Mi a hosszú távú teljesítménykülönbség 1,5 mm és 2,5 mm közötti burkolatvastagság között 316 rozsdamentes acél fűtőtestnél 10% foszforsavas nyers szuszpenzióban 80 fokos csiszolókristályokkal

Az alapvető csere{0}}a foszforsav-előállítás szolgáltatásában

A nedves-eljárású foszforsav-előállítás során 10%-os foszforsav nyers szuszpenziója keletkezik kalcium-szulfát-hemihidrát vagy -dihidrát kristályok, el nem reagált foszfátkőzetrészecskék és különböző fémszennyeződések keverékében. Ez egy nagyon agresszív környezet az enyhén savas közeg (pH 1-2) és a szilárd részecskék kombinációja miatt, amelyek erodálják a 316 rozsdamentes acél passzív bevonatát. A foszforsav-koncentrátorokban és a támadótartályokban lévő elektromos merülőfűtők kombinált kémiai korróziónak és mechanikai kopásnak vannak kitéve. A köpenyvastagság (1,5 mm versus 2,5 mm) döntése egy hosszú távú teljesítményszámítás, ahol a vastagabb falban lévő további fémet ki kell egyensúlyozni a nagyobb keresztmetszetű futás termikus és mechanikai hatásaival szemben. Ellentétben a tiszta folyadék szolgáltatással, ahol az egyetlen gond a korrózió, ez az alkalmazás két, egymással kölcsönhatásban lévő leromlási mechanizmus figyelését foglalja magában többéves kampányok során.

Erózió-Korróziós szinergiafüggőség a vastagságtól

A 316-os rozsdamentes acél egyenletes korróziós sebessége tiszta foszforsavban 80 fokon körülbelül 0,1-0,3 mm/év a nyerssavban lévő fluorid és klorid szennyeződések mennyiségétől függően. Tipikusan 10-100 mikron méretű és 2,5-3,0 Mohs-keménységű koptató kristályok (kalcium-szulfát-hemihidrát kristályok) hozzáadásával a lebomlási mechanizmus tiszta korrózióról eróziós{18}}korrózióra vált. A passzív védőbevonatot folyamatosan eltávolítják az ütköző részecskék, amelyek a friss fémet a savnak teszik ki. Az eróziós{21}}korróziós sebesség nem csupán a tiszta eróziós sebesség és a tiszta korróziós sebesség összege. Ehelyett szinergetikus hatás lép fel, ahol a folyamatosan de{29}}passzivált fém korróziós sebessége lényegesen nagyobb, mint egy stabil passzív felület korróziós sebessége. A 316 rozsdamentes acél 10%-os foszforsavban, 5-10%-os részecskékkel, 80 fokos hőmérsékleten és 1,5 m/s-os szuszpenziós sebességgel közölt eredményei évi 0,6-1,2 mm-es eróziós korróziós sebességet mutatnak, ami három-hatszorosa a tiszta korrózió sebességének. A folyamatos erózió-korrózió mellett a perforációig számolt idő 1,3-2,5 év 1,5 mm falvastagság esetén. 2,5 mm-es fal esetén a számított idő 2,1-4,2 év. Ezek a számítások azonban állandó erózió-korróziós sebességet feltételeznek. Valójában a fal vékonyodásával megváltozik a felületen a helyi feszültségeloszlás, és az erózió sebessége is megnőhet, mivel a vékonyabb fal jobban elhajlik a részecskék érintkezésekor, ami nagyobb helyi feszültségekhez vezet, amelyek könnyebben törik a felületet. A foszforsav üzemek hosszú távú teljesítménystatisztikái azt mutatják, hogy az erózió-korrózió aránya általában 20-40%-kal nő, ha a falvastagság 1,0 mm-nél kisebb. Így a 2,5 mm-es fal több fémből indul ki, és hosszabb ideig tart, amíg bekerül ebbe a gyorsulási rendszerbe.

