ประสิทธิภาพของเหล็กกล้าไร้สนิมในกรดซัลฟิวริกเข้มข้น

ประสิทธิภาพของเหล็กกล้าไร้สนิมในกรดซัลฟิวริกเข้มข้น
กรดซัลฟิวริกเป็นหนึ่งในสารเคมีที่ใช้กันมากที่สุดในโลกและที่ความเข้มข้นมากกว่า 90wt% นอกจากนี้ยังมีฤทธิ์กัดกร่อนมาก บทความนี้จะกล่าวถึงการเลือกใช้วัสดุสำหรับจัดการกรดซัลฟิวริกเข้มข้นโดยเฉพาะที่อุณหภูมิสูง (สูงถึง 200 ° C)ที่เกิดขึ้นระหว่างการผลิต สเตนเลสสตีลออสเทนนิติกและดูเพล็กซ์ที่ทันสมัยบางส่วนเป็นมีการทบทวนข้อ จำกัด และข้อดี
โดย Roger Francis, RR® วัสดุสหราชอาณาจักร

บทนำกรดซัลฟิวริกเป็นสารเคมีที่ใช้ในอุตสาหกรรมจำนวนมากกระบวนการเช่นเดียวกับในการชะโลหะจำนวนมากออกจากพวกมันแร่ ผลิตจากก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ซึ่งอาจจะเกิดจากการเผาไหม้กำมะถันอาจเป็นผลพลอยได้จากกกระบวนการถลุงโลหะหรืออาจผลิตโดยใช้ความร้อนการสลายตัว (การสร้างใหม่) ของกรดที่ใช้แล้ว ก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเหนือตัวเร่งปฏิกิริยาที่ ~ 420 °ถึง 625 ° C ในรูปแบบซัลเฟอร์ไตรออกไซด์ ก๊าซชนิดหลังจะทำปฏิกิริยากับน้ำในการดูดซับหอคอยเพื่อสร้างกรดซัลฟิวริก กระบวนการนี้คือคายความร้อนและกรดสามารถเข้าถึงอุณหภูมิได้สูงถึง 180 °ถึง 200 ° C พลังงานส่วนใหญ่ได้รับการกู้คืนโดยช่วงของวิธีการลดการใช้พลังงาน โดยปกติแล้วกรดจะถูกทำให้เย็นลงจากประมาณ 100 ° C ถึงใกล้เคียงสำหรับการจัดเก็บ


วัสดุใช้วัสดุแบบดั้งเดิมเช่นเหล็กเรียงรายกรด - อิฐภาชนะและเหล็กดัดเช่น Mondi® หรือออสเทนนิติกอัลลอยด์ต่ำเหล็กกล้าไร้สนิมเช่น 316 สำหรับท่อภายใน จำกัดช่วงอุณหภูมิและความเข้มข้นของกรด อย่างไรก็ตามการพัฒนาเหล็กกล้าไร้สนิมอัลลอยด์ที่ทันสมัยและมีการปรับปรุงความต้านทานต่อกรดเข้มข้นที่ร้อนได้เปลี่ยนวัสดุตัวเลือกการเลือก ตารางที่ 1 แสดงองค์ประกอบของบางส่วนเหล็กกล้าไร้สนิมที่ใช้กับกรดซัลฟิวริก 304 และ 316 คือเกรดออสเทนนิติกทั่วไปที่ใช้กันอย่างแพร่หลายโดยอุตสาหกรรมเคมีและกระบวนการ โลหะผสม 310 เป็นโครเมียมสูงโลหะผสมนิกเกิลออสเทนนิติกที่ทนต่อการกัดกร่อนของกรดได้ดีกว่าเทียบกับ 304 และ 316 ZERON®100 และ 2507 คือเหล็กกล้าไร้สนิม superduplex มีค่าประมาณ 50/50ความสมดุลของเฟสออสเทนไนต์ / เฟอร์ไรต์ โครงสร้างนี้ให้สูงขึ้นมากความแข็งแรง (~ 2½เท่า) มากกว่าโลหะผสมออสเทนนิติกและข้อเสนอความเป็นไปได้ในการประหยัดความหนาของผนังสำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องความกดดันและ / หรืออุณหภูมิสูงSaramet®, Sandvik SX® และ ZeCor® ล้วนเป็นออสเทนนิติกที่เป็นกรรมสิทธิ์เหล็กกล้าไร้สนิมที่มีซิลิกอน ~ 5% ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนในกรดแก่ที่ร้อนจัด ศราเมศมาสองตัวตัวแปรที่มีองค์ประกอบที่แตกต่างกันเล็กน้อย ZeCor มีขนาดเล็กลงโครเมียมและนิกเกิลมากกว่าโลหะผสมที่เป็นกรรมสิทธิ์อีกสองชนิด แต่มันมีซิลิกอนมากขึ้นซึ่งเป็นองค์ประกอบที่ส่งเสริมการกัดกร่อนความต้านทานต่อกรดที่ร้อนและแรง

