Wenn ein mit Titan ummantelter elektrischer Heizer in einem kleinen Goldelutionsprozess (Cyanidlösung bei 110 Grad, 3 bar) verwendet wird, wie hängt dann die Wandstärke mit dem Risiko der Wasserstoffaufnahme und der anschließenden Versprödung zusammen?

Der grundlegende Kompromiss-bei der Gestaltung von Titanheizungen für die Cyanid-Gold-Elution
Bei der Goldelution werden Cyanidlösungen (0,5–2 % NaCN) bei 110 Grad und einem Druck von 3 bar verwendet, um Gold aus Aktivkohle zu entfernen. Titanummantelte Heizgeräte werden aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit für cyanidhaltige Medien gewählt. Aber in Cyanidlösungen kann Titan bei erhöhten Temperaturen Wasserstoff aufnehmen. In Cyanid ergibt die kathodische Reaktion Wasserstoff: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH- (in Abwesenheit von Sauerstoff). Atomarer Wasserstoff kann in das Titangitter eindringen. Wenn die Wasserstoffkonzentration 200–300 ppm erreicht, entsteht das spröde Titanhydrid (TiH 2 ), was zu Versprödung und Bruch führt. Die Wandstärke bestimmt den Gradienten der Wasserstoffkonzentration und die Zeit bis zum Erreichen kritischer Versprödungsgrade. Dicke Wände bieten mehr Platz für die Wasserstoffaufnahme vor Erreichen der kritischen Konzentration, aber auch längere Diffusionswege. In dieser Untersuchung wird der Zusammenhang zwischen der Wanddicke und dem Risiko einer Wasserstoffversprödung bei Hochtemperatur-Zyanidanwendungen untersucht.

Auswirkungen auf die mechanische Integrität: Wasserstoffdiffusion und Hydridbildung
Passivierung führt zu einer extrem niedrigen Korrosionsrate (<0.01 mm/y) of Grade 2 titanium in cyanide solutions at 110°C and 3 bar. However, the cathodic process generates atomic hydrogen, which can be absorbed to the lattice of titanium. The pace at which hydrogen is taken up depends on the concentration of cyanide, temperature and the presence of oxidising chemicals. The rate of absorption in deaerated cyanide (used in the pressurized elution columns) is 10-30 ppm/month. At this rate critical concentration (250 ppm) is achieved in 8-25 months. Titanium loses its ductility and may crack under residual loads from bending or welding when hydrides occur.

Das zweite Diffusionsgesetz von Fick setzt die Wanddicke mit der Zeit in Beziehung, die erforderlich ist, um die kritische Wasserstoffkonzentration zu erreichen. Bei einer Flachplattennäherung (konservativ für Rohre) hängt die Zeit bis zum Erreichen einer bestimmten Wasserstoffkonzentration in der mittleren -Dicke mit dem Quadrat der Dicke zusammen: t_kritisch ∝ t². Durch die Verdoppelung der Wandstärke vervierfacht sich die Zeit bis zur kritischen Versprödung an der Mittellinie. Die dickeren Wände bieten einen erheblichen Vorteil hinsichtlich der Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung.

Einfluss auf die thermische Leistung Temperaturgradient und Diffusion
Die Wasserstoffdiffusion wird durch den Wärmegradienten an der Titanwand beeinflusst. Der Wasserstoffdiffusionskoeffizient in Titan wird durch ein Arrhenius-Gesetz D=D_0 exp(-E_a/RT) angegeben. D=2.5 × 10⁻¹¹ m²/s bei 110 Grad. Der Temperaturverlust über einer 1,0-mm-Wand beträgt bei 2,0 W/cm 2 etwa 1,2 °C. Über einer 2,0-mm-Wand beträgt er 2,4 °C. Die Innenwand (in Kontakt mit der MgO-Isolierung) ist heißer und hat einen etwas größeren Diffusionskoeffizienten (in der Größenordnung von 5 % pro Grad). Dieser Gradient erhöht die Wasserstoffaufnahme bei dickeren Wänden etwas, was den t2-Gewinn teilweise ausgleicht. Der Gesamtzusammenhang besteht jedoch darin, dass größere Wände eine viel längere Lebensdauer ohne Versprödung ermöglichen.

