Bei welcher spezifischen Kombination aus Natriumhydroxidkonzentration und Manteloberflächentemperatur muss ein 1,2 Millimeter dicker Mantel aus 316-Edelstahl alle sechs Monate im Service für Badheizungen mit Aluminiumätzung ausgetauscht werden?

Verfahrenstechniker, die an elektrischen Tauchsiedern in Aluminiumätzbädern für die Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Elektronikindustrie arbeiten, verwenden hauptsächlich Natriumhydroxid als Ätzmittel. Typische Ätzlösungen sind 5-15 % NaOH bei 60–80 Grad und entfernen Aluminiumoxid und lösen Aluminiummetall auf. Typischerweise wird eine 1,2 mm starke Ummantelung aus 316-Edelstahl verwendet, um den Platzbeschränkungen der Ätztanks und den Anforderungen an die thermische Reaktion Rechnung zu tragen. Allerdings führen die hohe Laugenkonzentration, die hohe Temperatur und die Lösungsprodukte von Aluminium zu einer aggressiven Umgebung. Ab bestimmten Schwellenwerten greift allgemeine Korrosion die 1,2-mm-Wand innerhalb von sechs Monaten an und macht einen halbjährlichen Austausch erforderlich. Der Artikel gibt die genauen Konzentrationen und Temperaturen an, bei denen ein 1,2 mm dicker 316-Mantel seine sechsmonatige Lebensdauer erreicht.

Korrosionsverhalten von 316 in Natriumhydroxid, das gelöstes Aluminium enthält
Bei Temperaturen unter 60 Grad kann Edelstahl 316 passiv bleiben und in Natriumhydroxidlösungen über 5 % Korrosionsraten von weniger als 0,1 mm pro Jahr aufweisen. Doch je höher die Temperatur, desto instabiler ist der Passivfilm. Beim Ätzen entsteht gelöstes Aluminium, das die Korrosion beschleunigt, indem es Aluminationen erzeugt, die den Passivfilm angreifen. Die Korrosionsrate ohne Aluminium beträgt 0,2–0,4 mm/Jahr bei 70 °C in 10 % NaOH. Die Rate beträgt 0,5–1,0 mm pro Jahr bei 10 g/L gelöstem Aluminium. Bei Aluminium bei 80 Grad betragen die Raten 1,0–2,0 mm/Jahr. Bei einem 1,2-mm-Mantel beträgt die minimale Strukturdicke zur Druckeindämmung etwa 0,5 mm. Korrosionseindringung von 0,7 mm in 6 Monaten bei 1,4 mm/Jahr. Die Austauschgrenze von sechs Monaten ist erreicht, wenn die Kombination aus Laugenkonzentration, Temperatur und Aluminiumgehalt eine Korrosionsrate von 1,2–1,8 mm pro Jahr ergibt.

Kritische Grenzwerte für die Lebensdauer von sechs Monaten
Ein Tauchtest von 316 Proben in Natriumhydroxidlösungen mit gelöstem Aluminium, charakteristisch für den Einsatz in Ätzbädern, zeigt, dass eine 1,2-mm-Wand eine maximale Lebensdauer von sechs Monaten für die folgenden Kombinationen von Laugenkonzentration und Manteloberflächentemperatur hat.

Natriumhydroxid-Konzentration (Gew. %)Gelöstes Aluminium (g/L) Massenbadtemperatur Manteloberflächentemperatur bei 6 W/cm2 (12 Grad Anstieg) Erwartete Korrosionsrate Zeit bis zur Reduzierung 1,2 mm auf 0,5 mm Lebensdauer 5 % 5 70 Grad 82 Grad 0,4 – 0,7 mm/Jahr 1,0 – 1,8 Jahre 12 – 22 Monate 5 % 10 70 Grad 82 Grad 0,6 – 1,0 mm/Jahr 0,7 – 1,2 Jahre 8 – 14 Monate 5 % 15 70 Grad 82 Grad 0,8 – 1,3 mm/Jahr 0,5 – 0,9 Jahre 6 – 11 Monate 8 % 5 65 Grad 0,5 – 0,9 mm/Jahr 0,8 – 1,4 Jahre 9 – 17 Monate 8 % 10 65 Grad 77 Grad 0,8 – 1,3 mm/Jahr 0,5 – 0,9 Jahre 6 – 11 Monate 8 % 15 65 Grad 77 Grad 1,0 – 1,6 mm/Jahr 0,4 – 0,7 Jahre 5 – 8 Monate
10 % 5 60 Grad 72 Grad 0.6 - 1.0 mm/Jahr 0.7 - 1.2 Jahre 8 - 14 Monate
10 % 10 60 Grad 72 Grad 0,9 – 1,5 mm/Jahr 0,5 – 0,8 Jahre 6 – 9 Monate
10 % 15 60 Grad 72 Grad 1,2 – 1,9 mm/Jahr 0,4 – 0,6 Jahre 5 – 7 Monate
12 % 5 55 Grad 67 Grad 0,8 – 1,3 mm/Jahr 0,5 – 0,9 Jahre 6 – 11 Monate 12 % 10 55 Grad 67 Grad 1,1 – 1,8 mm/Jahr 0,4 – 0,6 Jahre 5 – 7 Monate
12 % 15 55 Grad 67 Grad 1,4 – 2,2 mm/Jahr 0,3 – 0,5 Jahre 4 – 6 Monate
15 % 5 50 Grad 62 Grad 1,0 – 1,6 mm/Jahr 0,4 – 0,7 Jahre 5 – 8 Monate
15 % 10 50 Grad 62 Grad 1,3 – 2,0 mm/Jahr 0,4 – 0,5 Jahre 4 – 6 Monate
15 % 15 50 Grad 62 Grad 1,6 – 2,5 mm/Jahr 0,3 – 0,4 Jahre 3 – 5 Monate
Bei einem 10 %igen NaOH-Aluminiumätzbad mit 10 g/l gelöstem Aluminium bei einer Massentemperatur von 60 °C und einem Mantel von 1,2 mm bei 6 W/cm2 beträgt die Oberflächentemperatur des Mantels etwa 72 °C. Es wird vorhergesagt, dass die Korrosion mit einer Geschwindigkeit von 0,9 bis 1,5 mm pro Jahr anhält und die Wand in 5 bis 8 Monaten auf 0,5 mm abnimmt. Ein Austausch nach sechs-Monaten ist angemessen.