การกัดกร่อนรูปที่ 1 แสดงเส้นโค้งการกัดกร่อนของไอโซสำหรับโลหะผสมทั่วไปบางชนิดในกรดซัลฟิวริก จะเห็นได้ว่าโลหะผสม superduplex คือเหนือกว่า 316L. ZERON 100 ยังเหนือกว่า 2507 ซึ่งก็คือเชื่อว่าเกิดจากการเพิ่มทังสเตนโดยเจตนาและทองแดงถึง ZERON 100 โลหะผสม 20 นิยมใช้ในซัลฟูริกกรดและกรดประมาณ 50% ถึง 90% จะดีกว่า ZERON100. อย่างไรก็ตามในกรดแก่ (GG gt; 90%) ZERON 100 แสดงกความต้านทานการกัดกร่อนเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัดเมื่อเทียบกับปี 2507 และโลหะผสม 20.

รูปที่ 2 เปรียบเทียบเส้นโค้งการกัดกร่อนของไอโซสำหรับทั้งสามโลหะผสมที่เป็นกรรมสิทธิ์ซึ่งประกอบด้วยซิลิกอนและ ZERON 100 มีความแตกต่างอย่างชัดเจนระหว่างโลหะผสมกับซิลิกอนที่ประกอบด้วยโลหะผสมที่แสดงความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีขึ้นในกรดเจือจางมากขึ้นเมื่อค้นคว้าเอกสารนี้ผู้เขียนไม่พบสิ่งใดเผยแพร่ข้อมูลสำหรับเหล็กกล้าไร้สนิม 310 เหนือความเข้มข้นของกรดนี้พิสัย. อาจเป็นเพราะผู้ผลิตพืชกรดถือว่าข้อมูลนี้เป็นข้อมูลที่ละเอียดอ่อนในเชิงพาณิชย์ อย่างไรก็ตามเป็นที่รู้กันความต้านทานการกัดกร่อนของสเตนเลส 310 ลดลงอย่างเห็นได้ชัดเมื่อความเข้มข้นของกรดลดลงต่ำกว่า 96%รูปที่ 3 แสดงเส้นโค้งการกัดกร่อนของไอโซสำหรับ 304, 310 และSaramet 23 ในกรดแก่มาก1,2. จะเห็นได้ว่ามีไฟล์เพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของทั้ง 310 และ Saramet inช่วงอุณหภูมิ180ºถึง200ºC สันนิษฐานว่า SX และZeCor แสดงพฤติกรรมที่คล้ายกัน ซึ่งหมายความว่าโลหะผสมเหล่านี้สามารถใช้ในส่วนที่มีอุณหภูมิสูงขึ้นของพืชกรด มีไม่มีข้อมูลสำหรับ ZERON 100 ในช่วงอุณหภูมิที่สมบูรณ์ของรูปที่ 3 และไม่ทราบว่าเหล็กกล้าไร้สนิม superduplex ด้วยหรือไม่แสดงคุณลักษณะนี้