Synthese des Kompromisses: Wandstärke vs. Zeit bis zur Versprödung
Wandstärke (mm) Wasserstoffabsorptionsrate (ppm pro Monat Oberflächenkonzentration 300 ppm)Zeit bis 250 ppm bei mittlerer Dicke (Monate)5-Jahres-Lebensdauer VersprödungsrisikoEmpfohlene Goldelution für?
0,8 mm 20 ppm/Monat 12 MonateHOCH (fehlschlägt nach 1–2 Jahren)Nein 1,0 mm 20 ppm/Monat 20 MonateHoch (fehlschlägt in 2–3 Jahren)Grenzwert 1,2 mm 20 ppm/Monat 30 MonateMittel (schlägt nach 3–4 Jahren fehl)Nebenprodukt 2.
1,5 mm 20 ppm/Monat 48 Monate Mäßig (ca. 5 Jahre) Akzeptabel
1,8 mm 20 ppm/Monat 70 MonateNiedrig (mehr als 5 Jahre) Ja
2,0 mm 20 ppm/Monat 85 Monate Niedrig (Sicherheitsmarge) Ja (empfohlen)
Um die vorgesehene Lebensdauer von 5-Jahren einzuhalten, ist eine Wandstärke von 1,8–2,0 mm erforderlich, um die Wasserstoffkonzentration in der Mitte der Dicke unter 250 ppm zu halten.

Engineering Beyond the Wall: Legierungsveredelung und Sauerstoffkontrolle
Die Wasserstoffaufnahme in Cyanid wird durch die Anwesenheit von Sauerstoff stark verringert. Wenn belüftetes Cyanid (Sauerstoff > 1 ppm) vorhanden ist, geht die kathodische Reaktion von Wasserreduktion zu Sauerstoffreduktion über, ohne dass Wasserstoff erzeugt wird. Durch die Verwendung von Luft als Druckgas für die Elutionssäule anstelle von Stickstoff oder Durchblasen der Lösung mit Luft wird eine Wasserstoffversprödung vollständig vermieden. Belüftete, 1,2 mm dicke Standardwände haben eine Lebensdauer von 10+ Jahren. Durch die Aufrüstung auf Titan der Güteklasse 7 (Ti-0,15 % Pd) wird die Wasserstoffabsorption deutlich reduziert, da das Palladium die Rekombination von atomarem Wasserstoff zu molekularem H 2 katalysiert, das nicht in das Gitter eindringt. Klasse 7 mit 1,2 mm Wandstärke ist hinsichtlich der Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung besser als Klasse 2 mit 2,0 mm Wandstärke.

Schlussfolgerung Der Einsatz von entlüftetem Cyanid erfordert eine Wandstärke von 1,8 bis 2,0 mm
Bei einem Goldelutionsprozess im kleinen Maßstab, bei dem ein mit Titan ummantelter elektrischer Heizer verwendet wird und die Cyanidlösung auf 110 Grad und 3 bar erhitzt wird, steht die Wandstärke in direktem Zusammenhang mit der Gefahr der Wasserstoffaufnahme und Versprödung. Die Wasserstoffabsorption in entgastem Cyanid beträgt 10-30 ppm pro Monat und die Dauer bis zum Erreichen der kritischen Versprödung im Mitteldickenmaßstab entspricht dem Quadrat der Wanddicke. Titan Grad 2 muss für eine Lebensdauer von 5 Jahren eine Mindestwandstärke von 1,8–2,0 mm aufweisen. Dünnere Wände (1,0–1,2 mm) verspröden nach 2–3 Jahren. Bei der vorgeschlagenen Spezifikation handelt es sich um eine Titanhülle der Güteklasse 2 mit einer Wandstärke von 2,0 mm, die mit Lufteinblasung betrieben werden soll, um den Sauerstoffgehalt > 1 ppm zu halten. Das Einblasen von Luft verhindert die Wasserstoffabsorption und ermöglicht dünnere Wände. Teilen Sie dem Hersteller mit, welche Sauerstoffkonzentration Sie erwarten und wie oft Sie Fahrrad fahren werden. Wenn eine Belüftung nicht möglich ist, geben Sie eine Wandstärke von 2,0 mm und Güteklasse 2 oder eine Wandstärke von 1,2 mm und Güteklasse 7 an. Die Wandstärke ist ein wichtiger Gesichtspunkt zur Vermeidung von Wasserstoffversprödung bei entgastem Zyanidbetrieb.