Per gli ingegneri di processo che progettano riscaldatori elettrici ad immersione per bagni di decapaggio dei metalli nelle acciaierie e negli impianti di lavorazione dei metalli, la combinazione di acido solforico a temperature elevate crea uno degli ambienti più aggressivi per le guaine in acciaio inossidabile 316. I bagni di decapaggio funzionano tipicamente a 60–90 gradi con concentrazioni di acido solforico del 10–25%, spesso contenenti sali di ferro disciolti che complicano ulteriormente il comportamento alla corrosione. Spesso viene specificato uno spessore di parete di 2,0 mm per garantire tolleranza alla corrosione e robustezza meccanica contro la turbolenza del bagno e il contatto con il pezzo. Tuttavia, il funzionamento a densità di watt standard di 8–12 W/cm² aumenta la temperatura superficiale della guaina di 20–40 gradi al di sopra della temperatura del bagno, spingendo potenzialmente la guaina nel regime di corrosione attiva dove i tassi di corrosione superano i 5 mm all'anno. Questo articolo identifica le specifiche combinazioni di concentrazione-temperatura alle quali una guaina 316 da 2,0 mm deve essere ridotta al di sotto di 5 W/cm² per rimanere nel regime di corrosione passiva.
La transizione passiva-attiva nell'acido solforico per l'acciaio inossidabile 316
Come stabilito nell'Articolo 30, l'acciaio inossidabile 316 presenta una transizione passiva-attiva nell'acido solforico che dipende fortemente sia dalla temperatura che dalla concentrazione. Nel regime passivo, i tassi di corrosione sono inferiori a 0,2 mm all'anno. Nel regime attivo, i tassi salgono a 5–20 mm all’anno. Per le condizioni del bagno di decapaggio, il confine di transizione segue una curva distinta. Al 10% di acido solforico, la temperatura di transizione è di circa 55 gradi. Al 15%, la transizione scende a 45 gradi. Al 20%, scende a 38 gradi. Al 25%, raggiunge i 32 gradi. Per un riscaldatore che funziona in un bagno di massa a 70 gradi con acido solforico al 15%, la condizione di massa da sola è già superiore alla temperatura di transizione di 45 gradi-il bagno è attivamente corrosivo fino a 316 anche senza alcun flusso di calore. In questi casi, il 316 non è adatto, indipendentemente dallo spessore della parete o dalla densità di watt. Tuttavia, molti bagni di decapaggio operano nella zona di transizione dove le condizioni di massa sono passive ma l'elevata temperatura superficiale della guaina dovuta al flusso di calore spinge la guaina nel regime attivo. Per una guaina da 2,0 mm a 10 W/cm², l'aumento di temperatura dalla massa alla superficie della guaina è di circa 25–30 gradi. Un bagno di massa a 40 gradi con acido al 15% (passivo) produce una temperatura superficiale della guaina di 65–70 gradi, che è superiore alla transizione di 45 gradi.-Si verifica corrosione attiva sulla superficie della guaina anche se il bagno di massa è passivo.
Soglie di declassamento critiche per guaina da 2,0 millimetri
In base ai test di corrosione su 316 campioni a temperature e concentrazioni rilevanti per i bagni di decapaggio, i seguenti requisiti di declassamento si applicano a una guaina con parete da 2,0 mm. I valori indicano la densità di watt massima che mantiene la temperatura superficiale della guaina almeno 5 gradi al di sotto della temperatura di transizione passiva-attiva per la concentrazione apparente data.