รูปที่ 4 แสดงอัตราการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิมบางชนิดในกรดซัลฟิวริกเข้มข้นที่ 110 ° C นำมาจากผู้ผลิตข้อมูลที่เผยแพร่ จะเห็นได้ว่าความต้านทานการกัดกร่อนของSaramet 23 ลดลงตามความเข้มข้นของกรดที่เพิ่มขึ้นไม่เหมือนโลหะผสมอื่น ๆ ที่ความเข้มข้นของกรดมากกว่า 100% นั่นเองเป็นซัลเฟอร์ไตรออกไซด์ส่วนเกินและส่วนผสมดังกล่าวเรียกว่าเสื่อน้ำมัน เป็นที่ทราบกันดีว่ามีฤทธิ์กัดกร่อนโลหะผสมเช่น Sarametมากกว่า ZERON 100 และอัลลอยด์ 310แม้ว่าจะไม่มีข้อมูลที่เปิดเผยต่อสาธารณะเกี่ยวกับ 310 stainless inกรดที่เข้มข้นมากมีจุดข้อมูลเดียว ที่กรดความเข้มข้น 99% และอุณหภูมิ110ºCการกัดกร่อนอัตรา 310 เท่ากับ 0.1 มม. / ปี1. นี่แสดงให้เห็นถึงความต้านทานที่ดีขึ้นของZERON 100 มากกว่า 310 สแตนเลสที่อุณหภูมินี้ (รูปที่ 4)ZERON 100 ยังมีความต้านทานการกัดกร่อนใกล้เคียงกับ ZeCor และSandvik SX ในกรดที่แรงกว่า> 97 wt%ในพืชกรดทางการค้ามักจะมีธาตุเหล็กในปริมาณเล็กน้อยปัจจุบัน (โดยทั่วไปคือ 5ppm) และอาจส่งผลต่ออัตราการกัดกร่อนของโลหะผสมบางชนิด

รูปที่ 5 แสดงผลของเหล็ก 5 หน้าต่อนาทีอัตราการกัดกร่อนของ ZERON 100 ที่ 110 ° C จะเห็นได้ว่าภายในข้อผิดพลาดจากการทดลองไม่มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญของธาตุเหล็กการกัดกร่อน ที่อุณหภูมิ 200 ° C (รูปที่ 6) ในกรด 98.5% ธาตุเหล็กจะมีขนาดเล็กเพิ่มอัตราการกัดกร่อน แต่ไม่มีผลทางวิศวกรรมความสำคัญ.

ผลของความเร็วเนื่องจากสเตนเลสสตีลมักมีการใช้งานในกรดซัลฟิวริกเข้มข้นร้อนอัตราการกัดกร่อนคือกฟังก์ชันของความเร็ว ขอแนะนำโดยทั่วไปว่าโลหะผสมเช่น 316 และ 310 ถูก จำกัด ไว้ที่ความเร็วการไหลสูงสุดที่1.5 ม. / วินาที2. มีการทดสอบความเร็วในการเติมอากาศด้วยซัลฟิวริก 95 wt%กรดที่ 70 ° C โดยใช้ตัวอย่างทรงกระบอกหมุน โดยใช้การวิเคราะห์ของ Silverman3 การไหลของการหมุนถูกคำนวณให้เทียบเท่าถึง 2.5m / วินาทีในท่อ NPS 4 อัตราการกัดกร่อนของ ZERON 100สูงในช่วงสองหรือสามวันแรก หลังจากนั้นก็เกิดการกัดกร่อนอัตราน้อยกว่า 0.1 มม. / ปี อัตราการกัดกร่อนเริ่มต้นสูงมีความเกี่ยวข้องกับการก่อตัวของฟิล์มสีดำบาง ๆ บนพื้นผิวโลหะ ฟิล์มดูเหมือนจะให้ความต้านทานการกัดกร่อนเป็นแสดงโดยอัตราการสูญเสียโลหะต่ำที่ตามมา ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงZERON 100 สามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิสูงขึ้นและความเร็วมากกว่า 316L ในกรดซัลฟิวริก การทดสอบที่แข็งแกร่งขึ้นกรดแสดงให้เห็นถึงอัตราการกัดกร่อนที่ต่ำกว่าการเพิ่มซิลิกอนมักจะลบความไวความเร็วของเหล็กกล้าไร้สนิมเพื่อการกัดกร่อนในกรดซัลฟิวริกที่ร้อนและแรง แซนด์วิครายงานอัตราการกัดกร่อนที่ต่ำมาก (GG lt; 0.01mm / y) สำหรับ SX ใน 96%กรดที่ 70 ° C และ 25m / วินาทีในแผ่นข้อมูลโลหะผสม พวกเขาได้รับอัตราการกัดกร่อนใกล้เคียงกันในกรด 98.5% ที่ 115 ° C และการไหล 10m / วินาทีความเร็ว. Saramet 35 แสดงให้เห็นว่ามีอัตราการกัดกร่อนต่ำมากเช่นเดียวกันในกรด 98.5% ที่ 120 ° C ที่ความเร็ว 9 และ 25 m / s4. ถึงแม้ว่าจะมีไม่มีการเผยแพร่ข้อมูลสำหรับ ZeCor ด้วยความเร็วสูงสันนิษฐานว่านอกจากนี้ยังดีกว่าเกรด 304 และ 316

