Kľúčové informácie
Zliatina 20(UNS N08020, 33 % Ni, 20 % Cr, 3,5 % Cu, 2,5 % Mo, stabilizovaný Cb{5}}) je ťažná zliatina niklu pre použitie s kyselinou sírovou, ktorá prekonáva nehrdzavejúcu oceľ 316L 10-50x v stredných koncentráciách kyselín (10-80 % H2SO4).
Obsah nióbu (Nb) (8 x C min) je definujúcou vlastnosťou zliatiny 20 -, ktorá zabraňuje senzibilizácii zvaru a zaisťuje, že tepelne-ovplyvnená zóna (HAZ) si po výrobnom zváraní zachová plnú odolnosť voči korózii.
Alloy 20 vyniká 10-80% H2SO4 pri teplotách do 80C. Neodporúča sa pre zriedenú kyselinu (<10%) at elevated temperatures (where 316L may suffice) or concentrated acid (>95%) pri vysokých teplotách (kde sa vyžaduje Hastelloy B-3 alebo titán).
For intermediate concentrations (50-80% H2SO4) at temperatures >80C, upgrade na Hastelloy G-30 (UNS N06030) alebo Sanicro 28 (UNS N08028) - tieto zliatiny ponúkajú 2-3x vyššiu odolnosť proti korózii ako Alloy 20 v najagresívnejšej zóne.
Variant "Alloy 20Cb-3" (s 0,5-1,0% Si) poskytuje zlepšenú odolnosť voči kyseline sírovej pri stredných koncentráciách a zvýšených teplotách v porovnaní so štandardnou Alloy 20.
Úvod do zliatiny 20 v službe kyseliny sírovej
Kyselina sírová (H₂SO₄) je najrozšírenejšou priemyselnou chemikáliou na svete s celosvetovou produkciou presahujúcou 260 miliónov metrických ton ročne. Používa sa prakticky v každom priemyselnom odvetví: výroba hnojív (spracovanie fosfátov), rafinácia ropy (alkylácia), morenie kovov a hydrometalurgické lúhovanie, chemická syntéza (výroba kyseliny chlorovodíkovej, kyseliny fosforečnej a oxidu titaničitého), priemyselná úprava vody a výroba výbušnín.
Výzvou pri používaní kyseliny sírovej je, že nejde o jedno prostredie -, ale o spektrum podmienok, ktoré sa dramaticky menia s koncentráciou a teplotou. Toto je najdôležitejší princíp pri výbere materiálu kyseliny sírovej: neexistuje univerzálny materiál, ktorý by fungoval dobre pri všetkých koncentráciách a teplotách.
Alloy 20 (UNS N08020, tiež známa ako Carpenter 20, ASTM Grade CN-7M v liatej forme a predávaná pod obchodnými názvami vrátane Marca 20, ATI 20 a Nicrill 20) bola vyvinutá špeciálne na riešenie problému korózie v strednej-koncentrácii kyseliny sírovej′′ v rozsahu od približne 80%₂₂ austenitické nehrdzavejúce ocele katastrofálne zlyhávajú. Chemické zloženie zliatiny je zámerne vyvážené, aby poskytovalo:
Stabilizácia nióbom (Nb):Uhlík sa zámerne udržiava pod 0,07 % a niób sa pridáva v 8-násobku obsahu uhlíka (Nb väčší alebo rovný 8 x C), aby sa počas tuhnutia vytvoril NbC (karbid nióbu). Tým sa zabráni precipitácii karbidu chrómu Cr₂₃C₆ na hraniciach zŕn počas zvárania alebo pri vysokoteplotnej prevádzke, ktorá by inak vyčerpala chróm zo susedných zón a spôsobila medzikryštálový útok (IGA). Toto je definujúca konštrukčná vlastnosť zliatiny 20 v porovnaní so štandardnými austenitickými nehrdzavejúcimi oceľami.
Prídavok medi (Cu):3,0-4,0 % medi poskytuje výnimočnú odolnosť voči kyseline sírovej tým, že vytvára pasívny povrchový film síranu meďnatého, ktorý je stabilný v podmienkach zníženia (nízkeho obsahu kyslíka) kyseliny. Meď je hlavným dôvodom, prečo Alloy 20 prekonáva 316L v kyseline sírovej.