| Concentrazione di acido solforico sfuso | Temperatura del bagno sfuso | Temperatura di transizione passiva-attiva a questa concentrazione | Temperatura massima della superficie della guaina (transizione meno margine di sicurezza di 5 gradi) | Densità di watt massima consentita per guaina da 2,0 mm | Azione consigliata |
|---|---|---|---|---|---|
| 10% | 30 gradi | 55 gradi | 50 gradi | 12 W/cm² | Sicuro a densità di watt standard |
| 10% | 40 gradi | 55 gradi | 50 gradi | 6 W/cm² | È necessario un declassamento |
| 10% | 45 gradi | 55 gradi | 50 gradi | 3 W/cm² | Marginale; considerare l'aggiornamento della lega |
| 10% | Superiore a 48 gradi | 55 gradi | 50 gradi | Non fattibile | Utilizzare la lega 20 o il titanio |
| 15% | 25 gradi | 45 gradi | 40 gradi | 10 W/cm² | Sicuro a densità di watt moderata |
| 15% | 30 gradi | 45 gradi | 40 gradi | 6 W/cm² | È necessario un declassamento |
| 15% | 35 gradi | 45 gradi | 40 gradi | 2 W/cm² | Poco pratico; aggiornare la lega |
| 15% | Superiore a 38 gradi | 45 gradi | 40 gradi | Non fattibile | 316 non idoneo |
| 20% | 20 gradi | 38 gradi | 33 gradi | 8 W/cm² | Sicuro a densità di watt ridotta |
| 20% | 25 gradi | 38 gradi | 33 gradi | 4 W/cm² | Declassamento significativo |
| 20% | Superiore a 28 gradi | 38 gradi | 33 gradi | Non fattibile | 316 non idoneo |
| 25% | Sotto i 25 gradi | 32 gradi | 27 gradi | Inferiore a 3 W/cm² | 316 non raccomandato |
| 25% | Superiore a 25 gradi | 32 gradi | 27 gradi | Non fattibile | Utilizzare la lega 20 o il titanio |
Per un tipico bagno di decapaggio funzionante al 15% di acido solforico e ad una temperatura complessiva di 35 gradi, una guaina 316 da 2,0 mm deve funzionare a una temperatura pari o inferiore a 2 W/cm² per prevenire la corrosione attiva. A questa densità di watt, per raggiungere i requisiti di potenza tipici di 10-20 kW sarebbe necessario un riscaldatore poco pratico. Pertanto il 316 non è adatto a questo servizio. Gli ingegneri devono specificare la lega 20 (Carpenter 20) o la lega 825, che hanno temperature di transizione passiva-attiva di 30–50 gradi superiori a 316 nell'acido solforico.
Modifiche progettuali per evitare la corrosione attiva senza declassamento
Quando le condizioni del bagno di decapaggio scendono vicino al confine di transizione ed è già installata o necessaria una guaina 316 da 2,0 mm, tre modifiche progettuali possono prevenire la corrosione attiva senza ridurre la densità di watt al di sotto dei limiti pratici. Il primo è aumentare la circolazione dell'acido attraverso la superficie del riscaldatore. Il flusso turbolento con una velocità di 1–2 m/s riduce l'aumento della temperatura superficiale della guaina da 25–30 gradi a 10–15 gradi, mantenendo potenzialmente la guaina al di sotto della soglia di transizione. La seconda modifica consiste nell'aggiungere un agente ossidante al bagno. Piccole aggiunte di perossido di idrogeno o ioni ferrici possono spostare la transizione passiva-attiva a temperature più elevate di 10-20 gradi, ripristinando il comportamento passivo. La terza modifica consiste nell'utilizzare un design del riscaldatore a doppia densità di-watt-con una densità di potenza inferiore nella parte inferiore del bagno dove le temperature sono più elevate a causa della stratificazione. Per la maggior parte delle applicazioni dei bagni di decapaggio, la soluzione ingegneristica corretta è quella di passare dal 316 a una lega più resistente. La differenza di costo tra una guaina in 316 da 2,0 mm e una guaina in lega 20 delle stesse dimensioni è generalmente del 30–50%, ma la durata utile aumenta da mesi a 5–10 anni. Quando si specificano i riscaldatori per i bagni di decapaggio, gli ingegneri dovrebbero fornire al fornitore l'esatta composizione del bagno, l'intervallo di temperatura e il livello di turbolenza previsto. Un produttore che consiglia 316 per acido solforico al 15% a 50 gradi senza discutere del declassamento o del rischio di corrosione attiva non fornisce una guida responsabile. La transizione dalla corrosione passiva a quella attiva nell'acido solforico è netta e spietata. Una guaina da 2,0 mm che perde 5 mm all'anno in condizioni di corrosione attiva si perforerà in meno di cinque mesi. Il declassamento inferiore a 5 W/cm² è raramente pratico per i bagni di decapaggio industriali, rendendo l'aggiornamento della lega l'unica opzione affidabile per la maggior parte delle applicazioni.