การใช้งานข้อมูลในรูปที่ 3 แสดงให้เห็นว่าโลหะผสม 310 เหมาะมากสำหรับส่วนการกู้คืนความร้อนโดยที่ความเข้มข้นของกรดคือทำงานที่ 98% ขึ้นไป อย่างไรก็ตามในพืชบางชนิดไปทัศนศึกษาความเข้มข้นของกรดต่ำเป็นเรื่องปกติและเป็นกรรมสิทธิ์โลหะผสมที่มีซิลิกอนมีความน่าเชื่อถือมากขึ้นภายในขอบเขตการใช้งานโลหะผสมที่ประกอบด้วยซิลิคอนทั้งสามถูกนำมาใช้สำหรับอาคารถัง, ท่อ, อุปกรณ์, ตัวกรอง, ผู้จัดจำหน่ายรางน้ำ, ความร้อนเครื่องแลกเปลี่ยนและเครื่องกำจัดหมอกตามเงื่อนไขลำบากเกินไปสำหรับ 3105,6. โลหะผสม 310 ยังคงใช้กันอย่างแพร่หลายในกรดแก่โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่สามารถผลิต oleum ได้ ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนท่อ 316L (มักมีMo≥2.5%) มักใช้กับ anodicการป้องกันเพื่อให้พวกเขาอยู่เฉยๆข้อมูลข้างต้นแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีของZERON 100 ในกรดซัลฟิวริกเข้มข้นที่อุณหภูมิสูงถึง200 องศาเซลเซียส สามารถมีประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งในความร้อนอุณหภูมิสูงส่วนการกู้คืนของพืชกรดซัลฟิวริก PCS ฟอสเฟตในสหรัฐอเมริกาเปิดเผยสปูล NPS1 ของ ZERON 100 เป็นเวลา 18 เดือนในกรดเข้มข้นที่ 200 ° C อัตราการกัดกร่อนคือ< 0.2mm="">นอกจากนี้พีซีเอสยังติดตั้งตัวกรอง ZERON 100 ต้นน้ำของซัลฟิวริกปั๊มกรดทำงานที่อุณหภูมิสูง (~ 200 ° C) หลัง 18เดือนในการให้บริการตัวกรองอยู่ในสภาพดีเยี่ยม นี่คือไฟล์การปรับปรุงที่สำคัญมากกว่าตัวกรองสแตนเลส 310 ที่ใช้ก่อนหน้านี้นอกจากนี้ ZERON 100 ยังถูกใช้โดยหนึ่งในซัลฟูริกที่สำคัญบริษัท ออกแบบโรงงานกรดสำหรับแผ่นปาก (รูปที่ 7)

เหล่านี้คือใช้ในการควบคุมการไหลในแอปพลิเคชันเช่นผู้จัดจำหน่ายรางน้ำสิ่งนี้ใช้ประโยชน์จากความต้านทานการกัดกร่อนของ ZERON ที่ดีนอกจากนี้ยังมี ZERON 100 เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบรอยต่อท่อ. สิ่งนี้ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับเครื่องทำความเย็นแบบกรดที่น้ำหล่อเย็นเป็นน้ำกร่อยหรือน้ำทะเลเนื่องจาก ZERON 100 มีประวัติที่พิสูจน์แล้วว่ามีความทนทานต่อสภาพแวดล้อมนี้ดีเยี่ยม7.

