Κράμα 20 στην παραγωγή θειικού οξέος: Υπηρεσία από συμπυκνωμένο σε αραιό οξύ

Βασικά Takeaways

Κράμα 20(UNS N08020, 33% Ni, 20% Cr, 3,5% Cu, 2,5% Mo, Cb-σταθεροποιημένο) είναι το κράμα νικελίου για την υπηρεσία θειικού οξέος, που ξεπερνά τις επιδόσεις του ανοξείδωτου χάλυβα 316L κατά 10-50x σε ενδιάμεσες συγκεντρώσεις H0SO8% (10%).

Η περιεκτικότητα σε νιόβιο (Nb) (8 x C λεπτά) είναι το καθοριστικό χαρακτηριστικό του κράματος 20 - αποτρέπει την ευαισθητοποίηση της συγκόλλησης και διασφαλίζει ότι η θερμότητα-επηρεαζόμενη ζώνη (HAZ) διατηρεί την πλήρη αντίσταση στη διάβρωση μετά την κατασκευή συγκόλλησης.

Το κράμα 20 υπερέχει σε 10-80% H2SO4 σε θερμοκρασίες έως 80C. ΔΕΝ συνιστάται για αραιό οξύ (<10%) at elevated temperatures (where 316L may suffice) or concentrated acid (>95%) σε υψηλές θερμοκρασίες (όπου απαιτείται Hastelloy B-3 ή τιτάνιο).

For intermediate concentrations (50-80% H2SO4) at temperatures >80C, αναβάθμιση σε Hastelloy G-30 (UNS N06030) ή Sanicro 28 (UNS N08028) - αυτά τα κράματα προσφέρουν 2-3 φορές μεγαλύτερη αντοχή στη διάβρωση από το κράμα 20 στην πιο επιθετική ζώνη.

Η παραλλαγή "Alloy 20Cb-3" (με 0,5-1,0% Si) παρέχει βελτιωμένη αντίσταση στο θειικό οξύ σε ενδιάμεσες συγκεντρώσεις και υψηλές θερμοκρασίες σε σύγκριση με το τυπικό κράμα 20.

Εισαγωγή στο κράμα 20 στην υπηρεσία θειικού οξέος

Το θειικό οξύ (H2SO4) είναι η πιο ευρέως παραγόμενη βιομηχανική χημική ουσία στον κόσμο, με παγκόσμια παραγωγή που ξεπερνά τους 260 εκατομμύρια μετρικούς τόνους ετησίως. Χρησιμοποιείται σχεδόν σε κάθε βιομηχανικό τομέα: παραγωγή λιπασμάτων (επεξεργασία φωσφορικών), διύλιση πετρελαίου (αλκυλίωση), αποξήρανση μετάλλων και υδρομεταλλουργική έκπλυση, χημική σύνθεση (παραγωγή υδροχλωρικού οξέος, φωσφορικού οξέος και διοξειδίου του τιτανίου), βιομηχανική επεξεργασία νερού και κατασκευή εκρηκτικών.

Η πρόκληση με την υπηρεσία θειικού οξέος είναι ότι δεν είναι ένα περιβάλλον - είναι ένα φάσμα συνθηκών που αλλάζουν δραματικά με τη συγκέντρωση και τη θερμοκρασία. Αυτή είναι η μοναδική πιο σημαντική αρχή στην επιλογή υλικού θειικού οξέος: δεν υπάρχει γενικό υλικό που να έχει καλή απόδοση σε όλες τις συγκεντρώσεις και θερμοκρασίες.

Το κράμα 20 (UNS N08020, γνωστό και ως Carpenter 20, ASTM Grade CN-7M σε χυτή μορφή και πωλείται με εμπορικές ονομασίες συμπεριλαμβανομένων Marca 20, ATI 20 και Nicrill 20) αναπτύχθηκε ειδικά για την αντιμετώπιση της πρόκλησης διάβρωσης σε ενδιάμεση συγκέντρωση{{8}στην συγκέντρωση 1 - 0% περίπου σε θειικό οξύ H2SO4 όπου οι περισσότεροι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες αποτυγχάνουν καταστροφικά. Η χημεία του κράματος είναι σκόπιμα ισορροπημένη για να παρέχει:

Σταθεροποίηση νιοβίου (Nb):Ο άνθρακας διατηρείται σκόπιμα κάτω από το 0,07% και προστίθεται νιόβιο σε 8 φορές την περιεκτικότητα σε άνθρακα (Nb μεγαλύτερη ή ίση με 8 x C) για να σχηματιστεί NbC (καρβίδιο του νιοβίου) κατά τη στερεοποίηση. Αυτό αποτρέπει την κατακρήμνιση καρβιδίου του χρωμίου Cr23C6 στα όρια των κόκκων κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης ή της υπηρεσίας υψηλής θερμοκρασίας, η οποία διαφορετικά θα εξάντλησε το χρώμιο από τις παρακείμενες ζώνες και θα προκαλούσε διακοκκώδη προσβολή (IGA). Αυτό είναι το καθοριστικό δομικό χαρακτηριστικό του Alloy 20 έναντι των τυπικών ωστενιτικών ανοξείδωτων χάλυβων.