A falak vastagságának mechanikai szerepe és a kristályok ütési energiája

A nyers foszforsav szuszpenzióban lévő csiszolókristályok nem egyszerűen átcsúsznak a felületen, hanem a fűtőberendezés körüli áramlási mintától függően különböző szögekből csapódnak le. Keresztáramban a zagyban lévő részecskék egy hengeres fűtőcső elülső éléhez közel normál szögben (nagy ütési energia, legnagyobb erózió), az oldalakhoz pedig pillantási szögben (kisebb erózió) ütköznek. Az 1,5 m/s sebességgel mozgó kalcium-szulfát kristály ütközési energiája a szemcsemérettől függően 0,5-2 mikrojoule. Ez az energia elegendő ahhoz, hogy a 316-os rozsdamentes acél felületén mikro-plasztikus deformáció alakuljon ki. A képlékenyen torzított réteg mélysége minden egyes találatnál általában 1-5 mikron. Az anyag teljes eltávolítása egy kifáradási folyamat révén valósul meg, nagyszámú ütéssel: az ismétlődő ütközések munkakeményedést, töréskezdeményt és végül kis fémdarabok szétválását eredményezik. Az anyageltávolítási sebesség fordított arányban áll a fém keménységével, és attól is függ, hogy az alatta lévő ömlesztett anyag mennyire képes elnyelni az ütközési energiát, anélkül, hogy széttörne. A vastagabb fal nagyobb rugalmas alapot eredményez az ütköző felület alatt. A 316-os rozsdamentes acél rugalmassági modulusa 193 GPa, és a csőfal merevsége hajlításkor arányos a vastagság köbével egy adott külső átmérőhöz. A 2,5 mm-es falvastagság hajlítási merevsége körülbelül 4,6-szorosa az 1,5 mm-es falvastagságnak (2,5³/1,5³=4.6). A megnövekedett merevség csökkenti a dinamikus elhajlást a részecskék ütközésekor, és ezáltal csökkenti az érintkezési csúcsfeszültséget és az eróziós sebességet. A foszfortartalmú növényi fűtőberendezéseken végzett terepi megfigyelések azt mutatják, hogy a 2,5 mm-es falcsövek eróziós sebessége az élen gyakran 20-30%-kal kisebb, mint az 1,5 mm-es falcsövek azonos zagyos körülmények között, pusztán a merevség hatására.

Vastagabb fal hőteljesítmény-büntetése elszennyeződés esetén

A foszforsavas nyerszagy köztudottan szennyez. A kalcium-szulfát kristályok hajlamosak felhalmozódni a forró felületeken. Emiatt vízkő képződik, amely szigeteli a csövet és korlátozza a hőátadást. A vízkőképződés sebessége a kalcium-szulfát oldhatósági görbéjéhez viszonyított felületi hőmérséklettől függ. Amikor a hüvely hőmérséklete 90-95 fok felett van, a kalcium-szulfát-hemihidrát oldhatósága csökken, és a kiválása felgyorsul. Egy 1,5 mm-es, 6 W/cm2 wattsűrűségű fali fűtőtest 80 fokos ömlesztett savban körülbelül 95{19}}100 fokos burkolat felületi hőmérséklete a gyorsított vízkőképződés küszöbén. Ugyanazon wattsűrűség mellett egy 2,5 mm-es fal 110-120 C-os köpenyhőmérséklethez vezet, ami jóval a skálatartományba esik. A 2,5 mm-es falú cső gyorsabban-felhalmozódik és vastagabb, mint az 1,5 mm-es cső. Amint a vízkőréteg a helyére került, hozzáadja saját hőellenállását, ami egy önerősítő ciklusban még magasabbra tolja a burkolat hőmérsékletét. A 2,5 mm-es fal effektív hőellenállásának 4,0 mm-nek megfelelő falvastagsága 0,5 mm-es kalcium-szulfát-réteggel. Ez a vízkő nem csak gátolja a hőszállítást, hanem repedéseket is hoz létre az ömlesztett sav kémia alatt, amelyek lokálisan koncentrálódnak és felgyorsítják a korróziót. Így a két vastagság hosszú távú teljesítményének különbsége alapvetően függ a skála beállítási képességétől. A 2,5 mm-es fal meghosszabbítja az eróziós-korróziós élettartamát üzemekben mechanikai tisztítással (fonó vagy kaparó) vagy vegyi vízkőmentesítéssel. Az 1,5 mm-es fal valóban jobban teljesíthet azokban a növényekben, ahol megengedett a vízkő begyűjtése. Az alacsonyabb felületi hőmérséklet késlelteti a vízkőképződést, és amikor vízkő képződik, a vékonyabb alapfal nagyobb hőáramot tart fenn a kombinált fal plusz vízkőrétegen keresztül.

Termikus kerékpározás és differenciál-tágulási feszültségek

A foszforsav-koncentrátorok szakaszos ciklusokban vagy szakaszos betáplálással működnek, és a fűtőelemet termikusan körbeforgatják környezeti hőmérsékletről 80 fokra és vissza. Minden fűtési ciklus eltérő tágulási feszültséget okoz az ellenálláshuzal, a magnézium-oxid szigetelés és a rozsdamentes acél köpeny között. Mivel a vastagabb szakasz jobban ellenáll a hőtágulásnak és összehúzódásnak, ezeknek a feszültségeknek az amplitúdója arányos a köpeny vastagságával. A 316-os rozsdamentes acél tágulási együtthatója 80 fokos hőmérséklet-eltolódás esetén nagyjából 0,1% (16 × 10-6/fok x 80 fok=0.00128). Egy 12 mm-es külső átmérőjű csőnél ez a tágulás 0,015 mm. Egy 1,5 mm-es fal könnyebben kezeli a rugalmas alakváltozás miatti tágulást, mint egy 2,5 mm-es fal. A vastagabb fal több ezer cikluson keresztül nagyobb ciklikus nyomásnak van kitéve a köpeny és a magnézium-oxid szigetelés érintkezésénél. Ez a szigetelés megrepedéséhez vezethet, ami csökkenti a dielektromos szilárdságot, és végül elektromos meghibásodáshoz vezethet. A foszforüzemekből származó hosszú távú teljesítményadatok azt mutatják, hogy a 2,5 mm-es fali fűtőtesteknél nagyobb az elektromos meghibásodás (a szigetelés meghibásodása) aránya, mint az 1,5 mm-es falfűtőknél 3-5 év használat után, még akkor is, ha a 2,5 mm-es fal még megfelelő fémvastagsággal rendelkezik. A vastagabb fal feláldozza a korróziós-eróziós élettartamot a termikus kifáradás miatt.