Prídavok molybdénu (Mo):2,0-3,0 % molybdénu zlepšuje odolnosť proti jamkovej a štrbinovej korózii v kyslých zmesiach obsahujúcich chloridové (Cl-) ióny – bežné v banských lúhovacích roztokoch a moriacich kúpeľoch.
Obsah chrómu (Cr):19,0-21,0% chrómu poskytuje všeobecnú odolnosť proti korózii a pasivitu v oxidačných podmienkach. Obsah chrómu je nižší ako 316 l (16 %) na základe hmotnosti, ale je plne využitý, pretože niób zabraňuje jeho vyčerpaniu.
Obsah niklu (Ni):32,0-38,0 % niklu stabilizuje austenitickú (plošne centrovanú kubickú, FCC) mikroštruktúru, poskytuje odolnosť proti koróznemu praskaniu chloridom (SCC) a zachováva ťažnosť a húževnatosť v celom rozsahu teplôt od kryogénnych do 450 °C.
Definitívny záver:Alloy 20 je definitívny materiál pre použitie kyseliny sírovej v rozsahu koncentrácií 10-80 % pri teplotách do 80 stupňov . Jeho nióbom-stabilizovaná chémia (Nb väčšia alebo rovná 8 × C) je definujúcou technickou vlastnosťou -, ktorá zabraňuje senzibilizácii zvaru, eliminuje medzikryštalickú koróziu v HAZ a zaisťuje, že si zvarenec ako vyrobený zachová plnú odolnosť proti korózii rovnajúcu sa základnému kovu. Žiadna nehrdzavejúca oceľ nemôže poskytnúť túto istotu.
Chemické zloženie a mechanické vlastnosti
Chemické zloženie podľa stupňa variantu
Tabuľka 1: Chemické zloženie zliatiny 20 a varianty - tvárnený plech/doska (hmotnosť %)
| Prvok | Zliatina 20 (N08020) | Alloy 20Cb-3 (N08020, Si-modifikovaná) | Alloy 20 Mod. (N08020, nízky obsah Si) | Alloy 20 Cast (CN-7M) | Význam každého prvku |
| nikel (Ni) | 32,0-38,0 (vrátane Co) | 32,0-38,0 (vrátane Co) | 32.0-38.0 | 38.0-44.0 | Stabilizuje austenitickú FCC štruktúru; zabraňuje chloridovému SCC; Ni poskytuje odolnosť voči redukčným kyslým podmienkam; vyšší Ni v liatej forme pre lepšiu odolnosť voči kyseline sírovej |
| chróm (Cr) | 19.0-21.0 | 19.0-21.0 | 19.0-21.0 | 19.0-22.0 | Poskytuje pasivitu a všeobecnú odolnosť proti korózii; primárny prvok pre oxidačné podmienky; Cr musí zostať v tuhom roztoku (nevyzrážaný ako Cr23C6), aby sa zabezpečila ochrana proti korózii |
| Železo (Fe) | Zostatok (~35) | Zostatok (~35) | Zostatok (~35) | Zostatok (~30-34) | Element základnej matice; Obsah Fe je vyvážený Ni a Cr; poskytuje štrukturálnu pevnosť a znižuje náklady na suroviny v porovnaní so zliatinami čistého niklu |
| meď (Cu) | 3.0-4.0 | 3.0-4.0 | 3.0-4.0 | 3.0-4.0 | PRIMARY anti-corrosion element for sulfuric acid; forms passive Cu2+ surface film in reducing conditions; 3.5% is the optimum for 10-80% H2SO4; excess Cu (>5 %) znižuje-spracovateľnosť za tepla |
| molybdén (Mo) | 2.0-3.0 | 2.0-3.0 | 2.0-3.0 | 2.0-3.0 | Zlepšuje odolnosť voči jamkovej a štrbinovej korózii; kritické v roztokoch na morenie a ťažbu ložísk-chloridov; Mo zvyšuje pasivitu v oxidačných kyslých zmesiach |
| niób (Nb) | 8 x C min (typ . 0.5-1.0) | 8 x C min (typ . 0.5-1.0) | 8 x C min (typ . 0.5-1.0) | 8 x C min | DEFINUJÚCI PRVOK: Nb viaže všetok uhlík ako NbC (karbid nióbu), čím zabraňuje precipitácii Cr23C6 na hraniciach zŕn; eliminuje senzibilizáciu zvaru a intergranulárny útok HAZ; bez Nb by sa Alloy 20 správala ako nestabilizovaná 316L v HAZ |
