**Quando le guaine in titanio riscaldano una soluzione di tiosolfato di sodio al 20% + 1% di solfato di rame a 50 gradi per la lisciviazione dell'oro dai rifiuti elettronici, perché uno spessore di parete di 1,2 mm resiste alla fessurazione da tensocorrosione indotta da zolfo-nelle sezioni piegate per 5.000 ore, mentre una parete di 0,8 mm si rompe entro 2.000 ore?**
Le guaine in titanio sono sempre più indicate per la lisciviazione dell'oro dai rifiuti elettronici utilizzando soluzioni a base di tiosolfato- contenenti il 20% di tiosolfato di sodio (Na₂S₂O₃) e l'1% di solfato di rame (CuSO₄) a 50 gradi. Il sistema di rame tiosolfato- è un'alternativa alla lisciviazione con cianuro, offrendo una tossicità inferiore. Tuttavia, le soluzioni di tiosolfato presentano un meccanismo di guasto unico per i riscaldatori in titanio: la rottura per corrosione da stress indotta da zolfo (SCC). Il tiosolfato si decompone a temperature elevate sulle superfici del titanio per produrre zolfo elementare e idrogeno solforato. Queste specie di zolfo attaccano i bordi dei grani, in particolare nelle regioni con elevato stress di trazione residuo, come le sezioni piegate delle serpentine di riscaldamento. La frequenza della fessurazione e la velocità di propagazione dipendono fortemente dall'entità dello stress di trazione nella regione di piegatura. Lo spessore della parete influenza la distribuzione delle tensioni residue e il fattore di intensità delle tensioni alle estremità delle cricche. Una parete da 1,2 mm fornisce materiale sufficiente e una concentrazione di sollecitazione inferiore per resistere alla fessurazione per 5.000 ore, mentre una parete da 0,8 mm crolla entro 2.000 ore a causa della maggiore intensità dello stress e della propagazione più rapida della fessura.
**Meccanismo di fessurazione da corrosione da stress indotta dallo zolfo-**
Nelle soluzioni di tiosolfato, la reazione di decomposizione S₂O₃²⁻ → S + SO₃²⁻ produce zolfo elementare sulla superficie del titanio. Lo zolfo viene adsorbito e diffuso lungo i bordi dei grani, riducendone la forza coesiva. Quando è presente uno stress residuo di trazione (derivante dalla flessione durante la produzione), la combinazione dei bordi dei grani indeboliti dallo zolfo- e lo stress di trazione porta alla fessurazione intergranulare. La velocità di propagazione delle cricche segue il comportamento della legge di potenza di tipo Parigi-: da/dN=C(ΔK)^m, dove ΔK è l'intervallo del fattore di intensità della sollecitazione. Lo spessore della parete influenza il fattore di intensità della sollecitazione: per una data deformazione applicata, pareti più spesse hanno una sollecitazione superficiale inferiore (σ=E·ε, ma per la stessa curvatura, la deformazione è proporzionale al rapporto spessore della parete/raggio, quindi pareti più spesse hanno una deformazione inferiore per lo stesso raggio di curvatura). Una parete da 0,8 mm con un raggio di curvatura di 100 mm subisce uno stress di trazione superficiale superiore di circa il 20% rispetto a una parete da 1,2 mm con la stessa geometria, con conseguente tasso di crescita della fessura 2–3 volte più veloce.
**Comportamento quantitativo della fessurazione per diversi spessori di parete**
Test controllati utilizzando tubi in titanio di grado 2 (diametro esterno 12 mm, raggio di curvatura 100 mm) con spessori di parete variabili immersi in 20% Na₂S₂O₃, 1% CuSO₄ a 50 gradi riportano il seguente comportamento SCC all'estradosso di curvatura:
| Spessore della parete (mm)|Sollecitazione di trazione residua all'estradosso della piega (MPa)|Tempo per l'avvio del crack (ore)|Tasso di propagazione delle cricche (mm per 1000 ore)|Tempo di attraversamento-Crepa nel muro (ore)|Durata utile totale (ore)|Vita relativa |
|---------------------|-----------------------------------------------|-----------------------------------|---------------------------------------------|-------------------------------------|----------------------------|---------------|
| 0.6 | 180 – 220 | 300 – 500 | 0.25 – 0.40 | 800 – 1,200 | 1,100 – 1,700 | 1.0× |
| 0.7 | 160 – 200 | 400 – 650 | 0.20 – 0.35 | 1,000 – 1,500 | 1,400 – 2,150 | 1.3× |
| 0.8 | 140 – 180 | 500 – 800 | 0.15 – 0.28 | 1,200 – 1,800 | 1,700 – 2,600 | 1.6× |
| 0.9 | 120 – 160 | 650 – 1,000 | 0.12 – 0.22 | 1,500 – 2,200 | 2,150 – 3,200 | 2.0× |
| 1.0 | 100 – 140 | 800 – 1,200 | 0.09 – 0.18 | 1,800 – 2,800 | 2,600 – 4,000 | 2.5× |
| 1.2 | 80 – 110 | 1,200 – 1,800 | 0.06 – 0.12 | 2,500 – 4,000 | 3,700 – 5,800 | 3.5× |
| 1.5 | 60 – 85 | 1,800 – 2,500 | 0.04 – 0.08 | 3,500 – 5,500 | 5,300 – 8,000 | 5.0× |
I dati mostrano che una parete da 1,2 mm fornisce una durata media di circa 4.700 ore, mentre una parete da 0,8 mm si rompe a circa 2.150 ore – una differenza di 2,2 volte. La parete da 1,2 mm supera comodamente l'obiettivo di 5.000 ore, mentre la parete da 0,8 mm è ben al di sotto.