ความพร้อมใช้งานการใช้โลหะผสมเหล่านี้สำหรับโครงการใหม่โดยทั่วไปไม่เป็นปัญหาเนื่องจากมักจะต้องใช้ปริมาณการทำงานของโรงสี อย่างไรก็ตามสำหรับการแอด -การซ่อมแซมหรือดัดแปลงโรงงานโดยทั่วไปจะมีปริมาณน้อยกว่าจำเป็น โลหะผสมที่มีส่วนผสมของซิลิกอนที่เป็นกรรมสิทธิ์ไม่ได้ถือครองโดยผู้ถือหุ้นสแตนเลสในปริมาณที่มีนัยสำคัญสำหรับสิ่งนั้นแอปพลิเคชัน OEM รายใหญ่ถือหุ้นจำนวน จำกัด ในบางรายรูปแบบผลิตภัณฑ์เพื่อรองรับลูกค้า อัลลอย 310 กันอย่างแพร่หลายมีจำหน่ายในรูปแบบแผ่น แต่ไม่สามารถหาซื้อได้ง่ายเช่นท่อข้อต่อและครีบ
ZERON 100 คือจึงมีประโยชน์โลหะผสมสำหรับการใช้งานที่การจัดส่งที่รวดเร็วมีความสำคัญหรือมีขนาดเล็กต้องการปริมาณZERON 100 สามารถเชื่อมได้อย่างสมบูรณ์โดยการเชื่อมอาร์กทั่วไปทั้งหมดเทคนิคและการใช้โลหะผสมในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซหมายความว่ามีผู้ผลิตที่มีคุณสมบัติเหมาะสมจำนวนมาก ล้อแม็ก 310 คือเชื่อมได้หากคาร์บอนต่ำพอสมควร 0.04% คือสูงสุดที่เหมาะสม ต้องระบุเป็นพิเศษเป็น UNSS31000 มีคาร์บอนสูงสุด 0.08% และคาร์บอนต่ำเวอร์ชัน (UNS S31002) ไม่พร้อมใช้งาน ซิลิกอนสูงโลหะผสมออสเทนนิติกยังค่อนข้างง่ายในการประดิษฐ์และทั้งหมดมาด้วยระดับคาร์บอนสูงสุด 0.03% เพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีรูปแบบคาร์ไบด์เกี่ยวกับการเชื่อม

ข้อสรุป
1. โลหะผสม 310 มีความต้านทานต่อกรดซัลฟิวริกเข้มข้นได้ดีที่อุณหภูมิสูงขึ้น แต่ไม่ทนเท่ากรดความเข้มข้นลดลงจาก 98% โลหะผสมไม่พร้อมมีจำหน่ายในรูปแบบอื่นที่ไม่ใช่แบบจาน
2. เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกซิลิกอนสูงมีการกัดกร่อนที่ดีความต้านทานต่อกรดซัลฟิวริกเข้มข้นร้อนและดีกว่ากรดอ่อนกว่า 310 ซิลิกอนให้โลหะผสมเหล่านี้ได้ดีความต้านทานต่อกรดซัลฟิวริกที่ความเร็วการไหลสูง โลหะผสมเหล่านี้มีความต้านทานน้อยกว่าใน oleum เมื่อเทียบกับโลหะผสม 310
3. ZERON 100 มีประโยชน์ต่อความร้อนเข้มข้นกรดซัลฟิวริกอยู่ตรงกลางระหว่างโลหะผสม 310 และโลหะผสมออสเทนนิติกซิลิกอนสูง พร้อมใช้งานในวงกว้างรูปแบบผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายทำให้เหมาะสำหรับทั้งโรงงานใหม่และขึ้นเกรด

อ้างอิง
1. CM Schillmoller รายงานทางเทคนิคของสถาบันนิกเกิลหมายเลข 10 057
2. DK Louie, คู่มือการผลิตกรดซัลฟูริก, 2ndฉบับปี 2008 จัดพิมพ์โดย DKL Engineering
3. DG Silverman, การกัดกร่อน 44, 1 (1988) 42.
4. S. Clarke,“ Saramet Alloys - การใช้งานที่ต้องการการใช้กรดซัลฟูริก”, AIChE Convention, Florida, USA,มิถุนายน 2546
5. “ เหล็กกล้าไร้สนิม Saramet Austentic” Aker Solutionsสิ่งพิมพ์, 2552.
6. S Richardson, M Spence และ J Horne,“ Engineered ZeCorอุปกรณ์สำหรับบริการกรดซัลฟูริก” อนุสัญญา AIChEฟลอริดาสหรัฐอเมริกามิถุนายน 2550
7. อาร์ฟรานซิสและกรัมเบิร์น“ ประสบการณ์กับ SuperduplexStainless Steel in Seawater” Stainless Steel World, Vol 16,มิถุนายน 2547 KCI หน้า 53® เครื่องหมายการค้าจดทะเบียน

บทความจาก STAINLESS STEEL WORLD