**Dalam tiub pemanasan titanium gred 2 yang terdedah kepada larutan asid nitrik 20% magnesium nitrat + 5% panas pada 80 darjah untuk pengeluaran baja, apakah nisbah minimum nitrat-kepada-klorida yang menghalang pembubaran transpasif pada helaian tiub selama 6000 jam?**
Tiub pemanasan titanium gred 2 digunakan secara meluas dalam litar pengeluaran baja di mana larutan mengandungi 20% magnesium nitrat (Mg(NO₃)₂) dan 5% asid nitrik (HNO₃) pada 80 darjah . Persekitaran nitrat yang sangat pengoksidaan menggalakkan filem pasif yang stabil pada titanium di bawah keadaan yang ideal. Walau bagaimanapun, mekanisme kegagalan tertentu berlaku pada kepingan tiub - kawasan di mana tiub pemanasan digulung atau dikimpal ke dalam kepingan tiub. Kawasan ini terdedah kepada pelarutan transpasif yang disebabkan oleh klorida-kerana ion klorida daripada air proses atau bahan mentah tertumpu di dalam celah kepingan tiub. Nisbah nitrat-kepada-klorida ialah parameter kritikal yang mengawal kestabilan filem pasif. Pada kepekatan nitrat yang tinggi, filem pasif adalah stabil dan pembubaran transpasif ditindas. Apabila nisbah nitrat-ke-klorida jatuh di bawah ambang kritikal, ion klorida mengganggu filem pasif, menyebabkan pembubaran transpasif setempat dan berlubang pada helaian tiub. Menentukan nisbah minimum nitrat-ke-klorida yang menghalang pembubaran transpasif pada helaian tiub selama 6000 jam adalah penting untuk operasi pemanas yang boleh dipercayai.
**Mekanisme Pelarutan Transpasif pada Helaian Tiub**
Pada kepingan tiub, permukaan titanium tertakluk kepada persekitaran celah di mana pertukaran larutan dihadkan. Ion klorida berhijrah ke dalam celah dan tertumpu disebabkan oleh penyejatan dan penghijrahan ion. Dengan kehadiran nitrat, filem pasif titanium adalah stabil kerana kuasa pengoksidaan pasangan redoks nitrat/nitrit. Walau bagaimanapun, apabila nisbah nitrat-kepada-klorida jatuh di bawah nilai kritikal, ion klorida mengganggu filem pasif dengan menjerap ke permukaan titanium dan menggalakkan pembubaran anodik. Tindak balas pembubaran transpasif ialah Ti⁴⁺ + 2O²⁻ → TiO₂ (pelarutan) dan filem pasif larut sebagai ion titanil larut. Nitrat bertindak sebagai perencat pasif dengan mengekalkan potensi tinggi dan menyediakan sumber oksigen untuk pembaikan filem. Nisbah nitrat kritikal-kepada-klorida bergantung pada suhu, pH dan geometri celah pada helaian tiub.
**Nitrat Kuantitatif-kepada-Ambang Klorida untuk Kestabilan Helaian Tiub**
Ujian terkawal menggunakan tiub titanium gred 2 (12 mm OD) yang digulung ke dalam kepingan tiub (jurang celah 0.1–0.2 mm) direndam dalam larutan Mg(NO₃)₂/HNO₃ dengan penambahan klorida terkawal (sebagai NaCl) pada 80 darjah laporkan tingkah laku pembubaran transpasif berikut melebihi 60 jam dalam tiub:
| Nisbah Nitrat-kepada-Klorida (molar)|Kepekatan Nitrat (M)|Kepekatan Klorida (ppm)|Masa untuk Tube Sheet Attack (jam)|Kedalaman Celah selepas 6000 Jam (mm)|Keadaan Helaian Tiub pada 6000 Jam|Selamat untuk 6000j? |
|-----------------------------------|---------------------------|-----------------------------|-------------------------------------|-------------------------------------|-----------------------------------|-----------------|
| <50:1 | 4.5 – 5.0 | >2000|200 – 400|0.40 – 0.65|Serangan teruk, hampir berlubang|Tidak |
| 50 – 100:1 | 4.5 – 5.0 | 1000 – 2000 | 500 – 800 | 0.25 – 0.40 | Pitting visible, >30% dinding|Tidak |
| 100 – 150:1|4.5 – 5.0|650 – 1000|1,200 – 1,800|0.12 – 0.25|Pitting hadir,<30% wall | Marginal |
| 150 – 200:1|4.5 – 5.0|500 – 650|2,500 – 3,500|0.05 – 0.12|Serangan kecil, tiada penembusan|Ya (ambang) |
| 200 – 300:1|4.5 – 5.0|330 – 500|4,500 – 6,500|0.02 – 0.05|Tiada serangan yang kelihatan|Ya (selamat) |
| >300:1 | 4.5 – 5.0 | <330 | >8000 | <0.02 | Pristine tube sheet | Yes (optimal) |
Data menunjukkan bahawa untuk perkhidmatan 6000-jam yang boleh dipercayai tanpa pembubaran transpasif pada helaian tiub, nisbah molar nitrat-kepada-klorida mesti dikekalkan melebihi 150:1 (kira-kira 500 ppm klorida pada 4.5 M nitrat). Di bawah 100:1, serangan bermula sebelum 1000 jam dan berkembang kepada penembusan dinding yang ketara sebelum 6000 jam.