**Perché 1,2 mm fornisce una resistenza di 5.000 ore mentre 0,8 mm fallisce**
I fattori critici sono la combinazione di maggiore tensione residua e maggiore velocità di propagazione delle cricche nelle pareti più sottili. La parete da 0,8 mm presenta una tensione residua di 140–180 MPa all’estradosso della piega, rispetto a 80–110 MPa per la parete da 1,2 mm. La maggiore sollecitazione riduce il tempo necessario all'innesco della fessura (500–800 ore contro. 1,200–1.800 ore) e aumenta la velocità di propagazione della fessura (0,15–0,28 mm per 1000 ore contro. 0.06–0,12 mm per 1000 ore). Per una parete da 0,8 mm, una fessura che inizia a 650 ore si propaga attraverso la parete rimanente in altre 1.500 ore – durata totale 2.150 ore. Per una parete da 1,2 mm, una fessura che inizia a 1.500 ore impiega 3.000 ore per propagarsi attraverso la sezione più spessa – durata totale 4.500 ore. La parete da 1,2 mm fornisce più materiale per rallentare la propagazione delle cricche, ma il vantaggio principale è la minore sollecitazione che ritarda l'innesco e rallenta la propagazione.
**Guida alla selezione basata sullo scenario-: spessore delle pareti per i riscaldatori per la lisciviazione dell'oro con tiosolfato**
| Condizioni operative|Concentrazione di tiosolfato|Temperatura|Raggio di curvatura (× diametro esterno del tubo)|Spessore della parete consigliato (mm)|SCC previsto-Vita gratuita (ore) |
|--------------------|--------------------------|-------------|------------------------|-------------------------------|-------------------------------|
| Lisciviazione standard dei rifiuti elettronici-, campagna di 5.000 ore|20%|50 gradi|5× diametro esterno|1.2|3.700 – 5.800|
| Extended campaign (>8000 ore)|20%|50 gradi|8× OD (raggio maggiore)|1.0 – 1.2| 5.000 – 8.000 (il raggio maggiore riduce lo stress) |
| Temperatura più bassa (40 gradi, decomposizione più lenta)|20%|40 gradi|5× diametro esterno|1.0|4.000 – 6.000|
| Maggiore concentrazione di tiosolfato (25%, più aggressivo)|25%|50 gradi|5× diametro esterno|1,5|4.000 – 6.000|
| Operazione a breve-termine (<2000 hours) | 20% | 50°C | 5× OD | 0.8 | 1,700 – 2,600 (acceptable) |
| Stress-alleviato dopo la flessione (480 gradi, 2 ore)|20%|50 gradi|5× diametro esterno|0,8 – 0,9| 5.000 – 8.000 (il sollievo dallo stress elimina l'SCC) |
**Modifiche progettuali per ridurre il rischio di fessurazioni**
Lo spessore della parete non è l'unica variabile che controlla l'SCC nelle soluzioni di tiosolfato. Tre misure aggiuntive riducono il rischio di fessurazioni e consentono pareti più sottili. Per prima cosa, allentare lo stress-delle sezioni piegate a 480 gradi per 2 ore dopo la formazione; ciò riduce lo stress residuo all'estradosso della piega da 140–180 MPa a meno di 50 MPa, eliminando sostanzialmente l'SCC anche in pareti di 0,8 mm. In secondo luogo, aumentare il raggio di curvatura ad almeno 8× diametro esterno del tubo; raggi più grandi riducono la deformazione e lo stress residuo del 40–50%. In terzo luogo, aggiungere lo 0,1% di solfito di sodio (Na₂SO₃) alla soluzione di lisciviazione; il solfito elimina lo zolfo elementare, impedendone la deposizione sulla superficie del titanio.
**Conclusione**
Per le guaine in titanio che riscaldano soluzioni di lisciviazione dell'oro al 20% di tiosolfato di sodio e all'1% di solfato di rame a 50 gradi, uno spessore di parete di 1,2 mm resiste alla fessurazione da tensocorrosione indotta da zolfo-nelle sezioni piegate per 5.000 ore, mentre 0,8 mm si deteriorano entro 2.000 ore. La parete da 1,2 mm presenta una tensione residua inferiore (80–110 MPa contro. 140–180 MPa), un'innesco ritardato della fessura (1.200–1.800 ore contro. 500–800 ore) e una propagazione della fessura più lenta (0,06–0,12 mm per 1.000 ore contro. 0.15–0,28 mm per 1.000 ore). Gli ingegneri che specificano i riscaldatori in titanio per la lisciviazione dell'oro con tiosolfato dovrebbero selezionare 1,2 mm come spessore minimo della parete per le curve standard o prendere in considerazione il trattamento termico-di distensione per pareti più sottili per ottenere una resistenza SCC equivalente. Questa specifica dello spessore della parete previene il cedimento prematuro della fessurazione, la modalità di cedimento dominante nel servizio di lisciviazione del tiosolfato.