Hosszú távú-teljesítmény-összehasonlítás Absztrakt

Teljesítmény metrikus 1,5 mm-es hüvely 2,5 mm-es hüvely
Erózió{0}}korróziós sebesség 1,5 m/s-os iszapnál 0,6-1,2 mm/év 0,5-0,9 mm/év (20-30%-kal alacsonyabb a merevség miatt)
A perforációig eltelt idő (becsült) 1,3-2,5 év 2,8-5,0 év
A köpeny hőmérséklete 6 W/cm²-nél 95-100 fok 110-120 fok
Méretezési sebesség (kalcium-szulfát) Közepes (küszöbérték) Magas (gyorsított üzemmód)
Termikus kifáradási élettartam (ciklusok a szigetelés meghibásodásáig) 4000-7000 ciklus 8000-12000 ciklus
A foszforüzemek jellemző élettartama 2-4 év (korlátozott méretben) 3-5 év (termikus kifáradás korlátozott)
Legjobb használat Vízkőmentesítési képességgel, kötegelt működéssel rendelkező berendezések Folyamatos szolgáltatás, kevés méretezési lehetőséggel
Gyakorlati stratégiák az élettartam meghosszabbítására a vastagságon túl

A burkolat vastagsága önmagában nem oldja meg a foszforsav-iszap problémáját. Három egymást kiegészítő megoldást mutattak be, amelyek meghosszabbítják a fűtőelem élettartamát a pusztán a vastagság alapján előre láthatónál. 1. Áramlás-szabályozás: ha a fűtőcsöveket merőleges helyett párhuzamosan állítják a hígtrágya áramlásával, 40-60%-kal csökkenti az ütési szöget és az eróziós arányt. Másodszor, felületedzés: A 316-os rozsdamentes acél felületének nitridálása vagy bórozása 200 HV-ról 800-1000 HV-ra emeli a keménységet, nagymértékben csökkentve az erózió mértékét a hőállóság növelése nélkül. Egy 1,5 mm-es, keményebb felületű cső kétszer olyan tartós lehet, mint egy szívós felület nélküli 2,5 mm-es cső. Harmadszor, a vízkőkezelés az ömlesztett savhőmérséklet 75 fok alatti tartásával vagy vízkőgátlók, például poliakrilátok használatával a köpeny felületét a kalcium-szulfát kiválási küszöb alatt tartja, így vékonyabb, hőhatékonyabb falak alkalmazása lehetséges. Egyes üzemek 1,2 mm-es fali fűtőtesteket használtak felületkeményítéssel és vízkőgátlóval öt vagy több éve problémamentesen, míg a kezeletlen 2,5 mm-es falfűtők vízkő okozta túlmelegedés miatt hibásodtak meg.

Következtetés: A teljesítménykülönbség a működési feltételekkel magyarázható

Az 1,5 mm és 2,5 mm falvastagság közötti hosszú távú teljesítménykülönbség 316 rozsdamentes acél fűtőtestnél 10%-os foszforsavas nyerszagyban 80 fokon nem egyszerű előny a vastagabb falak esetében. A 2,5-mm-es fal 1,5-2,0-szeres eróziós-korróziós élettartamot biztosít folyamatos, alacsony-vízkőképződés esetén, de magasabb felületi hőmérséklettől, ami növeli a vízkőképződést, és csökkenti a hőfáradási élettartamot, erózió{18}}korrózió. A legtöbb foszforsavas üzem esetében az optimális vastagság e két szélső érték között van, körülbelül 1,8-2,0 mm, felületkeményítés és vízkőszabályozás mellett. Ha egy jó vízkőszabályozású és folyamatos üzemű üzem kénytelen a kettő között választani, akkor a 2,5 mm-es falat kell kiválasztani az eróziós-korróziós élettartam maximalizálása érdekében. A szakaszos üzemmódban működő, gyakori hőciklussal vagy korlátozott vízkőmentesítési képességgel rendelkező berendezéseknél 1,5 mm-es falvastagságot kell választani a vízkőképződés és a hőfáradás miatti hibák elkerülése érdekében. A felületkezelési igényeknek és az áramlási iránynak adottnak kell lennie a specifikációban, így az egyszerű vastagságválasztás teljes értékű iszapkezelő fűtőberendezéssé válik.