Para um aquecedor de bainha de titânio em um tanque de acabamento de metal com misturas de alto teor de cloreto/zinco, por que a densidade da corrente catódica na superfície do tubo é uma restrição importante do projeto?

TANQUES DE ELETRÓLITOS, GALVANIZAÇÃO OU DEPOSIÇÃO DE LIGA DE ZINCO SÃO USADOS PARA ACABAMENTO DE METAL E CONTÉM MISTURAS COMPLEXAS DE ELETRÓLITOS. As formulações típicas são compostas de 50-100 g/L de cloreto de zinco (ZnCl2), cloreto de amônio (NH4Cl) como sal condutor, cloreto de potássio (KCl) e vários branqueadores orgânicos. O banho está a 30–50 graus com pH 4,5–6,0. A resistência à corrosão é frequentemente especificada por meio de aquecedores de revestimento de titânio. Estes banhos, no entanto, geram uma situação eletroquímica inadvertida onde o tubo de titânio atua como cátodo para a deposição de zinco. Os íons de zinco em solução são depositados na superfície do titânio pela ação do sistema elétrico do próprio aquecedor ou por correntes parasitas do retificador de galvanização. Se o depósito de zinco permanecer fino e uniforme, o tubo estará protegido, mas se ele se expandir para estruturas ásperas e nodulares, o tubo superaquecerá e falhará prematuramente. O fator determinante é a taxa de transferência de elétrons que impulsiona a redução do zinco, ou seja, a densidade da corrente catódica na superfície do tubo.

Mecanismo de deposição catódica de zinco em aquecedores de titânio

The usual cathodic reaction happens on the work to be plated in a zinc plating bath. Any conductive surface that contacts the electrolyte, including the titanium heater sheath, can also operate as a cathode if an electrical channel exists. The wire of internal resistance of the heater is electrically insulated from the sheath. However, stray currents from the plating rectifier may pass through the bath, especially if the tank grounding is inadequate or if the heater mounting is in cathodic contact with the tank. When the titanium surface becomes cathodic, zinc ions are reduced to metallic zinc. Zn2+ + 2e- = Zn0. The rate of zinc deposition is proportional to cathodic current density (i_cathode). At low current densities (below 2 mA/cm²) zinc is deposited as a smooth adherent layer which actually shields the titanium. At moderate current densities (2–10 mA/cm2) the deposit becomes rough and porous, trapping electrolyte and leading to small hot spots. At high current densities (>10 mA/cm2), o rápido desenvolvimento de zinco cria estruturas dendríticas que entram em contato com outras partes do tanque, causando curtos-circuitos e superaquecimento local.

Modo de falha do aquecedor versus densidade de corrente: uma correlação quantitativa

Com base em testes controlados em um banho simulado de cloreto de zinco (80 g/L ZnCl2, 100 g/L KCl, 50 graus), os seguintes padrões de falha foram identificados para aquecedores de titânio Grau 2:

Densidade de corrente catódica inferior a 1 mA/cm²: Velocidade de depósito de zinco 0,1-0,3 mm/mês. Depósito aderente, liso e de grão fino. A temperatura do aquecedor é constante. A remoção ácida pode ser usada para remover depósitos sem danificar o metal base.

Densidade de corrente catódica 1–3 mA/cm2 Taxa de deposição de zinco 0,5–1,0 mm/mês. O depósito é nodular com porosidade de 20 a 30%. O superaquecimento localizado nos picos dos depósitos aumenta a temperatura da superfície do titânio 10–15 graus acima do ponto de ajuste. Aquecedor funcionando com muita frequência.

Densidade de corrente catódica 3-8 mA/cm2 Taxa de deposição de zinco 1,5-3,0 mm por mês Dentro de 2–4 semanas, o desenvolvimento dendrítico tem 5–10 mm de comprimento. Os dendritos atravessam as paredes do tanque ou outros aquecedores, causando curto-circuito. A falha do aquecedor resulta da fusão localizada nos locais de contato.

