À quelle combinaison spécifique de concentration et de température d'acide sulfurique une gaine en acier inoxydable 316 de 2,0 millimètres nécessite-t-elle un déclassement inférieur à 5 watts par centimètre carré pour éviter la corrosion active dans les bains de décapage des métaux ?

Les ingénieurs de procédés qui construisent des thermoplongeurs électriques pour les bains de décapage des métaux dans les aciéries et les industries de fabrication de métaux sont confrontés à l'une des conditions les plus difficiles pour les gaines en acier inoxydable 316 lorsqu'elles sont confrontées à de l'acide sulfurique à des températures extrêmes. Les bains de décapage fonctionnent généralement à des températures de 60 à 90 degrés et des concentrations d'acide sulfurique de 10 à 25 %, souvent avec des sels de fer dissous, ce qui complique encore davantage le comportement à la corrosion. Une épaisseur de paroi de 2,0 mm est souvent choisie pour tenir compte de la corrosion et pour donner une résilience mécanique aux turbulences du bain et au contact avec la pièce. Cependant, un fonctionnement à des densités de watts normales de 8-12 W/cm2 entraîne une température de surface de la gaine supérieure de 20 à 40 °C à la température du bain global, ce qui peut conduire la gaine à entrer dans un régime de corrosion active avec des taux de corrosion supérieurs à 5 mm par an. Dans cet article, nous identifions les combinaisons température-concentration applicables pour lesquelles une gaine 316 de 2,0 mm doit être déclassée en dessous de 5 W/cm2 pour rester dans le régime de corrosion passive.

Acier inoxydable 316 dans l'acide sulfurique : la transition du passif à l'actif
L'article 30 stipule que dans l'acide sulfurique, la transition passive-active de l'acier inoxydable 316 dépend largement de la température et de la concentration. Les taux de corrosion sont < 0,2 mm an−1 en régime passif. En régime actif, les taux sont de 5-20 mm par an. La limite de transition des conditions du bain de décapage suit une certaine courbe. La température de transition de 10 pour cent. l'acide sulfurique est à environ 55 degrés C. À 15 %, la transition est de 45 degrés. À 20%, la température descend à 38 degrés. Il atteint 32 degrés . - 25 %. Pour un appareil de chauffage dans un bain en vrac à 70 degrés avec 15 % d'acide sulfurique, l'état en vrac à lui seul dépasse déjà la température de transition de 45 degrés - le bain est activement corrosif jusqu'à 316 sans flux de chaleur . 316 n'est pas approprié dans ces circonstances, quelle que soit l'épaisseur de la paroi ou la densité en watts. Cependant, de nombreux bains de décapage se trouvent dans la zone de transition où les conditions globales sont passives, mais l'augmentation de la température de surface de la gaine, due au flux thermique, pousse la gaine en régime actif. L'augmentation de température de la masse à la surface de la gaine est d'environ 25 à 30 degrés pour une gaine de 2,0 mm à 10 W/cm². Un bain en vrac à 40 degrés avec 15 % d'acide (passif) entraîne une température de surface de la gaine de 65 à 70 degrés, ce qui dépasse la transition de 45 degrés, de sorte qu'une corrosion active se produit à la surface de la gaine malgré le fait que le bain en vrac est passif.

Seuils critiques de déclassement Gaine de 2,0 millimètres
Les besoins en déclassement résultant des tests de corrosion de 316 échantillons, à des températures et des concentrations pertinentes pour les bains de décapage, sont les suivants. Gaine avec paroi de 2,0 mm. Les valeurs correspondent à la densité de watts maximale qui maintient la température de la surface de la gaine au moins 5 degrés en dessous de la température de transition passive-active pour la concentration globale donnée.

