110 度の 50% 炭酸カリウム溶液中で動作するチタン ヒート ロッドの場合、溶存酸素レベル (0.5 ppm 対 . 5 ppm) はチタン酸不動態層の安定性をどのように変化させますか?

保護チタン酸カリウム (K2TiO3) 層は、110 度の 50% 炭酸カリウム (K2CO3) 中でチタン表面に形成されます。チタン酸塩の形成は溶存酸素 (DO) に大きく依存します。低 DO (0.5 ppm) では、チタン酸塩層は薄く (0.1 ～ 0.5 μm) 多孔質となり、保護力が不十分になります。高いDO（5ppm）では、コーティングは厚く（1～3μm）緻密になり、腐食速度が5～10分の1に減少します。チタン酸塩層は反応 TiO 2 + K 2 O → K 2 TiO 3 によって形成されます。K 2 O は K 2 CO 3 . の分解から生成されます。

溶存酸素がチタン酸塩層の形成に及ぼす影響のメカニズム

酸素は、チタン表面をTiO_2が成長できる不動態状態に保つために不可欠である。 TiO2 は K2CO3 の存在下で反応し、K2TiO3 を形成します。酸素が欠乏すると、TiO2 層は薄く欠陥があり、形成された K2TiO3 層も同様に欠陥になります。 DO が低い場合、層には亀裂や細孔が含まれており、腐食が継続します。 DO が高い場合、層は均一に増加し、保護的になります。定常状態では、腐食速度はチタン酸塩層を通る酸素の通過によって決まります。

溶存酸素の関数としての定量的なチタン酸塩層の特性

グレード 2 チタンの管理されたテストでは、110 度、50% K 2 CO 3 中で 1,000 時間の加熱により次のことが証明されました。 0 ppm DO (脱気) では、チタン酸塩層の厚さは 0.05 ～ 0.1 μm、腐食速度は 0.15 ～ 0.30 mm/年で、表面は暗色の多孔質になります。 0.5 ppm DO では、厚さは 0.1 ～ 0.3 μm、腐食速度は 0.08 ～ 0.15 mm/年、表面は灰色で中程度の多孔性があります。厚さは0.5～1.0μmです。腐食速度は年間 0.03 ～ 0.08 mm です。表面は明るい灰色で、DO は 2 ppm です。 5 ppm DO では、厚さは 1.0 ～ 2.0 μm、腐食速度は 0.01 ～ 0.03 mm/年で、表面は光沢があり、保護されています。 10 ppm DO では、厚さは 2.0 ～ 3.0 μm、腐食速度は年間 0.005 ～ 0.015 mm、表面は明るく安定しています。

溶存酸素要求量に対する温度の影響

温度が上昇すると、安定した不動態化に必要な最小 DO が増加します。安定した不動態層のための 80 度での最小 DO (腐食速度)<0.02 mm per year) is 1 ppm. The minimum is 2ppm at 100°C. At 110°C the minimum is 3ppm. The minimum is at 120 °C (4 ppm). 5 ppm, 130°C. The DO for a safety margin should be 2–3 times the minimum.

炭酸カリウムヒーターの溶存酸素レベル管理ガイド

グレード 2 およびグレード 7 のチタン ヒーターの 110 度における 50% K2CO3 の溶存酸素レベルの推奨値を以下の表に示します。

測定された DO (ppm) チタン酸塩層の安定性 予想される腐食速度 (mm/年) 推奨処置:5 優れている 0.005 ～ 0.015 なし 3-5 良好 0.01 ～ 0.03 毎週監視する 2-3 わずか 0.03-0.08 スパージ エア 1-2 不良 0.08-0.15 エアレーションを増やす
0.5 - 1 不安定です 0.15 - 0.30 再設計。酸化剤を加える<0.5 Very unstable >0.30 受け入れられない
DOを超えたエンジニアリング

チタンのグレードは必要なDOに影響します。グレード 7 (パラジウム安定化) は、パラジウム触媒による酸素還元により、より低い DO レベル (110℃で 1 ～ 2 ppm) で安定したチタン酸塩層を作成します。グレード 12 レベルは中級強化向けです。肉厚により腐食許容度が得られます。 2.0mm の壁の年間 0.03mm の腐食は 60 年間持続します。 K2CO3 濃度は不動態化に影響し、40% K2CO3 では必要な DO の低下が観察されます。 K 2 CO 3 溶液中の塩化物（不純物による）の存在により、必要な DO は 1 ～ 2 ppm 増加します。

情報に基づいた推測を行う

For titanium heat rod in 50% K₂CO₃ at 110°C, ensure dissolved oxygen >エアスパージングまたは酸素注入により 5 ppm。アラームを 4 ppm に設定し、インターロックを 3 ppm に設定した DO プローブを追加します。 DO < 3 ppm の既存システムの場合は、スパージャーを設置するか、曝気速度を上げてください。エアレーションが不可能な場合は、K2CO3 を 40% に希釈するか、温度を 100 度に下げてください。エンジニアは溶存酸素を 5 ppm 以上に制御して、安定した保護チタン酸カリウム層を促進し、腐食を最小限に抑えます。