Lors du chauffage de l'acide phosphorique (30 à 50 %) à 100 degrés, pourquoi la contamination par le fer dissous accélère-t-elle la corrosion du titane au-delà des taux acceptables ?

Les équipements de chauffage en titane en service d'acide phosphorique présentent un comportement contradictoire. Le titane de grade 2 dans l'acide phosphorique chimiquement pur à 30 -50 % à 100 degrés a un faible taux de corrosion de 0,05-0,10 mm par an, ce qui est bien dans les limites acceptables pour les tubes chauffants. Cependant, l'acide phosphorique industriel par voie humide (WPA) obtenu à partir de la digestion de la roche phosphatée contient de nombreuses impuretés, et le fer dissous (Fe2+ et Fe3+) ​​a l'effet le plus dévastateur sur la résistance à la corrosion du titane parmi eux. Même une pollution ferreuse de 0,5 % peut augmenter les taux de corrosion du titane d’un facteur de 10 à 50, conduisant à une perforation des tubes en quelques mois plutôt qu’en années. Cet article décrit le mécanisme électrochimique de la corrosion accélérée induite par le fer et détermine les limites de sécurité de la teneur en fer pour le fonctionnement des réchauffeurs de titane.

Mécanisme d’accélération de la corrosion via le fer
Le film passif sur titane dans l'acide phosphorique est principalement composé de TiO 2 avec des espèces phosphate intégrées. Le film est stable entre une gamme de potentiels électrochimiques. Les ions de fer dissous, principalement Fe³⁺, sont des navettes rédox circulant entre Fe³⁺ et Fe²⁺ à la surface du titane. Chaque ion Fe³⁺ qui entre en contact avec la surface prend un électron du titane (le réduisant en Fe²⁺), puis se diffuse et est réoxydé en Fe³⁺ par l'oxygène dissous. Ce cycle redox constant transfère avec succès les électrons du titane métallique vers la solution globale, contournant ainsi le revêtement protecteur passif.

Les mesures électrochimiques montrent l'ampleur de cet effet. Le potentiel de corrosion du titane Grade 2 dans 40 % H₃PO₄ pur à 100 degrés se stabilise entre +150 et +250 mV par rapport au SCE avec une densité de courant passif de 5 µA/cm². L'ajout de 0,5 % de Fe3+ (sous forme de phosphate ferrique) augmente le potentiel de corrosion de +400 à +550 mV par rapport au SCE et augmente la densité de courant passif à 50-100 µA/cm2. À 1,0 % de fer, la densité de courant est de 200 à 300 µA/cm 2 et correspond à un taux de corrosion de 0,5 à 0,8 mm par an. À 2,0 % de fer, les taux sont supérieurs à 1,5 mm/an.

**Limite critique de fer pour le service de chauffage**
Le test d'exposition à long terme du titane de grade 2 dans l'acide phosphorique à 100 degrés révèle une limite pratique pour le fer. Avec du fer dissous inférieur à 0,2 %, les taux de corrosion sont inférieurs à 0,10 mm/an, ce qui est suffisant pour une durée de vie de 10 ans avec une épaisseur de paroi de 1,5 mm. Les taux sont de 0,15 à 0,30 mm/an à 0,2 à 0,5 % de fer, ce qui réduirait la durée de vie projetée à 3 à 5 ans avec une épaisseur de paroi typique. Les taux de corrosion supérieurs à 0,5 % de fer sont trop élevés (plus de 0,5 mm par an) et impliquent des piqûres localisées qui contribuent à une perte supplémentaire de métal.

L'acide phosphorique obtenu par voie humide contient généralement entre 0,8 et 1,5 % de fer dissous provenant des impuretés de la roche phosphatée. Les évaporateurs et concentrateurs WPA utilisent des éléments chauffants en titane, qui se corrodent rapidement en l'absence de prétraitement d'élimination du fer ou de mise à niveau vers un alliage de titane plus résistant. Le titane de grade 7 (Ti-0,15Pd) améliore la tolérance au fer, avec des taux inférieurs à 0,15 mm par an à 0,8 % de fer, mais même le grade 7 échoue au-dessus de 1,2 % de fer.

Matrice d’application et stratégies d’atténuation
Source d'acide phosphorique Teneur typique en fer Matériau de chauffage recommandé Taux de corrosion Durée de vie prévue (paroi de 1,65 mm)
Titane grade 2 purifié (procédé thermique)<0.05% 0.05-0.08 mm/year 15-20 years WPA, solvent-extracted Grade 2 titanium (1.65-2.0 mm) 0.2-0.4% 0.10-0.15 mm/year 8-12 years WPA, untreated (low iron rock) Grade 7 titanium (2.0 mm) 0.5-0.8% 0.12-0.20 mm/year 6-10 years WPA, untreated (high iron rock) Grade 7 + iron removal system 0.8-1.5% 0.20-0.40 mm/year 3-5 years
Superphosphoric acid (>70% P₂O₅) Variable Zirconium ou tantale N/A Titane non recommandé
Résumé des spécifications du réchauffeur d’acide phosphorique
Une contamination par le fer dissous supérieure à 0,2 % dans l'acide phosphorique à 100 degrés favorise la corrosion du titane par un mécanisme de cycle redox qui contourne la protection offerte par le film passif. Pour les acides de traitement humide avec une teneur typique en fer de 0,8 à 1,5 %, les réchauffeurs en titane de grade 2 tomberont en panne dans 2 à 3 ans. Les ingénieurs sont confrontés au choix de spécifier du titane de grade 7 (qui pousse la tolérance du fer à environ 0,8 %) ou d'ajouter des étapes d'élimination du fer (extraction par solvant, échange d'ions) en amont du réchauffeur. Lors de l'achat d'appareils chauffants en titane pour le service à l'acide phosphorique, demandez toujours un coupon de test de corrosion qui a été soumis à l'acide de traitement réel et exigez une épaisseur de paroi minimale de 2,0 mm pour le grade 2 ou de 1,65 mm pour le grade 7 dans l'acide contenant du fer-.