20% 重炭酸ナトリウムのスラリーを 60 度に保つために使用されるチタン製電気ヒーターでは、電気化学的腐食よりも重炭酸塩の結晶からの磨耗によってヒーターが早く故障するのはなぜですか?

溶液を加熱すると、重炭酸塩の結晶が沈殿します。これは、60℃の 20% 重炭酸ナトリウム (NaHCO3) のスラリーです。これらの結晶のモース硬度は 2.5 ～ 3.0 で、チタンの硬度 3.5 ～ 4.0 よりも若干低くなります。しかし、結晶は流動条件下で摩耗を引き起こします。この摩耗速度は 0.2 ～ 0.5 mm 年 ^-1 であり、電気化学的腐食速度 0.01 ～ 0.05 mm 年 ^-1 よりも一桁大きく、故障メカニズムは摩耗によって支配されます。チタン表面への結晶の衝撃により、不動態皮膜とその下の金属が機械的に除去されます。

重炭酸塩スラリーの摩耗による破損のメカニズム

NaHCO3 の溶解度が低下すると、温度が上昇すると重炭酸ナトリウムが結晶化します。結晶は鋭利で角が立っています。-ヒーター表面の結晶を含むスラリーの流速は 0.5 ～ 2 m/s でした。 「マイクロ-の切断と耕作により、打撃ごとに少量の材料が除去されます。不動態コーティングがないため（継続的に除去されます）、電気化学的腐食が材料の総損失に占める割合は小さいです。摩耗率はアーチャードの法則に従います：摩耗量 ∝ (荷重 × 滑り距離) / 硬度。

電気化学的腐食と量的摩耗の比較

グレード 2 チタンは、20% NaHCO3 スラリー中、60 度、流速 2 m/s で 500 時間にわたる制御されたテストで次のことを示すことが示されています。電気化学的腐食速度だけでも (静止粒子-のない流体中で) 年間 0.01 ～ 0.05 mm であり、全体の故障の 5 ～ 10% に相当します。破損は 60 ～ 75% の結晶衝撃によるもので、摩耗率は 0.15 ～ 0.35 mm/年です。エロージョン・コロージョンの相乗効果（摩耗と腐食を合わせたもの）は年間 0.05 ～ 0.15 mm で、破損全体の 15 ～ 30% に相当します。材料の総損失は 1 年あたり 0.25 ～ 0.55 mm であり、主なプロセスは摩耗です。

固形分濃度と流速が摩耗速度に及ぼす影響

固形分濃度と流速により摩耗速度が向上します。固形分 10%、1 m/秒での摩耗速度 年間 0.08 ～ 0.15 mm 材料の総損失 年間 0.12 ～ 0.22 mm 固形分 20%、1 m/秒での摩耗速度は 0.12 ～ 0.25 mm/年で、総損失は 0.18 ～ 0.35 mm/年です。固形分 20%、速度 2 m/秒の場合、摩耗速度は 0.20 ～ 0.40 mm/年、総損失は 0.25 ～ 0.55 mm/年です。固形分 30%、速度 2 m/s の場合、摩耗速度は 0.30 ～ 0.55 mm/年、総損失は 0.40 ～ 0.70 mm/年です。固形分 20%、速度 3 m/s の場合、摩耗速度は 0.35 ～ 0.65 mm/年、総損失は 0.45 ～ 0.80 mm/年です。

重炭酸塩スラリーヒーターの摩耗保護: ガイド

60 度の 20% 重炭酸ナトリウム スラリー中でグレード 2 のチタン ヒーターを保護するための推奨事項を以下の表に示します。

スラリー状態 流速 (m/s) 摩耗率 (mm/年) 総材料損失、mm/年 推奨保護寿命 (壁 1.5 mm)
低固形分 (<10%) <1 0.08–0.15 0.12–0.22None 5-8 Years
中程度の固形物 (10 ～ 20%)<1 0.12–0.25 0.18–0.35 Coated with TiN 3–5 years
中程度の固体 (10-20%)1–2 0.20–0.40 0.25–0.55 摩耗スリーブ、交換可能 . 2-3 年
ハイソリッド (20–30%) 1–2 0.30–0.55 0.40–0.70 速度を下げる + コーティング 1–2 年
High solids (>20%) > 2 > 0.35 > 0.45 再設計プロセス < 1 年
摩耗保護以上のエンジニアリング

チタンのグレードは耐摩耗性にほとんど影響しません。 2級、7級、12級は同等の硬さです。肉厚により摩耗許容量が確保されます。 2.0 mm の壁は年間 0.30 mm の摩耗で 6 ～ 7 年間持続します。物理蒸着によって堆積された窒化チタン (TiN) 層は 2,000 HV の硬度を持ち、摩耗を 70 ～ 80% 低減します。交換用の摩耗スリーブとして使用でき、硬化ステンレス鋼またはセラミック製です。ポンプ速度を変更するか、バッフルを追加することにより、流速を下げることができ、磨耗率を下げることができます。液体サイクロンは、ヒーターに供給される前にスラリーから結晶を除去できます。

情報に基づいた仕様の提供

60 度の 20% 重炭酸ナトリウム スラリー中のチタン電気ヒーターの場合、摩耗速度を 0.15 mm/年未満に維持するには、流速を 1 m/s 未満に制限する必要があります。流速の高速化が避けられない場合は、TiN コーティング (厚さ 5 µm) または交換可能な摩耗スリーブを指定してください。新しい設備の場合、タンクにはスラリーを再循環させない別の加熱チャンバーが必要です。稼動中の6か月ごとに超音波厚さ測定によりヒータの薄肉化を監視します。浸食速度が年間 0.2 mm を超える場合は、整流装置を追加するか、ポンプ速度を下げてください。重炭酸ナトリウムスラリーサービスにおけるチタンヒーターの耐用年数を延ばすために、摩耗は主な故障メカニズムとしてエンジニアによって制御されます。