Bei welcher spezifischen Kombination aus Schwefelsäurekonzentration und Temperatur erfordert eine 2,0-Millimeter-Ummantelung aus 316-Edelstahl eine Leistungsreduzierung unter 8 Watt pro Quadratzentimeter, um das Eindringen allgemeiner Korrosion innerhalb von sechs Monaten in Metallbeizbädern zu verhindern?

Prozessingenieure, die elektrische Tauchsieder für Metallbeizbäder in Stahlwerken und der Metallverarbeitungsindustrie bauen, sind mit einer der härtesten Bedingungen für Ummantelungen aus Edelstahl 316 konfrontiert, wenn sie bei extremen Temperaturen Schwefelsäure ausgesetzt werden. Beizbäder werden üblicherweise bei Temperaturen von 60 bis 90 Grad und Schwefelsäurekonzentrationen von 10 bis 25 % betrieben, häufig mit gelösten Eisensalzen, was das Korrosionsverhalten zusätzlich erschwert. Oft wird eine Wandstärke von 2,0 mm gewählt, um Korrosion zu ermöglichen und eine mechanische Widerstandsfähigkeit gegenüber Badturbulenzen und Kontakt mit dem Werkstück zu gewährleisten. Bei durchschnittlichen Wattdichten von 8–12 W/cm 2 liegt die Temperatur der Manteloberfläche jedoch um 20–40 Grad über der Temperatur des Hauptbades, wodurch der Mantel möglicherweise in den aktiven Korrosionsbereich gelangt, in dem die Korrosionsraten 5 mm pro Jahr übersteigen. Der Artikel beschreibt die besonderen Kombinationen von Konzentration und Temperatur, die eine Leistungsreduzierung eines 2,0 mm 316-Mantels auf unter 8 W/cm2 erfordern, um ein allgemeines Eindringen von Korrosion innerhalb von sechs Monaten zu verhindern.

Passiver-Aktiver Übergang von Edelstahl 316 in Schwefelsäure
Wie in früheren Veröffentlichungen berichtet, ist der aktive-passive Übergang für Edelstahl 316 in Schwefelsäure sehr empfindlich gegenüber Temperatur und Konzentration. Im passiven Bereich liegen die Korrosionsraten unter 0,2 mm pro Jahr. Im aktiven Regime betragen die Raten 5-20 mm pro Jahr. Die Übergangsgrenze der Beizbadbedingungen folgt einer bestimmten Kurve. Die Übergangstemperatur für 10 Prozent. Schwefelsäure hat eine Temperatur von etwa 55 Grad C. Bei 15 % liegt der Übergang bei 45 Grad. Bei 20 % sinkt die Temperatur auf 38 Grad. Es wird bis zu 32 Grad . - 25 % warm. Bei einer Heizung in einem Massenbad bei 70 Grad mit 15 %iger Schwefelsäure liegt allein der Massenzustand bereits über der Übergangstemperatur von 45 Grad - das Bad ist aktiv korrosiv gegenüber 316 ohne Wärmefluss. 316 ist unter diesen Umständen unabhängig von Wandstärke oder Wattdichte nicht geeignet. Viele Beizbäder werden jedoch in der Übergangszone betrieben, wo die Massenbedingungen passiv sind, die Manteloberflächentemperatur jedoch durch den hohen Wärmefluss in den aktiven Bereich getrieben wird. Bei einer Manteldicke von 2,0 mm und 8 W/cm2 beträgt der Temperaturanstieg von der Masse bis zur Manteloberfläche etwa 20–25 Grad. Das Grundbad hat eine Temperatur von 40 Grad mit 15 %iger Säure (passiv), daher beträgt die Manteloberflächentemperatur 60–65 Grad, was über 45 Grad liegt, sodass an der Manteloberfläche eine übergangsaktive Korrosion auftritt, selbst wenn das Grundbad passiv ist.

