عند تسخين كلوريد الحديديك المنصهر (42 درجة Bé) عند 50 درجة، لماذا يظهر التيتانيوم من الدرجة 7 معدلات تآكل عامة أقل (0.01 مم/سنة) من الدرجة 2 (0.2 مم/سنة)؟

يعد كلوريد الحديديك (FeCl₃) عند 42 درجة Bé (حوالي 38-40% FeCl₃ بالوزن) هو الوسيلة النموذجية لحفر لوحات الدوائر المكسوة بالنحاس - وللطحن الكيميائي للمعادن. المحلول مؤكسد للغاية وشديد الحموضة (الرقم الهيدروجيني 0.5-1.0) ويحتوي على حوالي 200-250 جم/لتر من أيونات الكلوريد. يُستخدم التيتانيوم على نطاق واسع في السخانات الغاطسة في خطوط الحفر FeCl 3 نظرًا لمقاومته الممتازة لتنقر الكلوريد في ظل ظروف الأكسدة. ولكن هناك اختلافات مهمة بين التيتانيوم النقي من الدرجة الثانية تجاريًا والتيتانيوم من الدرجة السابعة المثبت بالبلاديوم. في الخدمة طويلة المدى عند 50 درجة، يكون معدل التآكل العام للصف 7 هو 0.01-0.03 ملم سنويًا بينما يتآكل الصف 2 عند 0.15-0.25 ملم سنويًا، بعامل 10 فرق. تصف هذه الورقة الآلية الكهروكيميائية لفجوة الأداء هذه وتحدد متى يتم تبرير التكلفة الإضافية للصف السابع من خلال انخفاض معدل التآكل.

كلوريد الحديديك كعامل مؤكسد
يعتبر كلوريد الحديديك مادة مؤكسدة قوية بسبب زوج الأكسدة والاختزال Fe 3+ /Fe 2+ مع إمكانية الاختزال النموذجية البالغة +0.77 V مقابل SHE. الإمكانات الفعالة هي +0.6 إلى +0.8 V مقابل SCE في محلول مركز عند 50 درجة. يجب أن تكون هذه بيئة مؤكسدة للغاية ومن المتوقع أن تؤدي إلى تخميل التيتانيوم بالكامل. كل من الصف 2 والصف 7 سلبي. الطبقة السلبية في التيتانيوم ليست ثابتة، ولكنها تذوب وتتشكل بشكل مستمر. يتم التحكم في معدل الذوبان من خلال كيمياء واجهة محلول التيتانيوم-، وخاصة تركيز الأنيونات المعقدة (الكلوريد) ووجود محفزات المعادن النبيلة.

آلية التآكل FeCl3 من الدرجة الثانية
يتم إذابة طلاء TiO₂ السلبي على التيتانيوم من الدرجة 2 في محلول FeCl₃ كيميائيًا ببطء TiO₂ + 4Cl⁻ + 4H⁺ → TiCl₄ + 2H₂O. يتم تحلل TiCl₄ إلى أنواع قابلة للذوبان. بالتزامن مع التفكك، يتم إعادة تشكيل الغشاء -بواسطة تفاعل التيتانيوم مع الماء أو الأكسجين. معدل التآكل الثابت عند 50 درجة هو 0.15-0.25 ملم سنويًا، نتيجة الفرق بين معدلات الذوبان وإعادة التحلل. يعتمد المعدل على درجة الحرارة: عند درجة 40 درجة يتآكل الصف الثاني عند 0.05-0.10 ملم/سنة، وعند 60 درجة يقفز المعدل إلى 0.4-0.6 ملم/سنة.

التآكل منتشر (عالمي) وليس تأليب. سوف يترقق جدار الأنبوب من الدرجة الثانية ببطء وبشكل موحد خلال أشهر التشغيل. سوف يفقد الأنبوب بسمك 1.65 مم المستخدم عند 50 درجة حوالي 0.2 مم سنويًا، مما يؤدي إلى عمر خدمة يتراوح من 5 إلى 8 سنوات حتى يتم الوصول إلى الحد الأدنى المسموح به لسمك الجدار (عادةً 1.0 مم للسلامة الميكانيكية).

المعالجة الكاثودية من الدرجة السابعة
Titanium in grade 7 contains between 0.12 to 0.25% palladium, which is dispersed as fine islands throughout the titanium matrix. Titanium has a good cathodic site and is less noble than Palladium. The main cathodic reaction on Pd in FeCl3 solution is . Fe3+ + e- ->Fe2+ يبدأ هذا التفاعل عند جهد زائد أقل على البلاديوم منه على التيتانيوم، مما يشير إلى أن غالبية التيار الكاثودي يحدث في مواقع البلاديوم. تستقطب مصفوفة التيتانيوم إلى إمكانات أكثر نبلًا، وغالبًا ما تكون +0.3 إلى +0.5 V أكثر نبلاً من الدرجة 2 في نفس الظروف.