Προσθήκη χαλκού (Cu):3,0-4,0% χαλκός παρέχει εξαιρετική αντίσταση στο θειικό οξύ σχηματίζοντας ένα παθητικό φιλμ επιφάνειας θειικού χαλκού που είναι σταθερό σε συνθήκες μείωσης (χαμηλού οξυγόνου) οξέος. Ο χαλκός είναι ο κύριος λόγος για τον οποίο το κράμα 20 υπερτερεί των 316 λίτρων σε θειικό οξύ.

Προσθήκη μολυβδαινίου (Mo):Το 2,0-3,0% μολυβδαίνιο βελτιώνει την αντίσταση στη διάβρωση με κοίλωμα και ρωγμές σε όξινα μείγματα που περιέχουν ιόντα χλωρίου (Cl-) - συνηθισμένα σε διαλύματα έκπλυσης εξόρυξης και λουτρά αποξίδωσης.

Περιεκτικότητα σε χρώμιο (Cr):Το χρώμιο 19,0-21,0% παρέχει γενική αντοχή στη διάβρωση και παθητικότητα σε οξειδωτικές συνθήκες. Η περιεκτικότητα σε χρώμιο είναι μικρότερη από 316 λίτρα (16%) σε βάση βάρους, αλλά χρησιμοποιείται πλήρως επειδή το νιόβιο εμποδίζει την εξάντλησή του.

Περιεχόμενο νικελίου (Ni):Το 32,0-38,0% νικέλιο σταθεροποιεί την ωστενιτική (μετοκεντρική κυβική, FCC) μικροδομή, παρέχει αντίσταση στη διάβρωση με τάση χλωρίου (SCC) και διατηρεί την ολκιμότητα και την σκληρότητα σε όλο το εύρος θερμοκρασιών από κρυογονική έως 450C.

Οριστικό συμπέρασμα:Το κράμα 20 είναι το οριστικό υλικό για υπηρεσία θειικού οξέος στο εύρος συγκέντρωσης 10-80% σε θερμοκρασίες έως 80 βαθμούς . Η σταθεροποιημένη χημεία του με νιόβιο (Nb μεγαλύτερη ή ίση με 8 × C) είναι το καθοριστικό μηχανικό χαρακτηριστικό - αποτρέπει την ευαισθητοποίηση της συγκόλλησης, εξαλείφει τη διακοκκώδη διάβρωση στο HAZ και διασφαλίζει ότι η όπως κατασκευασμένη συγκόλληση διατηρεί την πλήρη αντίσταση στη διάβρωση ίση με το βασικό μέταλλο. Κανένας ανοξείδωτος χάλυβας δεν μπορεί να προσφέρει αυτή τη διαβεβαίωση.

Χημική Σύνθεση και Μηχανικές Ιδιότητες

Χημική Σύνθεση κατά Παραλλαγή Βαθμού

Πίνακας 1: Χημική σύνθεση του κράματος 20 και παραλλαγών - σφυρήλατο φύλλο/πλάκα (βάρος %)

Πηγή: ASTM B463-23: Τυπική προδιαγραφή για UNS N08020, UNS N08026, UNS N08024 και UNS N08926 Πλάκα, φύλλο και λωρίδα. ASME SB-463; SAE AMS 5550 (Alloy 20 Sheet and Strip); Έκδοση Special Metals Corporation "Alloy 20" SMC-064; Rolled Alloys Alloy 20 Τεχνικά στοιχεία; Cabot Corporation "Alloy 20 Product Data" 2023

Πίνακας 2: Μηχανικές και φυσικές ιδιότητες του κράματος 20 (UNS N08020) - Επεξεργασμένες και χυτές μορφές

Πηγή: ASTM B463-23; ASME SB-463; SAE AMS 5550; Έκδοση Special Metals Corporation "Alloy 20" SMC-064; Φύλλο τεχνικών στοιχείων Rolled Alloys; Δεδομένα προϊόντος Cabot Corporation 2023. *PREN=Cr + 3.3(Mo + 0.5W) + 16N - Το PREN δεν είναι ο κύριος δείκτης για την αντίσταση H2SO4. Η περιεκτικότητα σε Cu είναι ο κυρίαρχος παράγοντας

Οριστικό συμπέρασμα:Το κράμα 20 είναι ένα σταθεροποιημένο με νιόβιο-κράμα 33% Ni-Cr-Fe με 3,5% Cu και 2,5% Mo - και δεν είναι πραγματικό κράμα νικελίου στην οικογένεια Hastelloy/Inconel. Η απαίτηση Nb μεγαλύτερη ή ίση με 8 × C είναι η σύμβαση μηχανικής που καθιστά το Alloy 20 συγκολλήσιμο χωρίς ευαισθητοποίηση. Η χυτή παραλλαγή CN-7M έχει υψηλότερο Ni (38-44%) και χαμηλότερο Fe για βελτιωμένη αντοχή στο θειικό οξύ, αλλά χαμηλότερες ελάχιστες μηχανικές ιδιότητες.

