Zirkoniumcorrosiebestendigheid bij gebruik van salpeter- en fosforzuur

Waarom zirkonium wordt gekozen voor agressieve chemische toepassingen

Zirkonium is een reactief metaal waarvan de corrosieweerstand voortkomt uit een dunne, hardnekkige en zelf-herstellende oxidefilm. Zodra die film zich in de lucht of in een oxiderend medium heeft gevormd, is het metaal bestand tegen vele processtromen die koolstofstaal en zelfs roestvrij staal vernietigen. Ongelegeerd industrieel zirkonium wordt geleverd als strip, plaat en plaat volgens ASTM B551/B551M, als staaf en draad volgens ASTM B550/B550M, en als naadloze of gelaste buis volgens ASTM B523/B523M, zodat het kan worden gespecificeerd als een volledig gecontroleerd constructiemateriaal voor drukapparatuur, warmtewisselaars, kolommen, leidingen en pompen in chemische fabrieken.

Corrosiegedrag in salpeterzuur

Zirkonium heeft een goede corrosieweerstand in 95% salpeterzuur onder de 200 graden. De passieve film blijft stabiel zolang het zuur oxideert en een minimaal watergehalte behoudt. Bij droog rood rokend salpeterzuur is de situatie anders: net als bij titanium kunnen snelle oxidatie en zelfs explosieve reacties worden veroorzaakt wanneer het watergehalte en de zuurstof-stikstofoxide-balans buiten het veilige venster vallen. De vastgestelde tegenmaatregel is het handhaven van een gedefinieerd evenwicht tussen waterdamp en zuurstof in de dampruimte boven de vloeistof, in plaats van alleen op het metaal te vertrouwen.

De uniforme corrosiesnelheden in salpeterzuur zijn laag, maar zirkonium is gevoelig voor spanningscorrosie. Het risico moet worden beoordeeld over het hele spectrum van salpeterzuurconcentraties en -temperaturen, zowel in geconcentreerde als verdunde media, en wordt voornamelijk beheerst door middel van metallurgie en fabricagediscipline: volledig uitgegloeid materiaal, lage restspanning en scheurvrije lassen.

De praktische gevolgen voor het ontwerp van apparatuur zijn eenvoudig. Dampruimten moeten net zo zorgvuldig worden beoordeeld als de vloeistof, aangezien de chemie van condensaat sterk kan verschillen van de chemie van bulkzuur, en gebieden waar vloeistof kan verdampen en zich kan concentreren bijzondere aandacht verdienen.

Corrosiegedrag in fosforzuur

Zirkonium is corrosiebestendig in kokend fosforzuur bij concentraties onder 60%. Bij 60% H3PO4 neemt de corrosiesnelheid scherp toe naarmate de temperatuur stijgt, zodat het bruikbare venster boven die concentratie snel kleiner wordt. Om te beoordelen of zirkonium geschikt is voor een bepaalde fosforzuurbelasting, moet eerst de feitelijke samenstelling van het medium worden bepaald, omdat normaal gesproken de kleinere bestanddelen en niet het zuur zelf de uitkomst bepalen.

Fluoride (F-) is duidelijk ongunstig voor de corrosieweerstand van zirkonium en moet strikt worden beperkt, terwijl P2O5 aanwezig in de procesvloeistof als een effectieve corrosieremmer werkt. Fosforzuurfabrieken met een nat-proces vergelijken daarom de volledige vloeistofanalyse, het temperatuurprofiel en het verwachte fluorideniveau voordat ze overgaan op zirkonium voor warmtewisselaars, herverdampers, roerwerken of leidingen.

