Lorsqu'un radiateur électrique à gaine de titane est utilisé dans un processus d'élution d'or à petite échelle (solution de cyanure à 110 degrés, 3 bars), quel est le rapport entre l'épaisseur de la paroi et le risque d'absorption d'hydrogène et de fragilisation ultérieure ?

Le compromis fondamental-dans la conception de radiateurs en titane pour l'élution du cyanure et de l'or
Les procédures d'élution de l'or impliquent l'utilisation de solutions de cyanure (0,5 à 2 % de NaCN) à 110 degrés et sous une pression de 3 bars pour éliminer l'or du charbon actif. Les réchauffeurs à boîtier en titane sont choisis pour les milieux au cyanure en raison de leur résistance à la corrosion. Mais dans les solutions de cyanure, à des températures élevées, le titane peut absorber de l'hydrogène. Dans le cyanure, la réaction cathodique donne de l'hydrogène : 2H2O + 2e- → H2 + 2OH- (en l'absence d'oxygène). L'hydrogène atomique peut pénétrer dans le réseau de titane. Lorsque la concentration d'hydrogène atteint 200 à 300 ppm, l'hydrure de titane fragile (TiH 2 ) sera généré, conduisant à la fragilisation et à la fracture. L'épaisseur de la paroi détermine le gradient de concentration en hydrogène et le temps nécessaire pour atteindre des niveaux critiques de fragilisation. Les parois épaisses disposent de plus d’espace pour absorber l’hydrogène avant d’atteindre la concentration critique, mais également de voies de diffusion plus longues. Cette enquête évalue le lien entre l'épaisseur de paroi et le risque de fragilisation par l'hydrogène en service au cyanure à haute température.

Effets sur l'intégrité mécanique : diffusion d'hydrogène et formation d'hydrure
La passivation conduit à un taux de corrosion extrêmement faible (<0.01 mm/y) of Grade 2 titanium in cyanide solutions at 110°C and 3 bar. However, the cathodic process generates atomic hydrogen, which can be absorbed to the lattice of titanium. The pace at which hydrogen is taken up depends on the concentration of cyanide, temperature and the presence of oxidising chemicals. The rate of absorption in deaerated cyanide (used in the pressurized elution columns) is 10-30 ppm/month. At this rate critical concentration (250 ppm) is achieved in 8-25 months. Titanium loses its ductility and may crack under residual loads from bending or welding when hydrides occur.

La deuxième loi de diffusion de Fick relie l'épaisseur de la paroi au temps nécessaire pour atteindre la concentration critique d'hydrogène. Pour une approximation de plaque plate (conservatrice pour les tubes), le temps pour atteindre une certaine concentration d'hydrogène à mi-épaisseur est lié au carré de l'épaisseur : t_critique ∝ t². Le doublement de l’épaisseur de la paroi quadruple le temps nécessaire pour atteindre une fragilisation critique au niveau de la ligne médiane. Les parois plus épaisses offrent un avantage significatif en termes de résistance à la fragilisation par l'hydrogène.

Effet sur les performances thermiques Gradient de température et diffusion
La diffusion de l'hydrogène est affectée par le gradient thermique sur la paroi en titane. Le coefficient de diffusion de l'hydrogène dans le titane est donné par une loi d'Arrhenius D=D_0 exp(-E_a/RT). D=2.5 × 10⁻¹¹ m²/s à 110 degrés. La perte de température sur un mur de 1,0 mm à 2,0 W/cm 2 est d'environ 1,2 o C. sur un mur de 2,0 mm, elle est de 2,4 o C. La paroi intérieure (en contact avec l'isolant MgO) est plus chaude et a un coefficient de diffusion un peu plus élevé (de l'ordre de 5 % par degré). Ce gradient augmente quelque peu l'absorption d'hydrogène pour les parois plus épaisses, ce qui compense partiellement le gain t2. Mais le lien global est que des murs plus grands offrent une durée de vie beaucoup plus longue sans fragilisation-.