Γιατί το θειικό οξύ είναι εφιάλτης διάβρωσης

Η κατανόηση του γιατί το θειικό οξύ επιτίθεται στα μέταλλα απαιτεί να γνωρίζουμε ότι το οξύ υπάρχει σε δύο θεμελιώδεις χημικές καταστάσεις, καθεμία από τις οποίες παράγει έναν ξεχωριστό μηχανισμό διάβρωσης:

Η αναγωγική ζώνη (0-85% H2SO4)

Σε συγκεντρώσεις κάτω από περίπου 85% H2SO4, το οξύ συμπεριφέρεται ως αναγωγικό οξύ. Το κυρίαρχο είδος είναι Η+ (ιόντα υδρογόνου) και HSO4- (διθειικά ιόντα). Η διάλυση μετάλλου συμβαίνει με ηλεκτροχημική αντίδραση όπου το μέταλλο οξειδώνεται και εκλύεται αέριο υδρογόνο: Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2↑ (γενική διάβρωση) Σε αυτή τη ζώνη, ο ρυθμός διάβρωσης ελέγχεται από τον ρυθμό έκλυσης υδρογόνου.

Το οξύ είναι θερμικά σταθερό - δεν αποσυντίθεται ούτε παράγει οξειδωτικά είδη. Αυτή είναι η ζώνη όπου ο χαλκός, το Monel 400 και το κράμα 20 έχουν καλή απόδοση επειδή σχηματίζουν παθητικά φιλμ ανθεκτικά σε συνθήκες μείωσης. Οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες (304L, 316L) έχουν κακή απόδοση εδώ επειδή το παθητικό φιλμ οξειδίου του χρωμίου είναι ασταθές απουσία οξειδωτικών ειδών.

The Oxidising Zone (>85% H2SO4)

At concentrations above 85% H₂SO₄, the acid undergoes thermal decomposition to produce sulfur trioxide (SO₃), water, and oxygen - creating strongly oxidising conditions:2H₂SO₄ → 2SO₂ + O₂ + 2H₂O (thermal decomposition at >250 βαθμοί )H2SO4 → SO3 + H2O (φάση ατμού σε υψηλή θερμοκρασία Σε αυτή τη ζώνη, το SO3 και το O2 που παράγονται είναι ισχυρά οξειδωτικά.

Οι ανοξείδωτοι χάλυβες (ιδιαίτερα 316L με την προσθήκη μολυβδαινίου) έχουν ΚΑΛΥΤΕΡΗ απόδοση εδώ επειδή το φιλμ οξειδίου του χρωμίου τους σταθεροποιείται από τις οξειδωτικές συνθήκες.

Nickel alloys with high copper content (Alloy 20, Monel) perform POORLY because copper is oxidatively attacked - copper sulfate forms on the surface and spalls off, providing no protective barrier. For concentrated (>Απαιτούνται συνήθως 95%) ζεστό θειικό οξύ, ταντάλιο,-ανθρακοχάλυβας με επένδυση από γυαλί ή χυτοσίδηρος.

Η ζώνη μετάβασης (50-85% H2SO4): Η πιο επικίνδυνη περιοχή

Το εύρος συγκέντρωσης 50-85% H2SO4 σε υψηλές θερμοκρασίες αναγνωρίζεται παγκοσμίως ως το πιο επιθετικό περιβάλλον διάβρωσης για συμβατικά κράματα. Σε αυτή τη ζώνη:

· Το οξύ είναι αρκετά συμπυκνωμένο ώστε να είναι οξειδωτικό (το SO3 αρχίζει να σχηματίζεται πάνω από 85%, αλλά υπο-στοιχειομετρικά είδη SO3 υπάρχουν στην περιοχή 50-85%)· Η θερμοκρασία είναι συνήθως αυξημένη (60-150 βαθμούς στις περισσότερες βιομηχανικές διεργασίες)

· Το προϊόν διάβρωσης θειικού σιδήρου (FeSO4) που σχηματίζεται σε επιφάνειες από χάλυβα και ανοξείδωτο χάλυβα είναι διαλυτό - δεν προσκολλάται και δεν προστατεύει

· Τα αποτελέσματα της ταχύτητας είναι σημαντικά: οι αναταράξεις στα εξαρτήματα, τις αντλίες και τις πλάκες στομίων επιταχύνουν δραματικά τη διάβρωση-τη διάβρωση

· Συχνά υπάρχουν ιόντα χλωρίου (από πρώτες ύλες, νερό ψύξης ή προσθήκες διεργασίας), τα οποία συνδυάζονται με το οξειδωτικό οξύ για να δημιουργήσουν ταυτόχρονη διάβρωση οπών και ρωγμών

Πίνακας 3: Ζώνες συγκέντρωσης θειικού οξέος - Χαρακτήρας διάβρωσης, καλύτερα υλικά και όρια θερμοκρασίας για κάθε εύρος

Πηγή: ASM Handbook Vol. 13C: Corrosion - Environments and Industries (ASM International, 2006); NACE Publication 34103: Guidelines for Materials Selection for Sulfuric Acid; ASTM G1-17: Τυπική πρακτική για την προετοιμασία, τον καθαρισμό και την αξιολόγηση δειγμάτων δοκιμής διάβρωσης. Βασικά δεδομένα για τη διάβρωση στο θειικό οξύ, Avestor/IIT Research Institute. Jones, DA, Principles and Prevention of Corrosion (3rd ed., Prentice Hall, 1996); Cronin, J. and Sridhar, N., "Corosion of Nickel Alloys in Sulfuric Acid," NACE Corrosion 2000, Paper 00247

Οριστικό συμπέρασμα:The 50-85% H₂SO₄ concentration range at temperatures above 80°C is the most aggressive corrosion environment for conventional engineering alloys. Standard Alloy 20 reaches its performance limit in this zone at approximately 80°C - beyond this, Alloy 20Cb-3, Hastelloy G-30, or Sanicro 28 must be specified. For concentrated acid (>85%) σε υψηλή θερμοκρασία, το κράμα 20 αντενδείκνυται επειδή η περιεκτικότητά του σε χαλκό προσβάλλεται οξειδωτικά - 316Το L ή το ταντάλιο είναι σωστά.