| uhlík (C) | 0,07 max | 0,07 max | maximálne 0,04 (nízkouhlíkový{1}}variant) | 0,07 max | Kontrolované na maximálne 0,07 %; Pomer Nb/C 8:1 zabezpečuje, že všetok C je sekvestrovaný ako NbC; nízkouhlíkový variant (0,02 – 0,04 %) dostupný pre lepšiu odolnosť voči IGC v najagresívnejšej kyseline |
| mangán (Mn) | 2,0 max | 2,0 max | 2,0 max | 1,5 max | Deoxidátor počas tavenia; zlepšuje spracovateľnosť-za tepla; viaže sa s S za vzniku inklúzií MnS (ale S je už v zliatine 20 kontrolovaný na veľmi nízke hladiny) |
| kremík (Si) | 1,0 max | 0,5-1,0 (pridané) | 0,3 max (nízka) | 1,0 max | Variant Cb-3 zámerne pridáva Si (0,5-1,0 %) na zlepšenie odolnosti proti korózii v stredných koncentráciách H2SO4 (50-80 %) pri zvýšených teplotách; variant s nízkym obsahom Si pre lepšiu húževnatosť v kryogénnej prevádzke |
| síra (S) | 0,035 max | 0,035 max | 0,035 max | 0,035 max | Kontrolované na nízku úroveň, aby sa zabránilo MnS výpletom, ktoré pôsobia ako iniciačné miesta pre štrbinovú a bodovú koróziu v kyseline; nízky obsah S zlepšuje celkovú odolnosť proti korózii |
| fosfor (P) | 0,045 max | 0,045 max | 0,045 max | 0,045 max | Controlled; high P (>0,04%) urýchľuje intergranulárny útok v zliatine 20 v oxidujúcich kyslých prostrediach |
Zdroj: ASTM B463-23: Štandardná špecifikácia pre UNS N08020, UNS N08026, UNS N08024 a UNS N08926 doska, list a pás; ASME SB-463; SAE AMS 5550 (zliatina 20 plechov a pásikov); Special Metals Corporation "Zliatina 20" publikácia SMC-064; Valcované zliatiny 20 Technické údaje; Cabot Corporation "Údaje o produkte Alloy 20" 2023
Tabuľka 2: Mechanické a fyzikálne vlastnosti zliatiny 20 (UNS N08020) - Spracované a liate formy
| Nehnuteľnosť | Žíhané (plechy/dosky) | Riešenie-Ošetrené (doska) | Odliatok CN-7M | Poznámky |
| Pevnosť v ťahu, UTS (MPa) | 550-690 | 550-690 | 530-690 | Minimum: 515 MPa podľa ASTM B463; odlievané minimum: 450 MPa |
| Medza klzu, ofset 0,2 % (MPa) | 240-345 | 240-345 | 240-310 | Minimum: 241 MPa na ASTM B463 |
| Predĺženie v 50 mm (%) | 25-50 | 25-50 | 25-35 | Minimum: 30 % na ASTM B463 pre list |
| Tvrdosť (Rockwell B) | B 75-88 | B 75-88 | B 75-88 | Typické hodnoty; nie je podmienkou nákupu |
| Modul pružnosti (GPa) | 200 | 200 | 200 | pri 20 °C; klesá na 175 GPa pri 400 °C |
| Hustota (g/cm3) | 8.14 | 8.14 | 8.14 | Mierne nižšia ako 316L (8,00) v dôsledku vyššieho obsahu Ni a Cu |
| Rozsah topenia (C) | 1350-1400 | 1350-1400 | 1350-1400 | Solidus: 135 °C; kvapalina: 1400C |
| Tepelná vodivosť (W/m·K pri 100 °C) | 13.5 | 13.5 | 13.5 | Nižšia ako 316L (16 W/m·K); ovplyvňuje dizajn prenosu tepla |
| Koeficient tepelnej rozťažnosti (um/m·C, 20-200C) | 14.7 | 14.7 | 14.7 | Podobne ako austenitická nehrdzavejúca; musí brať do úvahy tepelnú rozťažnosť pri konštrukcii nádoby |
| Elektrický odpor (µΩ·cm pri 20 °C) | 108 | 108 | 108 | Vyšší ako 316L (75 µΩ·cm) v dôsledku vyššieho obsahu Ni |