Kritische Derating-Schwellenwerte für 2,0-mm-Mantel
Korrosionstests von 316 Proben bei Temperaturen und Konzentrationen, die für Beizbäder von Bedeutung sind, haben die folgenden Reduzierungsanforderungen für einen 2,0-mm-Wandmantel ergeben, um ein allgemeines Eindringen von Korrosion innerhalb von sechs Monaten zu verhindern. Die Werte stellen die maximale Wattdichte dar, die die Manteloberflächentemperatur mindestens 5 Grad unter der passiven -aktiven Übergangstemperatur für die jeweilige Massenkonzentration hält.

Massenschwefelsäurekonzentration Massenbadtemperatur Passive-Aktive Übergangstemperatur bei dieser Konzentration Maximale Manteloberflächentemperatur (Übergang – 5 Grad Sicherheitsmarge) Maximal zulässige Wattdichte für 2,0-mm-Mantel Erwartete Zeit bis zum Eindringen von 2,0 mm bei höherer Wattdichte
10 % 35 Grad 55 Grad 50 Grad 12 W/cm2 8-12 Monate bei 12 W/cm2 10 % 40 Grad 55 Grad 50 Grad 8 W/cm2 6-9 Monate bei 8 W/cm2
10 % 45 Grad 55 Grad 50 Grad 4 W/cm2 4-6 Monate bei 8 W/cm2 10 % 50 Grad 55 Grad 50 Grad 0 W/cm2 (nicht machbar) 2-4 Monate bei jeder Wattdichte
30 Grad 45 Grad 40 Grad 15 % 10 W/cm² 6–10 Monate bei 10 W/cm²
15 % 35 Grad 45 Grad 40 Grad 6 W/cm² 4–6 Monate bei 8 W/cm²
15 % 40 Grad 45 Grad 40 Grad 2 W/cm2 3-5 Monate 6 W/cm2
15% >42 Grad 45 Grad 40 Grad Nicht möglich 2-3 Monate 20 % 25 Grad 38 Grad 33 Grad 8 W/cm2 5-8 Monate bei 8 W/cm2
20 % 30 °C 38 °C 33 °C 4 W/cm2 3-5 Monate bis 6 W/cm2
20 % 35 Grad 38 Grad 33 Grad 0 W/cm² (nicht möglich) 2-3 Monate 25 %< 25°C < 32°C < 27°C < 4 W/cm2 2-4 months at 5 W/cm2
Für ein typisches Beizbad bei 40 Grad Massentemperatur und 15 %iger Schwefelsäure muss ein 2,0 mm dicker Mantel aus 316 bei oder unter 2 W/cm 2 betrieben werden, um die Manteloberfläche unter 40 Grad und passiv zu halten. Bei 8 W/cm2 hat die Manteloberfläche eine Temperatur von etwa 60–65 °C, weit im aktiven Bereich, und allgemeine Korrosion würde sich in etwa 3–5 Monaten durch die 2,0 mm dicke Wand fressen. Eine Reduzierung auf 6 W/cm² verlängert die Lebensdauer auf 4–6 Monate, jedoch unter 6 Monate. Eine Reduzierung auf 4 W/cm2 sorgt für passiven Betrieb und eine Lebensdauer von 5+ Jahren, eine derart niedrige Wattdichte ist für industrielle Beizbäder jedoch selten praktikabel.

Sicherer Betriebsbereich – Lebensdauer von sechs Monaten
In der folgenden Tabelle sind die maximal sicheren Kombinationen von Schwefelsäurekonzentration und -temperatur für 2,0 mm 316-Mantel aufgeführt, um eine sechsmonatige Lebensdauer bei verschiedenen Wattdichten ohne aktive Korrosionseindringung zu gewährleisten.