Densidade de corrente catódica > 10 mA/cm2: Taxa de deposição de zinco > 5 mm/mês. Crescimento dendrítico rápido e descontrolado. O aquecedor geralmente sopra em 1 a 2 semanas. Quando o zinco se desprende, o metal base de titânio pode ficar sujeito à corrosão ativa.

2.0 Estratégias para controlar a densidade de corrente em tanques de acabamento metálico

A tabela a seguir fornece uma árvore de decisão para gerenciar a densidade de corrente catódica em aquecedores de revestimento de titânio com base na configuração do tanque e no ambiente elétrico.

Configuração do tanque e status elétricoModificação de projeto e estratégia de controle para densidade de corrente catódica máxima permitida
Tanque devidamente aterrado, Aquecedor eletricamente isolado do tanque, Sem correntes parasitas 2 mA/cm2 Aceitável para operação regular. Acompanhamento mensal da espessura do depósito. Limpe o aquecedor a cada 3-6 meses.
Flange do aquecedor em contato elétrico com o tanque (catódico, caminho elétrico existente) 0,5 mA/cm²Insira a junta isolante (PTFE, 3 mm) entre o flange do aquecedor e o tanque. "Abaixe a densidade de corrente para 25%."
Stray currents from rectifier (measured >0,5 V entre o aquecedor e o eletrodo de referência) 0,2 mA/cm2Instale a haste de aterramento pelo aquecedor. Aquecedor de blindagem, com tubo de PTFE perfurado para melhorar o percurso da resistência elétrica
High zinc content (>120 g/L Zn2+), high temperature (>50 graus) 1 mA/cm2 Menor teor de zinco ou menor temperatura do banho. Maior Zn 2+ aumenta a taxa de deposição em densidade de corrente semelhante.
Aquecedor operado em tanque com cátodos auxiliares (cátodos ladrões) para distribuição de corrente 3 mA/cm^2 Os cátodos ladrões desviam a corrente do aquecedor. Tudo bem que os ladrões sejam limpos semanalmente.
Engenharia além do controle da densidade da corrente catódica

O acabamento superficial do tubo de titânio tem forte influência na adesão do zinco. A superfície lisa eletropolida (Ra<0.3 µm) permits the zinc deposit to be removed more readily than on an as-drawn surface (Ra 1.0 µm) where zinc keys into surface troughs. The wall thickness does not matter for the cathodic deposition. But the wall thickness matters for the time the heater can survive a localized overheating after the dendrites are formed. Thick wall (1.5 mm) may tolerate numerous short-circuit events before perforation, thin wall (0.8 mm) fails instantly. Deposition efficiency is also a function of pH. Hydrogen evolution competes with zinc deposition below pH 4, reducing the cathodic current density available for zinc, but with the potential for hydrogen embrittlement.

Escrevendo uma especificação informada

Por exemplo, se você precisar de um aquecedor com revestimento de titânio para um tanque de acabamento metálico com altas combinações de cloreto/zinco, especifique que o aquecedor seja eletricamente isolado do tanque por meio de juntas e buchas de PTFE. Defina uma densidade de corrente catódica máxima permitida de 1mA/cm2 com base na área de superfície do aquecedor e nas correntes parasitas registradas no tanque. Peça ao fornecedor para fornecer um aquecedor com acabamento de superfície eletropolido para facilitar a remoção de depósitos de zinco. Para instalações existentes, meça a tensão entre o revestimento do aquecedor e o eletrodo de referência de cobre-sulfato de cobre durante os processos de galvanização . Se a leitura for superior a 0,3 V, indica muita polarização catódica e precisa de correção. É fornecido um sistema de corrente reversa controlado por temporizador que fornece um pulso anódico curto (1 a 2 segundos a uma densidade de corrente de 2 a 3 mA/cm 2 ) a cada hora para dissolver depósitos incipientes de zinco antes que eles se transformem em nódulos. O engenheiro limita a densidade de corrente catódica como uma limitação crucial do projeto para evitar a falha em cascata do desenvolvimento de zinco dendrítico, superaquecimento e curto-circuito-em aquecedores de titânio usados ​​em aplicações de galvanoplastia.