A kvarc savas hidrolízise{0}}korróziója vas-szulfát oldatokban
A vas-szulfátot (Fe₂(SO4)3) széles körben használják fémek pácolásában (rozsdamentes acél és réz), vízkezelésben (koaguláns a foszfát eltávolításához), valamint marószerként a nyomtatott áramköri lapok gyártásában. A tipikus ipari koncentrációk 10–20 tömeg% Fe₂(SO₄)₃ között mozognak, a pácoló tartályokban és koagulációs reaktorokban 60–90 fokos üzemi hőmérséklet mellett. Az oldat erősen savas a vas-ion kiterjedt hidrolízise miatt: Fe³⁺ + H2O⇌ FeOH2⁺ + H⁺; FeOH2+ + H2O ⇌ Fe(OH)2+ + H+; és tovább Fe(OH)3. A nettó hatás egy 0,05–0,2 M H₂SO₂-nak megfelelő szabad kénsav koncentrációja 10–20% Fe₂(SO₄)₃ mellett. A kvarc merülőmelegítőket gyakran használják a vas-szulfát szolgáltatásban, mivel az olvasztott szilícium-dioxid kiválóan ellenáll a híg kénsavnak. A vas-szulfát azonban kettős lebomlási mechanizmust mutat: egyenletes savas korrózió a keletkező H2SO4-ből és lerakódás a vas-hidroxid (Fe(OH)3) kiválásból. A lerakódott vas-hidroxid hőszigetelő és forró pontokat képezhet. Ezenkívül a vas-ion oxidálószer (mint a FeCl3, de kevésbé agresszív), de a szulfát-anion nem támadja meg a kvarcot. Ez az elemzés számszerűsíti, hogy a Fe₂(SO₄)₃-koncentráció (10-20%), a hőmérséklet (60-90 fok) és az oldat savassága hogyan befolyásolja az egyenletes korróziót és a lerakódások képződését az olvadt szilícium-dioxidon.
Az olvasztott szilícium-dioxid korróziós kinetikája forró vas-szulfát oldatokban
A vas-szulfátban lévő kvarc korrózióját a vas-hidrolízis során keletkező szabad kénsav okozza. 80 fokos hőmérsékleten 15%-os Fe2(SO₂)3-ban (körülbelül 0,25 M Fe³⁺) a szabad H2SO₂ koncentráció körülbelül 0,1–0,15 M (pH 0,8–1,0). Ennél a savasságnál a kvarc egyenletes korróziós sebessége 0,0003-0,0006 mm/óra. 90 fokban a sebesség 0,0006-0,001 mm/óra értékre nő. 60 fokos hőmérsékleten a sebesség 0,0001-0,0002 mm/óra. Összehasonlításképpen: 0,1 M H₂SO₂ 80 fokon 0,0002–0,0004 mm/óra sebességgel korrodálja a kvarcot. A vas-ion nem gyorsítja jelentősen a támadást a szabad sav hatásán túl. 80 fokos hőmérsékleten egy 2,0 mm-es kvarchüvely 0,0005 mm/óra × 4000 óra=2.0 mm-t veszít, ami körülbelül 4000 órás (5,5 hónap) élettartamot biztosít. Egy 2,5 mm-es fal 5000 órát biztosít; egy 3,0 mm-es fal 6000 órát biztosít. Ezek az élettartamok praktikusak a folyamatos ipari szolgáltatáshoz negyedévente{43}}féléves karbantartással.
Lerakódás kialakulása vas-hidroxidból
A szabad savat képző hidrolízis reakció során vas-hidroxid is keletkezik, különösen a kvarc felületének közelében, ahol a legmagasabb a hőmérséklet: Fe³⁺ + 3H₂O → Fe(OH)₃ + 3H⁺. A Fe(OH)₃ egy kocsonyás, barnás{3}}vörös színű csapadék, amely a kvarc felületéhez tapad. Ez a lerakódás hőszigetelő; egy 0,1 mm-es réteg 10-15%-kal csökkentheti a hőátadást. Ahogy a lerakódás sűrűsödik, az alatta lévő kvarc felforrósodik, felgyorsítva mind a hidrolízist, mind a mögöttes savas korróziót. Súlyos esetekben a lerakódás lecsöpöghet, és kis kvarcdarabokat hordozhat. A lerakódás a felület szigetelésével az effektív falvastagságot is csökkenti. A rendszeres tisztítás híg kénsavval (5-10%) feloldja a vas-hidroxid lerakódásokat anélkül, hogy megtámadná a kvarcot.
Hogyan módosítja a falvastagság az élettartamot
Az egyenletes savas korrózió érdekében az élettartam lineárisan skálázódik a falvastagsággal. 80 fokos szögben egy 2,0 mm-es fal 4000 órát biztosít; egy 3,0 mm-es fal 6000 órát biztosít. A lerakódások-kiváltotta hőfeszültség esetén a vastagabb falak nagyobb ellenállást biztosítanak a repedéssel szemben, de nem akadályozzák meg a lerakódások kialakulását. Jelentős vas-hidroxid csapadékkal rendelkező fürdőkhöz 2,5-3,0 mm-es fal javasolt.
Vastagabb falak termikus büntetése
A vas-szulfát oldatok 15%-os és 80 fokos hővezető képessége körülbelül 0,55–0,60 W/(m·K). 1,5 mm-es fal esetén R_cond=0.00109; 3,0 mm-es falnál, R_cond=0.00217. h=800 W/(m²·K) esetén U 427-ről 292 W/(m²·K) értékre csökken, ami 32%-os csökkenés.
Forgatókönyv-alapú kiválasztási mátrix
| Alkalmazási forgatókönyv és működési paraméterek | Javasolt falvastagság | Alapvető indoklás |
|---|---|---|
| Fém pácolás (15% Fe₂(SO4)₃, 80 fok, folyamatos, heti tisztítás) | 2,0 – 2,5 mm, normál minőségű, lánggal{2}}polírozott | Egyenletes korróziós sebesség ~0,0005 mm/óra. A vastagabb fal biztonsági tartalékot biztosít a lerakódás hőterhelése ellen. U ≈ 380 W/(m²·K). |
| Vízkezelő koaguláns (10% Fe₂(SO4)₃, 70 fok, szakaszos) | 2,0 mm, -rajz szerint | Alacsonyabb hőmérséklet és időszakos használat. Elfogadható. U ≈ 420 W/(m²·K). |
| Magas-hőmérsékletű pácolás (90 fok, 20% Fe₂(SO4)₃) | 2,5 – 3,0 mm | Magasabb korróziós arány. A vastag fal meghosszabbítja az élettartamot. |
Kiegészítő tervezési módosítások:Az oldat alacsony pH-jának fenntartása (szabad H2SO4 hozzáadása) elnyomja a vas(III)hidrolízist és a lerakódások képződését. A jó keverés megakadályozza a részecskék leülepedését. A 10%-os H₂SO₂-dal végzett időszakos tisztítás feloldja a Fe(OH)₃ lerakódásokat. A polírozott felület csökkenti a lerakódások tapadását.