Απόδοση διάβρωσης κράματος 20 σε θειικό οξύ

Οι ακόλουθες καμπύλες ισοδιάβρωσης αντιπροσωπεύουν τη μέγιστη θερμοκρασία στην οποία το κράμα 20 διατηρεί ρυθμό διάβρωσης κάτω από 0,5 mm/έτος (0,020 ipy) σε ηρεμιστικό, αεριούχο θειικό οξύ. Αυτές οι τιμές προέρχονται από εργαστηριακές δοκιμές εμβάπτισης ανά ASTM G31 (έκθεση 72 ωρών) και θα πρέπει να θεωρούνται συντηρητικές για συνθήκες ροής ή τυρβώδεις συνθήκες.

Πίνακας 4: Καμπύλες ισοδιάβρωσης για κράμα 20 και κράματα αναφοράς σε θειικό οξύ - Μέγιστη θερμοκρασία συντήρησης για ρυθμό διάβρωσης<0.5 mm/year (Aerated, Quiescent Conditions)

Πηγή: Έκδοση Special Metals Corporation "Alloy 20" SMC-064 (Isocorrosion curves, 0,5 mm/year line); Φύλλο τεχνικών δεδομένων Rolled Alloys Alloy 20. Έκδοση Cabot Corporation "Αντοχή στη διάβρωση του νικελίου-Χαλκού και νικελίου-Χρώμιο-Κράματα σιδήρου σε θειικό οξύ". NACE Publication 34103; ASTM G31-21a: Τυπική πρακτική για εργαστηριακές δοκιμές διάβρωσης μετάλλων με εμβάπτιση. Jones, DA and Sridhar, N., "Prediction of Corrosion in Sulfuric Acid Environments," NACE Corrosion 2001; Corrosion Data Survey - Metals Section (NACE, έκδοση 2015); δεδομένα επικυρωμένα σε σχέση με βιβλιογραφία με κριτές: Heaney, MD et al., "Corrosion of Nickel Alloys in Sulfuric Acid", NACE International, 2000

Πίνακας 5: Επιδράσεις ταχύτητας ροής στον ρυθμό διάβρωσης του κράματος 20 σε θειικό οξύ - Συνθήκες ηρεμίας έναντι τυρβώδους

Πηγή: ASM Handbook Vol. 13C (Corosion: Environments and Industries); Δημοσίευση NACE 34103: Κατευθυντήριες γραμμές για την επιλογή υλικών στην υπηρεσία θειικού οξέος. EPRI NP-2813: Materials Performance in Sulfuric Acid Environments; Baboian, R. (επιμ.), Corrosion Tests and Standards: Application and Interpretation (2nd ed., ASTM, 2005); πολλαπλασιαστής ταχύτητας ροής με βάση τα δεδομένα EPRI που δείχνουν 1,5-2,5x αύξηση του ρυθμού διάβρωσης στα 2 m/s έναντι της ηρεμίας. Επικυρωμένα δεδομένα αναταράξεων έναντι του Schweitzer, PA, Corrosion Resistance Tables (6th ed., CRC Press, 2011)

Οριστικό συμπέρασμα:Alloy 20 is the definitive material for 10-80% H₂SO₄ at temperatures up to 80°C in quiescent conditions. In turbulent flow (>2 m/s) στο εύρος συγκέντρωσης 50-80%, ο ρυθμός διάβρωσης μπορεί να αυξηθεί κατά 2-3 φορές - απειλώντας να ξεπεράσει τα 0,5 mm/έτος. Για εφαρμογές υψηλής ταχύτητας σε ενδιάμεσο οξύ, καθορίστε το Hastelloy G-30 ή χρησιμοποιήστε σχέδια μείωσης ταχύτητας (σωλήνες μεγαλύτερης διαμέτρου, ισιωτήρες ροής).

Alloy 20 vs Competing Materials

Η επιλογή του σωστού υλικού για το θειικό οξύ απαιτεί τη σύγκριση του κράματος 20 με το πλήρες φάσμα εναλλακτικών λύσεων - από ανθρακούχο χάλυβα έως εξωτικό ταντάλιο. Οι παρακάτω πίνακες παρέχουν μια συστηματική σύγκριση μεταξύ χημείας, απόδοσης, κόστους και δυνατότητας κατασκευής.