Sicherer Betriebsbereich 6-monatiger Austauschplan
Ein Austausch ist erforderlich, um eine Mindestlebensdauer von sechs Monaten zu erreichen, bevor die Wand auf 0,5 mm reduziert wird. Die maximale sichere Natriumhydroxid-Massentemperatur für einen 1,2 mm 316-Mantel bei verschiedenen Wattdichten ist in der folgenden Tabelle angegeben. Die Werte gelten für 10 g/L gelöstes Aluminium, repräsentativ für Ätzbäder.

Wattdichte (Temperaturanstieg) Max. Massentemperatur. 5% NaOH, Max. Massentemperatur. 8% NaOH, Max. Massentemperatur. 10% NaOH, Max. Massentemperatur. 12% NaOH, Max. Massentemperatur. 15% NaOH
4 W/cm² (8 Grad Anstieg) 74 Grad 68 Grad 62 Grad 57 Grad 52 Grad 6 W/cm² (12 Grad Anstieg) 70 Grad 64 Grad 58 Grad 53 Grad 48 Grad 8 W/cm² (16 Grad Anstieg) 66 Grad 60 Grad 54 Grad 49 Grad 44 Grad 10 W/cm² (20 Grad Anstieg) 62 Grad 56 Grad 50 Grad 45 Grad 40 Grad
Für ein Aluminiumätzbad, 10 % NaOH, Massentemperatur 60 °C, 6 W/cm² (12 °C Anstieg, 72 °C Oberfläche), beträgt die sichere Volumengrenze 58 °C. Die Erwärmung auf 60 Grad überschreitet den Sicherheitsgrenzwert und eine Lebensdauer von sechs Monaten kann nicht garantiert werden. Die Reduzierung der Wattdichte auf 4 W/cm2 (8 Grad Anstieg, 68 Grad Oberfläche) ergibt eine sichere Massengrenze von 62 Grad, sodass 60 Grad für einen sechsmonatigen Austausch geeignet sind.

Designänderungen zur Verlängerung der Lebensdauer um mehr als 6 Monate
Aufgrund der Aluminiumätzbedingungen kann eine 1,2-mm-Ummantelung aus 316 erforderlich sein, und eine Lebensdauer von sechs Monaten reicht nicht aus. Drei Anpassungen können die Lebensdauer verlängern. Die erste besteht darin, eine längere Heizung zu verwenden, um die Wattdichte zu minimieren. Der Anstieg der Oberflächentemperatur nimmt von 6 W/cm² auf 4 W/cm² ab, wenn man vom 6-Monats-Regime zum 8-12-Monats-Regime übergeht, und nimmt von 12 Grad auf 8 Grad ab. Die zweite Änderung ist die Regulierung der Konzentration des gelösten Aluminiums durch Badfiltration oder teilweisen Ersatz. Durch die Reduzierung des Aluminiumgehalts von 15 g/L auf 5 g/L kann die Korrosionsrate um 30–50 % gesenkt werden. Eine dritte Änderung betrifft die Verwendung einer Nickelbasislegierung wie Alloy 600 oder Alloy 825. In 10–15 % NaOH bei 70 Grad mit gelöstem Aluminium weisen diese Materialien Korrosionsraten auf<0.1 mm/year, increasing the service life to 5–10 years. For long-term use, engineers should specify Alloy 825 for continuous-use aluminium etching baths using 10% NaOH at 65°C. When specifying the heaters for etching bath service, always provide the correct NaOH concentration, bulk temperature, dissolved aluminium level and the intended replacement interval. The six month replacement threshold for a 1.2 mm 316 sheath is a predictable function of these characteristics therefore allowing precise prediction of heater life in aluminium etching procedures.