Synthèse du compromis : épaisseur de paroi par rapport au temps de fragilisation
Épaisseur de paroi (mm) Taux d'absorption d'hydrogène (ppm par mois, concentration de surface 300 ppm) Temps jusqu'à 250 ppm à épaisseur moyenne (mois) Durée de vie de 5 ans Risque de fragilisation Élution d'or recommandée pour ?
0,8 mm 20 ppm/mois 12 moisÉLEVÉ (échec après 1-2 ans)Non 1,0 mm 20 ppm/mois 20 moisÉlevé (échec dans 2-3 ans)Marginal 1,2 mm 20 ppm/mois 30 moisModéré (échec dans 3 à 4 ans)Ligne secondaire 2.
1,5 mm 20 ppm/mois 48 mois Modéré (environ 5 ans)Acceptable
1,8 mm 20 ppm/mois 70 moisFaible (plus de 5 ans) Oui
2,0 mm 20 ppm/mois 85 mois Faible (marge de sécurité) Oui (recommandé)
Pour respecter la durée de vie nominale de 5 - ans, une épaisseur de paroi de 1,8 à 2,0 mm est nécessaire pour maintenir la concentration d'hydrogène à mi-épaisseur en dessous de 250 ppm.

Ingénierie au-delà du mur : valorisation des alliages et contrôle de l’oxygène
L'absorption de l'hydrogène dans le cyanure est fortement diminuée par la présence d'oxygène. S'il y a du cyanure aéré (oxygène > 1 ppm), la réaction cathodique passe de la réduction de l'eau à la réduction de l'oxygène, sans production d'hydrogène. En utilisant de l'air comme gaz de pressurisation pour la colonne d'élution, au lieu d'azote ou de barbotage d'air à travers la solution, la fragilisation par l'hydrogène est complètement évitée. Le mur standard aéré de 1,2 mm a une durée de vie de 10+ ans. La mise à niveau vers le titane de grade 7 (Ti-0,15 % Pd) réduit considérablement l'absorption d'hydrogène car le palladium catalyse la recombinaison de l'hydrogène atomique en H 2 moléculaire, qui ne pénètre pas dans le réseau. Le grade 7 avec une paroi de 1,2 mm est meilleur que le grade 2 avec une paroi de 2,0 mm en termes de résistance à la fragilisation par l'hydrogène.

Conclusion Le service au cyanure désaéré nécessite une paroi de 1,8 à 2,0 mm
Pour un processus d'élution de l'or à petite échelle où un radiateur électrique gainé de titane est utilisé et la solution de cyanure est chauffée à 110 degrés et 3 bars, l'épaisseur de la paroi est directement liée au risque d'absorption d'hydrogène et de fragilisation. L'absorption d'hydrogène dans le cyanure désaéré est de 10-30 ppm pour chaque mois et la durée pour atteindre une fragilisation critique dans les échelles d'épaisseur moyenne est égale au carré de l'épaisseur de la paroi. Le titane de grade 2 doit avoir une épaisseur de paroi minimale de 1,8 à 2,0 mm pour une durée de vie de 5 ans. Les parois plus fines (1,0-1,2 mm) se fragilisent après 2-3 ans. La spécification proposée est une gaine en titane de grade 2 avec une épaisseur de paroi de 2,0 mm, à utiliser avec un barbotage d'air pour maintenir l'oxygène > 1 ppm. Le barbotage d'air élimine l'absorption d'hydrogène et permet des parois plus fines. Dites au fabricant quelle concentration d’oxygène vous attendez et à quelle fréquence vous ferez du vélo. Si l'aération n'est pas possible, spécifiez une paroi de 2,0 mm et une qualité 2 ou une paroi de 1,2 mm et une qualité 7. L'épaisseur de la paroi est un facteur important à prendre en compte pour prévenir la fragilisation par l'hydrogène dans le service au cyanure désaéré.