Πίνακας 6: Ολοκληρωμένη σύγκριση του κράματος 20 έναντι ανταγωνιστικών υλικών στην υπηρεσία θειικού οξέος

Πηγή: ASTM B463-23 (Alloy 20); ASTM A240-22 (316L); ASTM B625-22 (904L και Sanicro 28); ASTM B582-23 (Hastelloy G-30); ASTM B127-23 (Monel 400); Special Metals SMC-064 (Κράμα 20); Haynes International H-2000 (Hastelloy G-30); Φύλλο δεδομένων Rolled Alloys Sanicro 28; NACE MR0175/ISO 15156-3:2015; Schweitzer, PA, Corrosion Resistance Tables (6th ed., CRC Press, 2011)

Πίνακας 7: Πίνακας απόφασης επιλογής υλικού - Σενάρια υπηρεσίας θειικού οξέος έναντι συνιστώμενων κραμάτων

Πηγή: Δημοσίευση NACE 34103; Εγχειρίδιο ASM Τόμος. 13C; Ειδικά Μέταλλα SMC-064; Haynes International H-2000; ASTM G31-21a; Schweitzer, PA, Corrosion Resistance Tables (6th ed., CRC Press, 2011); EPRI NP-2813; Jones and Sridhar, NACE Corrosion 2000, Paper 00247; Jones, DA, Principles and Prevention of Corrosion (3η έκδοση, Prentice Hall, 1996)

Οριστικό συμπέρασμα:For the 10-80% H₂SO₄ concentration range, Alloy 20 and its Cb-3 variant cover the largest application space. Above 80°C in 50-80% H₂SO₄, Hastelloy G-30 (PREN 42-52) is the correct upgrade - providing 2-3x higher corrosion resistance. For concentrated acid (>85%) σε οποιαδήποτε αυξημένη θερμοκρασία, το κράμα 20 αντενδείκνυται. 316L ή Ταντάλιο είναι σωστά. Το μοναδικό μεγαλύτερο σφάλμα επιλογής υλικού είναι ο καθορισμός 316L στην περιοχή 30-70% H2SO4 - θα αποτύχει.

Βιομηχανικές εφαρμογές του κράματος 20 σε θειικό οξύ

Γραμμές αποστράγγισης μετάλλων

Το πάστωμα μετάλλων αφαιρεί τα άλατα οξειδίου του σιδήρου από επιφάνειες χάλυβα, ανοξείδωτου χάλυβα και κράματος χρησιμοποιώντας θειικό οξύ (ή υδροχλωρικό οξύ). Το περιβάλλον τουρσί είναι εξαιρετικά επιθετικό:

· Τυπική συγκέντρωση οξέος: 8-20% H2SO4 στους 50-80 βαθμούς

· Διαλυμένος σίδηρος (Fe²⁺/Fe3⁺) από την κλίμακα διάλυσης - αυτά τα είδη επιταχύνουν τη διάβρωση

· Ιόντα χλωρίου (Cl-) που εισάγονται από την όξινη πρώτη ύλη ή το νερό έκπλυσης

· Μηχανική ανάδευση και φυσαλίδες αέρα - εξαιρετικά τυρβώδεις συνθήκες

· Συνεχής έκθεση σε φρέσκο ​​οξύ ανακύκλωση μεταξύ των παρτίδων

Το κράμα 20 είναι το τυπικό υλικό για την κατασκευή δεξαμενής αποστράγγισης σε συγκεντρώσεις πάνω από 10% H2SO4 και θερμοκρασίες πάνω από 60 βαθμούς. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και συγκεντρώσεις, επαρκεί ο ανοξείδωτος χάλυβας 316 λίτρων με-καουτσούκ επένδυση από ανθρακούχο χάλυβα.

Παραγωγή φωσφορικών λιπασμάτων (Υγρό-Φωσφορικό οξύ διεργασίας)

Η διαδικασία υγρής διεργασίας φωσφορικού οξέος (WPA) διαλύει το φωσφορικό πέτρωμα σε 25-55% H2SO4 για την παραγωγή φωσφορικού οξέος (H3PO4). Αυτή η διαδικασία παράγει γύψο (CaSO4·2H2O) ως παραπροϊόν. Το κράμα 20 χρησιμοποιείται σε:

· Πλυστήρες και ταξινομητές γύψου - όπου 30-55% H2SO4 σε 60-80 μοίρες έρχεται σε επαφή με το κράμα

· Καθιζητές οξέων και διαυγαστές - που διαχωρίζουν τον γύψο από το οξύ

· Δεξαμενή από ήπιο χάλυβα με επένδυση ή επικάλυψη από κράμα 20 - που παρέχει την αντίσταση στη διάβρωση του κράματος 20 με κόστος ανθρακούχου χάλυβα

· Εναλλάκτες θερμότητας στο σύστημα εξατμιστή - όπου 40-55% μίγμα H2PO4/H2SO4 στους 80-100 βαθμούς απαιτεί κράμα 20 ή Hastelloy G-30

Υδρομεταλλουργική έκπλυση χαλκού και νικελίου

Στην έκπλυση θειούχων μεταλλευμάτων, το θειικό οξύ χρησιμοποιείται για τη διάλυση του χαλκού και του νικελίου από τη μήτρα του μεταλλεύματος. Το διάλυμα έκπλυσης εγκύου (PLS) συνήθως περιέχει:

· 5-30 g/L H2SO4 (pH 1,0-2,0)

· Χαλκός υψηλής διαλυτότητας (Cu²⁺ 1-10 g/L)

· Υψηλός διαλυτός σίδηρος (Fe3⁺ 1-5 g/L) · Χλώριο (Cl-) 0,5-3 g/L σε ορισμένες εργασίες

· Θερμοκρασία: 25-70 βαθμοί ανάλογα με το σχεδιασμό της διαδικασίας

Το κράμα 20 είναι το τυπικό υλικό για την έκπλυση αντιδραστήρων, τα αναδευόμενα δοχεία έκπλυσης και τους αγωγούς διαλύματος σε εργασίες έκπλυσης σωρού χαλκού και νικελίου. Ο συνδυασμός οξέος, σιδήρου σιδήρου (Fe³+ - ένα ισχυρό οξειδωτικό) και χλωρίου το καθιστά ένα από τα πιο επιθετικά μη- περιβάλλοντα επεξεργασίας σιδηρούχων.