Concentration d'acide sulfurique en vrac Température du bain en vrac Passif-Température de transition active à cette concentration Température maximale de la surface de la gaine (transition – marge de sécurité de 5 degrés)Max. Densité de watts admissible pour 2,0 mm. Gaine Action recommandée 10 % 30 degrés 55 degrés 50 degrés 12 W/cm² Sûr à densité de watts standard
10 % 40 degrés 55 degrés 50 degrés 6 W/cm² Déclassement 10 % 45 degrés 55 degrés 50 degrés 3 W/cm2 Marginal ; Envisager une amélioration de l'alliage de 10 % Au-dessus de 48 degrés 55 degrés 50 degrés ImpossibleTitane ou alliage 20
15 % 25 °C 45 °C 40 °C 10 W/cm2 Sans danger pour une densité de watts modérée
15 % 30 degrés 45 degrés 40 degrés 6 W/cm² Déclassement nécessaire
15% 35 degrés 45 degrés 40 degrés 2 W/cm2 Pas pratique changer d'alliage
15 % Au-dessus de 38 degrés 45 degrés 40 degrés Pas possible 316 pas pratique
20 % 20 degrés 38 degrés 33 degrés 8 W/cm² Sûr à faible densité de watts
20 % 25 °C 38 °C 33 °C 4 W/cm2 Déclassement majeur 20 % Au-dessus de 28 °C 38 °C 33 °C Impossible 316 non adapté
25% <25°C 32°C 27°C <3 W/cm² 316 not recommended
25 % > 25 degrés 32 degrés 27 degrés Impossible Utiliser l'alliage 20 ou le titane
Pour un bain de décapage typique à 15 % d'acide sulfurique et à une température globale de 35 degrés, la gaine 316 de 2,0 mm doit être égale ou inférieure à 2 W/cm2 pour éviter la corrosion active. À cette densité de watts, le radiateur serait un radiateur peu pratique pour des besoins de puissance moyens de 10-20 kW. Le 316 n’est donc pas la bonne solution pour ce service. Les ingénieurs devraient envisager d'utiliser l'alliage 20 (Carpenter 20) ou l'alliage 825, qui ont tous deux des températures de transition passive-active de 30 à 50 degrés supérieures à 316 dans l'acide sulfurique.

Modifications de conception pour empêcher la corrosion active sans déclassement
Si les conditions du bain de décapage sont proches de la limite de transition et qu'une gaine 316 de 2,0 mm est déjà en place ou est nécessaire, trois ajustements de conception peuvent éviter la corrosion active sans faire chuter la densité en watts en dessous des limites pratiques. La première consiste à améliorer la circulation de l’acide sur la surface chauffante. L'écoulement turbulent avec une vitesse de 1 à 2 m/s diminue l'augmentation de la température de la surface de la gaine de 25 à 30 à 10 à 15 degrés, ce qui peut empêcher la gaine d'atteindre le point de transition. La deuxième modification consiste à ajouter un agent oxydant dans le bain. De petits ajouts d'ions ferriques ou de peroxyde d'hydrogène peuvent décaler la transition passive-active vers des températures plus élevées de 10-20 degrés C, revenant ainsi à un comportement passif. Le troisième changement concerne la conception du chauffage à double densité de watts, qui présente une densité de puissance plus faible dans la partie inférieure du bain, avec les températures les plus élevées en raison de la stratification. Pour la plupart des applications de bains de décapage, la solution technique consiste à passer du 316 à un alliage plus résistant. Généralement, la différence de coût entre une gaine 316 de 2,0 mm et une gaine en Alloy 20 de même taille est de 30 à 50 %, mais la durée de vie passe de quelques mois à 5 à 10 ans. Lors de la spécification de réchauffeurs pour bains de décapage, les ingénieurs doivent fournir au fournisseur la composition complète du bain, la plage de température et le degré de turbulence prévu. Si le fabricant recommande 316 pour 15 % d'acide sulfurique à 50 degrés et ne parle pas de déclassement ou de possibilité de corrosion active, il ne donne pas de conseils compétents. Le passage de la corrosion passive à la corrosion active dans l’acide sulfurique est rapide et impitoyable. Une gaine de 2,0 mm qui perd 5 mm/an en corrosion active se perforera en moins de 5 mois. Déclassement<5 W/cm 2 is seldom feasible for commercial pickling baths, therefore alloy upgrade remains the only reliable remedy for most applications.