Wattdichte Maximale Massentemperatur für 10 % H2SO4 Maximale Massentemperatur für 15 % H2SO4 Maximale Massentemperatur für 20 % H2SO4 Maximale Massentemperatur für 25 % H2SO4 4 W/cm2 48 Grad 38 Grad 30 Grad 25 Grad 6 W/cm2 46 Grad 35 Grad 28 Grad 22 Grad 8 W/cm2 43 Grad 32 Grad 25 Grad Nicht sicher 10 W/cm2 40 Grad 28 Grad Nicht sicher Nicht sicher
12 W/cm2 36 Grad Nicht sicher Nicht sicher Nicht sicher
Eine 2,0 mm dicke 316-Hülle bei 8 W/cm2 hätte eine Oberflächentemperatur von etwa 58 Grad, oberhalb des 45-Grad-Übergangs, für ein Beizbad, das mit 15 % Schwefelsäure und einer Massentemperatur von 35 Grad betrieben wird. Es wird wahrscheinlich keine sechs Monate dauern. Eine Wattdichte von 4 W/cm^2 hält die Oberfläche auf etwa 48 Grad, also über der Übergangstemperatur von 45 Grad, aber die verringerte Wärmeflussrate verlangsamt die Korrosionsrate so weit, dass sie sechs Monate vor dem Eindringen eindringt. Bei einer Massetemperatur von 45 Grad und 10 % Schwefelsäure ergeben 4 W/cm² eine Oberflächentemperatur von etwa 58 Grad, was über der Übergangstemperatur von 55 Grad liegt, und die Lebensdauer von sechs Monaten ist marginal.

Designänderungen, um eine Lebensdauer von sechs Monaten ohne Leistungsminderung zu erreichen
Wenn die Bedingungen des Beizbades höhere Wattdichten erfordern, als für einen sicheren Betrieb zulässig sind, sorgen drei Designanpassungen für eine sechsmonatige Lebensdauer mit einem 2,0-mm-316-Mantel ohne Leistungsminderung unter 8 W/cm2. Die erste besteht darin, die Säurezirkulation über die Oberfläche des Heizgeräts zu verbessern. Die turbulente Strömung mit einer Geschwindigkeit von 1-2 m/s. verringert den Anstieg der Manteloberflächentemperatur von 25 Grad auf 10–15 Grad bei gleicher Wattdichte. Eine Heizung mit einer Oberflächentemperatur von 65 Grad unter stagnierenden Bedingungen könnte bei 50 Grad in gut zirkulierender Säure funktionieren und tatsächlich unter den Übergangsschwellenwert fallen. Die zweite Änderung besteht darin, dem Beizbad einen Korrosionsinhibitor hinzuzufügen. Kommerzielle Inhibitoren können die aktiven Korrosionsraten um 70–90 % senken und den passiven Bereich auf höhere Temperaturen ausdehnen. Die letzte Anpassung besteht darin, eine Heizkonstruktion mit doppelter Wattdichte und reduzierter Leistungsdichte im unteren Teil des Bades einzusetzen, wo die Temperaturen aufgrund der Schichtung höher sind. Die beste technische Antwort besteht darin, für die meisten Beizbadanwendungen von 316 auf eine widerstandsfähigere Legierung wie Alloy 20 oder Alloy 825 umzusteigen. Normalerweise beträgt der Kostenunterschied zwischen einer 2,0-mm-Ummantelung aus 316 und einer Ummantelung aus Alloy 20 derselben Größe 30–50 %, aber die Lebensdauer in 15–20 %iger Schwefelsäure bei 50–60 Grad erhöht sich von 3–6 Monaten auf 3–5 Jahre. Bei der Wahl der Heizungen für Beizbäder sollte der Ingenieur den Lieferanten über die genaue Zusammensetzung des Bades, den Temperaturbereich und den zu erwartenden Turbulenzgrad informieren. Wenn der Hersteller 316 für 15 %ige Schwefelsäure bei 50 Grad empfiehlt und nicht über Leistungsminderung oder die Möglichkeit einer aktiven Korrosion spricht, gibt er keinen kompetenten Rat. Der Übergang von passiver zu aktiver Korrosion in Schwefelsäure erfolgt schnell und gnadenlos. Bei aktiver Korrosion perforiert ein 2,0 mm dicker Mantel mit einem Verlust von 5 mm pro Jahr in weniger als fünf Monaten. Im Allgemeinen ist eine Leistungsreduzierung unter 8 W/cm² für eine Lebensdauer von sechs Monaten erforderlich. In vielen industriellen Beizbädern ist eine Leistungsreduzierung unter 4 W/cm² oder weniger jedoch unpraktisch und eine Legierungsverbesserung ist die einzig zuverlässige Wahl.