Αποθήκευση και μεταφορά θειικού οξέος

Το κράμα 20 χρησιμοποιείται ευρέως σε δεξαμενές αποθήκευσης θειικού οξέος, εναλλάκτες θερμότητας και συστήματα σωληνώσεων σε:

· Δεξαμενές υποδοχής οξέος - που λαμβάνουν παραδόσεις φορτηγών ή αυτοκινητάμαξας 93-98% H2SO4. Το 316L προτιμάται για αποθήκευση συμπυκνωμένου οξέος, αλλά το κράμα 20 χρησιμοποιείται για αεραγωγούς δεξαμενών και πλυντρίδες όπου σχηματίζεται αραιό συμπύκνωμα οξέος

· Εναλλάκτες θερμότητας (κέλυφος HRS-πλευρά) - το ζεστό, συμπυκνωμένο ρεύμα οξέος στα συστήματα ανάκτησης θερμότητας λειτουργεί στους 100-180 βαθμούς. Εδώ προτιμώνται το Hastelloy G-30 ή το ταντάλιο και όχι το τυπικό κράμα 20

· Περιβλήματα αντλιών και σώματα βαλβίδων - για ενδιάμεση μεταφορά οξέος. Τα χυτά κράματα 20 (ASTM A743 Grade CF-3M ή CN-7M) είναι στάνταρ

· Γραμμές και όργανα δειγματοληψίας - Σωλήνας και εξαρτήματα κράματος 20 για αντιπροσωπευτική δειγματοληψία οξέος χωρίς μόλυνση

Μελέτες περίπτωσης

Πίνακας 8: Μελέτες περίπτωσης - Απόδοση κράματος 20 στην υπηρεσία θειικού οξέος σε τρεις κύριες βιομηχανικές εφαρμογές

Πηγή: Περίπτωση 1: με βάση επιχειρησιακά δεδομένα από επιχειρήσεις έκπλυσης χαλκού στη Χιλή, Χιλή. Περίπτωση 2: Γραμμή επεξεργασίας ταινιών από ανοξείδωτο χάλυβα Ταϊβάν, 2019-2023. Περίπτωση 3: Μαροκινό εργοστάσιο λιπασμάτων φωσφορικών, δεδομένα αναφοράς GCT (Groupe Chimique Tunisien) προσαρμοσμένα για επεξήγηση. όλες οι περιπτωσιολογικές μελέτες χρησιμοποιούν ρεαλιστικές παραμέτρους του κλάδου που έχουν επικυρωθεί σε σχέση με τη δημοσιευμένη βιβλιογραφία στο EPRI NP-2813 και Schweitzer, PA, Corrosion Resistance Tables (CRC Press, 2011). συγκεκριμένα ονόματα και τοποθεσίες φυτών είναι ενδεικτικά

Οριστικό συμπέρασμα:Το κράμα 20 είναι το οριστικό υλικό για την υπηρεσία θειικού οξέος στην αποξήρανση μετάλλων, την επεξεργασία φωσφορικών αλάτων και την υδρομεταλλουργική έκπλυση - οι τρεις μεγαλύτερες βιομηχανικές χρήσεις του θειικού οξέος μετά τη διύλιση πετρελαίου. Η σταθεροποιημένη χημεία του με νιόβιο-διασφαλίζει ότι η ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα-διατηρεί την πλήρη αντίσταση στη διάβρωση μετά τη συγκόλληση, καθιστώντας την μοναδικά αξιόπιστη στη συγκολλημένη κατασκευή σε σύγκριση με τους μη σταθεροποιημένους ανοξείδωτους χάλυβες.

Συχνές Ερωτήσεις (FAQ)

Ε: Γιατί το νιόβιο (Nb) είναι τόσο σημαντικό στο κράμα 20 για την υπηρεσία θειικού οξέος;

Α: Το νιόβιο σε ελάχιστη αναλογία 8:1 προς άνθρακα (Nb μεγαλύτερο ή ίσο με 8 × C, τυπικά 0,5-1,0% Nb στην πράξη) είναι το καθοριστικό μηχανικό χαρακτηριστικό του κράματος 20.

Κατά τη διάρκεια συγκόλλησης ή συντήρησης σε υψηλές{0} θερμοκρασίες, ο άνθρακας στους ωστενιτικούς ανοξείδωτους χάλυβες (304L, 316L) διαχέεται στα όρια των κόκκων και συνδυάζεται με το χρώμιο για να σχηματίσει καρβίδιο χρωμίου Cr23C6. Αυτό εξαντλεί το χρώμιο από τις ζώνες που γειτνιάζουν με τα όρια των κόκκων (δημιουργώντας "ζώνες με εξάντληση χρωμίου{{4}"), καθιστώντας αυτές τις ζώνες ανοδικές σε σχέση με την υπόλοιπη μήτρα. Σε όξινα περιβάλλοντα, οι ανοδικές ζώνες διαβρώνονται κατά προτίμηση κατά μήκος των ορίων των κόκκων - αυτό ονομάζεται διακοκκώδης προσβολή (IGA) ή ευαισθητοποίηση.

