é possível Usar Liga 20 ou Titânio
Para um banho de decapagem típico com ácido sulfúrico a 15% e temperatura aparente de 35 graus, o revestimento 316 de 2,0 mm deve estar igual ou inferior a 2 W/cm2 para evitar corrosão ativa. Nessa densidade de watts, o aquecedor seria um aquecedor impraticavelmente longo para requisitos médios de energia de 10-20 kW. Portanto, 316 não é adequado para este serviço. Os engenheiros devem considerar o uso da Liga 20 (Carpenter 20) ou da Liga 825, ambas com temperaturas de transição passiva-ativa 30–50 graus maiores que 316 no ácido sulfúrico.

Alterações de projeto para evitar corrosão ativa sem redução de capacidade
Se as condições do banho de decapagem estiverem próximas do limite de transição e uma bainha 316 de 2,0 mm já estiver instalada ou for necessária, três ajustes de projeto podem evitar a corrosão ativa sem deixar a densidade de watts abaixo dos limites práticos. A primeira é melhorar a circulação do ácido na superfície de aquecimento. O fluxo turbulento com velocidade de 1–2 m/s diminui o aumento da temperatura da superfície da bainha de 25–30 para 10–15 graus, o que pode impedir que a bainha atinja o ponto de transição. A segunda alteração é adicionar um agente oxidante ao banho. Pequenas adições de íons férricos ou de peróxido de hidrogênio podem mudar a transição passiva-ativa para temperaturas mais altas em 10-20 graus C, retornando ao comportamento passivo. A terceira mudança é o projeto do aquecedor com densidade dupla de-watts, que tem menor densidade de potência na parte inferior do banho com as temperaturas mais altas devido à estratificação . Para a maioria das aplicações de banho de decapagem, a solução de engenharia é atualizar do 316 para uma liga mais resistente. Normalmente, a diferença de custo entre uma bainha 316 de 2,0 mm e uma bainha Alloy 20 do mesmo tamanho é de 30 a 50%, mas a vida útil melhora de meses para 5 a 10 anos. Ao especificar aquecedores para banhos de decapagem, os engenheiros deverão fornecer ao fornecedor a composição completa do banho, a faixa de temperatura e o grau de turbulência previsto. Se o fabricante recomenda 316 para ácido sulfúrico a 15% a 50 graus e não fala sobre redução de capacidade ou possibilidade de corrosão ativa, ele não está dando conselhos competentes. A mudança da corrosão passiva para ativa no ácido sulfúrico é rápida e impiedosa. Uma bainha de 2,0 mm que perde 5 mm/ano em corrosão ativa perfurará em menos de 5 meses. Desclassificação<5 W/cm 2 is seldom feasible for commercial pickling baths, therefore alloy upgrade remains the only reliable remedy for most applications.