Service-envelop in één oogopslag

Medium en conditie	Zirkonium gedrag	Ontwerpnotitie
95% salpeterzuur, onder 200 graden	Goede corrosiebestendigheid	Oxiderend, water-houdend zuur houdt de passieve film stabiel
Droog rood rokend salpeterzuur	Risico op snelle oxidatie	Zorg voor een evenwichtig waterdamp- en zuurstofniveau in de dampruimte
Salpeterzuur, geconcentreerd of verdund	Laag uniform tarief, scheurvorming mogelijk	Volledig uitgloeien, resttrekspanning vermijden, lassen kwalificeren
Fosforzuur minder dan 60%, kokend	Corrosiebestendig	Bevestig de samenstelling van de drank vóór selectie
Fosforzuur bij 60% en stijgende temperatuur	Het corrosiepercentage stijgt sterk	Stel een conservatieve maximale bedrijfstemperatuur in
Fosforzuur dat fluoride bevat	Aanval versneld met F-	Beperk fluoride; Het P2O5-gehalte werkt als een remmer

Fabricage- en ontwerppraktijk

Volledig uitgegloeide en gelaste componenten om resterende trekspanningen te verwijderen en het risico op scheuren te verminderen.

Las onder bescherming met inert gas volgens gekwalificeerde procedures en houd de warmte-inbreng en de interpass-temperatuur onder controle.

Sluit fluoride-houdende schoonmaakmiddelen, beitsresten en markeerinkten uit van het oppervlak van afgewerkte apparatuur.

Ontwerp voor volledige drainage en vermijd spleten en stagnerende zones waar agressieve soorten zich kunnen concentreren.

Houd rekening met de waterstofopname en hydridevorming wanneer apparatuur in natte, waterstof-geladen of kathodisch beschermde omstandigheden werkt.

Controleer de thermische uitzetting, de lage thermische geleidbaarheid en de neiging tot vreten bij het selecteren van buis-naar-buisplaatverbindingen en bevestigingsmiddelen.

Typische toepassingen

Zirkoniumapparatuur wordt gebruikt voor salpeterzuurkoelers en condensors, apparatuur voor ureum- en ammoniumnitraatfabrieken, fosforzuurwarmtewisselaars en herverdampers, organisch-chemische reactoren, leidingen en kleppen die hete oxiderende zuren verwerken, en zout- en zwavelzuurservice waarbij de concentratie en temperatuur goedkopere alternatieven uitsluiten. Dezelfde combinatie van corrosiebestendigheid en warmteoverdrachtsprestaties ondersteunt ook het gebruik in speciale instrumenten, chemische pompen en laboratoriumapparatuur.

Veelgestelde vragen

Vraag: Is zirkonium in alle concentraties bestand tegen salpeterzuur?
Het is goed bestand tegen 95% salpeterzuur onder de 200 graden Celsius, maar droog rood rokend salpeterzuur vereist dampfasecontrole, en spanningscorrosie moet zowel bij geconcentreerde als bij verdunde toepassingen in aanmerking worden genomen.

Vraag: Waarom is spanningscorrosie een probleem bij salpeterzuur?
Omdat de uniforme corrosiesnelheid laag is, maar de legering kan barsten onder trekspanning tijdens HNO3-gebruik, bepalen restspanning en laskwaliteit, en niet alleen de corrosietoeslagen, de levensduur van de apparatuur.

Vraag: Hoe beïnvloedt fluoride zirkonium in fosforzuur?
Fluoride versnelt de aanval sterk en moet worden beperkt, terwijl het van nature in proceszuur aanwezige P2O5 als remmer werkt en de vooruitzichten verbetert.

Vraag: Bij welke fosforzuurconcentratie is zirkonium niet meer geschikt?
Het is corrosiebestendig bij kokend zuur onder de 60%; bij 60% neemt de corrosiesnelheid sterk toe met de temperatuur, dus hogere concentraties vereisen een evaluatie van geval-}- van de echte vloeistof.

Vraag: Welke normen hebben betrekking op industriële zirkoniummolenproducten?
ASTM B551/B551M omvat strippen, platen en platen, ASTM B550/B550M omvat staaf en draad, en ASTM B523/B523M omvat naadloze en gelaste buizen voor algemene corrosie-bestendige service.

Vraag: Wat is de nuttigste stap voordat u zirkoniumapparatuur bestelt?
Stel de werkelijke samenstelling van het procesmedium vast, inclusief fluoride-, water- en remmerniveaus, bij elke temperatuur die de apparatuur zal zien, inclusief uitschakel- en reinigingsomstandigheden.