Στο κράμα 20, το νιόβιο έχει μεγαλύτερη συγγένεια για τον άνθρακα από το χρώμιο. Το νιόβιο αντιδρά με τον άνθρακα για να σχηματίσει NbC (καρβίδιο του νιοβίου), το οποίο είναι θερμοδυναμικά πιο σταθερό από το Cr23C6. Αυτό σημαίνει ότι όλος ο άνθρακας είναι "κλειδωμένος" ως NbC, αφήνοντας το χρώμιο ελεύθερο σε στερεό διάλυμα για να παρέχει αντίσταση στη διάβρωση σε όλο το υλικό - συμπεριλαμβανομένης της θερμότητας-επηρεαζόμενης ζώνης (HAZ) δίπλα στις συγκολλήσεις. Κανένας ανοξείδωτος χάλυβας χωρίς σταθεροποίηση από νιόβιο ή τιτάνιο δεν μπορεί να προσφέρει αυτή τη διαβεβαίωση. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το Alloy 20 μπορεί να συγκολληθεί με σιγουριά, ενώ τα HAZ συγκόλλησης 316L διατρέχουν πάντα τον κίνδυνο IGA στην υπηρεσία θειικού οξέος.

Ε: Είναι το κράμα 20 το καλύτερο κράμα νικελίου για ΟΛΕΣ τις συγκεντρώσεις θειικού οξέος;

Α: Όχι. Το κράμα 20 είναι βελτιστοποιημένο για την αναγωγική-ζώνη θειικού οξέος (0-85% H2SO4). Πάνω από περίπου 85% H2SO4, το οξύ γίνεται ισχυρά οξειδωτικό (λόγω της θερμικής αποσύνθεσης παράγοντας SO3 και O2) και ο χαλκός στο κράμα 20 προσβάλλεται οξειδωτική.

For concentrated acid (>85%) at elevated temperatures: 316L or 310S stainless steel is preferred for 85-98% H₂SO₄ above 80°C; Tantalum (Ta) is the only practical material for fuming oleum (>98%) σε οποιαδήποτε θερμοκρασία πάνω από το περιβάλλον. Για το πιο επιθετικό ενδιάμεσο εύρος (50-80% H2SO4 πάνω από 80 μοίρες), το Hastelloy G-30 (UNS N06030, PREN 42-52) ή το Sanicro 28 (UNS N08028) θα πρέπει να προσδιορίζεται αντί του τυπικού κράματος alloy not purpos 20. υλικό θειικού οξέος.

Ε: Ποια είναι η διαφορά μεταξύ των Alloy 20, Alloy 20Cb-3 και Alloy 20 Mod.;

A: Standard Alloy 20 (UNS N08020): C Μικρότερο ή ίσο με 0,07%, Nb μεγαλύτερο ή ίσο με 8 × C, Cu 3-4%, Mo 2-3%. Αυτή είναι η πιο διαδεδομένη και φθηνότερη παραλλαγή. Κράμα 20Cb-3 (ίδιο UNS N08020, με Si 0,5-1,0% προστιθέμενο): Προστίθεται πυρίτιο για τη βελτίωση της αντοχής στη διάβρωση στην περιοχή 50-80% H2SO4 σε θερμοκρασίες έως 90-95 βαθμούς.

Η τροποποιημένη χημεία Si-σχηματίζει ένα παθητικό φιλμ εμπλουτισμένο με πυρίτιο-που είναι πιο ανθεκτικό στις μικτές αναγωγικές-οξειδωτικές συνθήκες στη ζώνη μετάβασης. Το Cb-3 είναι η προτιμώμενη παραλλαγή για θερμό οξύ άνω των 75 βαθμών στην περιοχή ενδιάμεσης συγκέντρωσης. Alloy 20 Mod. / Χαμηλό-Παραλλαγή Si (C μικρότερο ή ίσο με 0,04%): Έκδοση χαμηλότερου άνθρακα με μειωμένο Si (Μικρότερο ή ίσο με 0,3%). Το χαμηλό Si βελτιώνει την σκληρότητα στην κρυογονική υπηρεσία και μειώνει τον κίνδυνο ευθραυστότητας της φάσης σίγμα κατά τη διάρκεια-μακροχρόνιας έκθεσης σε υψηλή θερμοκρασία. Δεν είναι μια σημαντική εμπορική μορφή προϊόντος.

Ε: Μπορεί το κράμα 20 να χρησιμοποιηθεί σε θειικό οξύ με μόλυνση από χλωριούχα;

Α: Ναι, αλλά με περιορισμούς. Το κατώφλι χλωρίου για το κράμα 20 σε θειικό οξύ είναι περίπου 200 ppm Cl- στους 60 βαθμούς σε 20% H2SO4. Πάνω από αυτό το επίπεδο, ο συνδυασμός H+ (προσβολή οξέος) και Cl- (εκκινητής σκασίματος) παράγει ταυτόχρονη γενική διάβρωση και διάβρωση.

Για χλωριούχο-θειικό οξύ (συνήθη σε: λουτρά αποστράγγισης όπου το HCl αναμιγνύεται με H2SO4, διαλύματα έκπλυσης εξόρυξης με αλατούχο νερό, μείγματα οξέων με μόλυνση με ψύξη θαλασσινού νερού), ισχύει η ακόλουθη ιεραρχία: Cl- < 200 ppm 200 ppm σε H₁te → All SO 200-1.000 ppm σε H2SO4 → Hastelloy G-30 συνιστάται Cl- > 1.000 ppm → Απαιτείται Hastelloy C-276 ή C-22 (μόνο η σειρά Hastelloy C επιβιώνει σε συνδυασμούς θειικού + χλωριούχου άλατος πάνω από το 1,0 ppm της συγκεκριμένης διεργασίας σας Cl-00) πριν καθορίσετε το κράμα 20.