نظرًا لأن هذه الإمكانية النبيلة، ينخفض ​​معدل ذوبان فيلم TiO₂ بشكل كبير. تشير الاختبارات الكهروكيميائية إلى أن كثافة التيار السلبي من الدرجة 7 في FeCl3 عند 50 درجة هي 0.5-1.0 μA/cm2، وهو ما يعادل معدل تآكل قدره 0.005-0.010 ملم في السنة. لا يحتاج البلاديوم إلى تغطية السطح بالكامل، لأن 0.5-1.0% من جزر البلاديوم على السطح كافية لضمان الحماية الكاثودية.

مقارنة الأداء-على المدى الطويل
يتم التحقق من الصحة الميدانية من خلال البيانات الميدانية من مرافق حفر ثنائي الفينيل متعدد الكلور باستخدام 42 درجة Bé FeCl 3 عند 50 درجة. عادةً ما تتمتع سخانات التيتانيوم من الدرجة الثانية (جدار 1.65 مم) بعمر ترقق الجدار من 5 إلى 7 سنوات وتحتاج إلى الاستبدال. تعمل سخانات الدرجة 7 (جدار 1.65 مم) في الخدمة لمدة 15+ سنوات مع فقدان سُمك جدار مُقاس يبلغ إجماليه أقل من 0.2 مم. تكلف الدرجة 7 مقدمًا أكثر (حوالي 30-40% أكثر من الدرجة 2)، ولكنها تدفع تكاليفها من خلال عمر خدمة أطول ووقت توقف أقل.

المادة معدل التآكل العام عند 50 درجة الوقت حتى فقدان الجدار بنسبة 50% (1.65 مم إلى 0.8 مم) تكلفة عامل التكلفة النسبية للتطبيق-فعالة
تيتانيوم درجة 2 0.15-0.25 مم/سنة 3-5 سنوات 1.0x حجم منخفض، نقش متقطع
تيتانيوم درجة 7 0.01-0.03 مم/سنة 15-25 سنة 1.3-1.4x عملية مستمرة ومكثفة الحجم
Hastelloy C-276 0.02-0.05 ملم/سنة 10-15 سنة 2.5-3.0x فقط التطبيقات المتخصصة
مصفوفة تطبيق اختيار مصدر الحرارة FeCl₃
درجة حرارة عملية الحفر، معدل دوران الحمام، درجة التيتانيوم الموصى بها، عمر السخان المتوقع (جدار 1.65 مم)
انخفاض-حجم النماذج الأولية لثنائي الفينيل متعدد الكلور 50 درجة متقطع، يتغير الحمام شهريًا الصف 2 5-7 سنة
تصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور بكميات كبيرة 50 درجة متواصلة، درجة تجديد الحمام 7 12-15 سنة
النقش الكيميائي (معدن سميك) 55-60 درجة استخدام عالي، درجة متواصلة 7 8-10 سنة
FeCl₃ المتجدد (منخفض Fe²⁺) 50 درجة درجة مستمرة 7 15+ سنة
يستخدم FeCl₃ (Fe²⁺ عالي، أقل أكسدة) 50 درجة التخلص من الدفعة الصف 2 4-6 سنة
يؤدي التعديل الكاثودي بواسطة البلاديوم في التيتانيوم من الدرجة 7 إلى معدلات تآكل إجمالية تبلغ حوالي واحد على عشرين من تلك الموجودة في الدرجة الثانية في كلوريد الحديديك عند 42 درجة B و50 درجة مئوية. تعمل مواقع البلاديوم على تعديل إمكانات سطح التيتانيوم إلى قيمة أكثر نبلًا، مما يؤدي إلى انخفاض في انهيار الفيلم السلبي. بالنسبة لعمليات الحفر المستمرة ذات الإنتاج العالي- حيث تكون الاعتمادية على السخان وعمر الخدمة الطويل لهما أهمية أساسية، فإن تكلفة البدء الأعلى للصف 7 لها ما يبررها. تظل الدرجة 2 هي الاختيار الفعال من حيث التكلفة للاستخدام المتقطع أو المنخفض الحجم حيث يكون عمر السخان 5-7 سنوات مقبولاً. عند التحديد اسأل عن معدل التآكل الفعلي المسجل في محلول FeCl3 المحدد. يمكن أن تؤثر الملوثات النادرة (النحاس والنيكل) على الأداء.