**Mengapa Helaian Tiub Adalah Lokasi Kritikal**
Lembaran tiub lebih mudah terdedah kepada pembubaran transpasif daripada permukaan tiub yang terdedah secara bebas atas tiga sebab. Pertama, celah antara tiub dan kepingan tiub (biasanya 0.1–0.2 mm) menyekat pertukaran larutan, membenarkan ion klorida menumpukan pada tahap 3–5 kali lebih tinggi daripada larutan pukal. Kedua, lembaran tiub selalunya berada pada suhu yang lebih rendah sedikit daripada tiub yang dipanaskan, yang boleh menyebabkan kecerunan terma yang mendorong penghijrahan ion ke dalam celah. Ketiga, lembaran tiub bersentuhan dengan dinding tangki, yang mungkin merupakan bahan yang berbeza (selalunya keluli karbon atau keluli tahan karat), mencipta kesan galvanik yang boleh mempercepatkan serangan. Gabungan kepekatan klorida, geometri celah, dan kesan galvanik menjadikan kepingan tiub lokasi yang paling terdedah dalam pemasangan pemanas.
**Senario-Panduan Pemilihan Berasaskan: Nitrat-kepada-Nisbah Klorida untuk Pemanas Pengeluaran Baja**
| Keadaan Operasi|Kepekatan Nitrat (M)|Kepekatan Klorida (ppm)|Disyorkan Nisbah N:Cl|Jangka Hayat Lembaran Tiub (jam)|Justifikasi Kejuruteraan |
|--------------------|--------------------------|-----------------------------|-----------------------|----------------------------------|----------------------------|
| Pengeluaran baja standard, kempen 6000 jam|4.5 – 5.0 |<500 | >200:1 | >6000|Menyediakan margin keselamatan melebihi ambang |
| Extended campaign (>8000 jam)|4.5 – 5.0 |<350 | >250:1 | >8000|Reka bentuk konservatif untuk kebolehpercayaan maksimum |
| Klorida yang lebih tinggi daripada air proses (500–800 ppm)|4.5 – 5.0|500 – 800|150 – 200:1|4,500 – 6,000|Marginal; memerlukan pemantauan |
| Kepekatan nitrat yang lebih rendah (3.5 M, pencairan tidak sengaja)|3.5 – 4.0 |<500 | >150:1|4,000 – 5,500|Nitrat yang lebih rendah mengurangkan kuasa pasif |
| Operasi jangka pendek- (<1000 hours) | 4.5 – 5.0 | Any | Any | <1000 | Acceptable for temporary service |
| Kepingan tiub dengan reka bentuk yang dikimpal (tiada celah)|4.5 – 5.0 |<1000 | >100:1 | >6000|Menghapuskan celah membenarkan nisbah yang lebih rendah |
**Kawalan dan Pemantauan Klorida Praktikal**
Tiga langkah praktikal mengekalkan nisbah nitrat-ke-klorida melebihi ambang kritikal. Mula-mula, pantau kepekatan klorida setiap minggu menggunakan kromatografi ion atau klorida-elektrod terpilih; sasarannya ialah<500 ppm Cl⁻. Second, use deionized or demineralized water for bath make-up; process water with high chloride content should be avoided or treated. Third, if chloride levels exceed 500 ppm, add magnesium nitrate to increase the nitrate concentration, restoring the ratio. The consumption of nitrate is approximately 0.1–0.2 M per 1000 hours due to reduction to nitrite or nitrogen oxides. For critical applications, an online nitrate and chloride analyzer can provide continuous monitoring with alarms at 600 ppm Cl⁻.
**Kesimpulan**
Untuk tiub pemanasan titanium gred 2 yang terdedah kepada 20% magnesium nitrat, 5% larutan asid nitrik pada 80 darjah untuk pengeluaran baja, nisbah molar nitrat-ke-klorida minimum untuk 6000 jam perkhidmatan tanpa pelarutan transpasif pada helaian tiub ialah 150:1 (kira-kira 500 ppm.3 nitrat). Di bawah 100:1, serangan helaian tiub bermula sebelum 1000 jam dan berkembang dengan pantas. Lembaran tiub adalah lokasi kritikal kerana kepekatan celah klorida dan pertukaran larutan yang terhad. Jurutera yang menetapkan pemanas titanium untuk pengeluaran baja nitrat harus memantau kepekatan klorida setiap minggu, mengekalkan nisbah nitrat-ke-klorida melebihi 200:1 untuk keselamatan dan mempertimbangkan reka bentuk kepingan tiub dikimpal yang menghilangkan celah. Spesifikasi kimia ini menghalang mod kegagalan yang paling biasa dalam aplikasi pemanasan baja nitrat.