Ε: Τι προκαλεί την πρόωρη αστοχία των πλοίων Alloy 20 στην υπηρεσία θειικού οξέος;

Α: Οι πέντε πιο κοινές αιτίες της πρόωρης αστοχίας του Alloy 20 στο θειικό οξύ είναι:

(1) Αντικατάσταση βαθμού: 316L ή 904L που παρέχονται αντί για κράμα 20 - PMI (XRF) κατά την παραλαβή θα το είχε αποτρέψει.

(2) Αναντιστοιχία πλήρωσης συγκόλλησης: πληρωτικό από ανοξείδωτο χάλυβα (308L, 316L) που χρησιμοποιείται αντί του πληρωτικού ERNiCrMo-3 - ERNiCrMo-3 είναι υποχρεωτικό.

(3) Παράβλεψη ταχύτητας: τυρβώδης ροή ( > 2 m/s) σε ενδιάμεσο οξύ που προκαλεί διάβρωση-διάβρωση πολύ πάνω από τους εργαστηριακούς ρυθμούς δοκιμής βύθισης - σχεδίαση για όρια ταχύτητας και χρήση Hastelloy G-30 για ζώνες υψηλής ταχύτητας.

(4) Λανθασμένος υπολογισμός θερμοκρασίας: θερμοκρασία λειτουργίας πάνω από το όριο ισοδιάβρωσης για τη συγκεκριμένη συγκέντρωση οξέος - επαν-ελέγξτε με τη μηχανική διαδικασίας και εξετάστε το Hastelloy G-30 για θερμοκρασίες 10-20 βαθμούς πάνω από τα όρια του κράματος 20.

(5) Συμπύκνωση οξέος στον χώρο ατμών: ανεπαρκής προδιαγραφή υλικού για τον χώρο ατμών πάνω από το επίπεδο όξινου υγρού - ο χώρος ατμών οποιουδήποτε δοχείου θειικού οξέος άνω των 40 μοιρών πρέπει να είναι κράμα 20 ή Hastelloy, όχι ανθρακούχο χάλυβας ή 316L.

Ε: Ποια είναι η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας για το κράμα 20 σε θειικό οξύ;

Α: Η μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας εξαρτάται από τη συγκέντρωση οξέος. Σε αραιό οξύ (0-10% H2SO4): Το κράμα 20 διατηρείται<0.5 mm/yr up to approximately 90°C. 

Σε ενδιάμεσο οξύ (10-50% H2SO4): Το κράμα 20 είναι αξιόπιστο στους 80-90 βαθμούς. Στην πιο επιθετική ζώνη μετάβασης (50-80% H2SO4): το τυπικό κράμα 20 φτάνει το όριό του στους 75-80 βαθμούς περίπου - χρησιμοποιήστε παραλλαγή Cb-3 ή Hastelloy G-30 πάνω από 80 βαθμούς.

Σε πυκνό οξύ (85-98% H2SO4): Το κράμα 20 ΔΕΝ συνιστάται πάνω από 40 βαθμούς (316L ή ταντάλιο είναι σωστά για αυτό το εύρος). Αυτές είναι συνθήκες ηρεμίας (χωρίς-ροή). Σε τυρβώδη ροή, μειώστε όλα τα όρια θερμοκρασίας κατά 10-15 βαθμούς για να λάβετε υπόψη το φαινόμενο διάβρωσης αυξημένης ταχύτητας.

Ε: Πώς συγκρίνεται οικονομικά το κράμα 20 με τον ανοξείδωτο χάλυβα 316L σε θειικό οξύ;

Α: Το κράμα 20 φύλλων κοστίζει περίπου 5-7 φορές περισσότερο ανά κιλό από το φύλλο 316L.

Ωστόσο, η ανάλυση συνολικού εγκατεστημένου κόστους λέει μια διαφορετική ιστορία: 316L σε 30% H2SO4 στους 60 βαθμούς: ρυθμός διάβρωσης 1-2 mm/έτος. Με πάχος τοιχώματος 6 mm (συμπεριλαμβάνεται το επίδομα διάβρωσης), το δοχείο 316L χρειάζεται αντικατάσταση κάθε 3-5 χρόνια. Κράμα 20 σε 30% H2SO4 στους 60 βαθμούς: ρυθμός διάβρωσης 0,1-0,2 mm/έτος.

Με το ίδιο τοίχωμα 6 mm, το σκάφος Alloy 20 έχει σχεδιαστεί για 20+ χρόνια με ελάχιστη συντήρηση. Το πλεονέκτημα κόστους κύκλου ζωής-του Alloy 20 είναι συνήθως 3-5× σε μια περίοδο 20 ετών, όπου περιλαμβάνονται οι δαπάνες διακοπής λειτουργίας, αντικατάστασης και περιβαλλοντικής συμμόρφωσης. Η μόνη εξαίρεση είναι το αραιό οξύ (<10%) at <50°C, where 316L lasts adequately and Alloy 20 premium cost cannot be justified.