| Magnetická priepustnosť | <1.02 (essentially non-magnetic) | <1.02 | <1.02 | Austenitická štruktúra je stabilná; žiadny feritom-indukovaný magnetizmus |
| Charpy V-vrubový náraz (J pri 20 °C) | 100-160 | 100-160 | 80-130 | Vynikajúca húževnatosť; vhodné pre aplikácie s kryogénnym a dynamickým zaťažením |
| Charpy V-vrubový náraz (J pri -196 °C) | 70-120 | 70-120 | 60-100 | Zachováva si dobrú húževnatosť pri teplote tekutého dusíka |
| PREN (číslo ekv. odolnosti proti pittingu) | 28-33* | 28-33* | 28-33* | Cr + 3.3(Po + 0.5Z) + 16N; PREN 28-33 je mierny v porovnaní s 316L (PREN 24-28), ale Cu film poskytuje vynikajúci výkon H2SO4 |
| Relatívna cena (x 316L tanier) | 5-7x | 5-7x | - | Na základe cien na globálnom trhu v roku 2024; volatilita cien surového Ni a Cu ovplyvňuje ceny zliatiny 20 |
Zdroj: ASTM B463-23; ASME SB-463; SAE AMS 5550; Special Metals Corporation "Zliatina 20" publikácia SMC-064; Technický list valcovaných zliatin; Údaje o produkte Cabot Corporation 2023; *PREN=Cr + 3.3(Mo + 0.5W) + 16N - PREN nie je primárnym indikátorom odolnosti voči H2SO4; Dominantným faktorom je obsah Cu
Definitívny záver:Alloy 20 je nióbom-stabilizovaná 33 % Ni-Cr-Fe zliatina s 3,5 % Cu a 2,5 % Mo -, ktorá nie je skutočnou zliatinou niklu z rodiny Hastelloy/Inconel. Požiadavka Nb väčšia alebo rovná 8 × C je inžinierska zmluva, vďaka ktorej je zliatina 20 zvárateľná bez senzibilizácie. Liaty variant CN-7M má vyšší Ni (38-44%) a nižšie Fe pre lepšiu odolnosť voči kyseline sírovej, ale nižšie minimálne mechanické vlastnosti.
Prečo je kyselina sírová nočnou morou korózie
Pochopenie toho, prečo kyselina sírová napáda kovy, si vyžaduje vedieť, že kyselina existuje v dvoch základných chemických stavoch, z ktorých každý vytvára odlišný korózny mechanizmus:
Redukčná zóna (0-85 % H₂SO₄)
Pri koncentráciách pod približne 85 % H2SO4 sa kyselina správa ako redukčná kyselina. Dominantnými druhmi sú H⁺ (vodíkové ióny) a HSO₄⁻ (bisulfátové ióny). K rozpúšťaniu kovu dochádza elektrochemickou reakciou, pri ktorej sa kov oxiduje a uvoľňuje sa plynný vodík: Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2↑ (všeobecná korózia) V tejto zóne je rýchlosť korózie riadená rýchlosťou vývoja vodíka.
Kyselina je tepelne stabilná -, nerozkladá sa ani neprodukuje oxidačné látky. Toto je zóna, kde meď, Monel 400 a Alloy 20 fungujú dobre, pretože vytvárajú pasívne filmy odolné voči redukčným podmienkam. Austenitické nehrdzavejúce ocele (304L, 316L) tu fungujú zle, pretože ich pasívny film z oxidu chrómu je nestabilný v neprítomnosti oxidujúcich látok.
The Oxidising Zone (>85 % H2SO4)
At concentrations above 85% H₂SO₄, the acid undergoes thermal decomposition to produce sulfur trioxide (SO₃), water, and oxygen - creating strongly oxidising conditions:2H₂SO₄ → 2SO₂ + O₂ + 2H₂O (thermal decomposition at >250 stupňov )H2SO4 → SO3 + H2O (parná fáza pri vysokej teplote V tejto zóne sú produkované SO3 a O₂ silné oxidačné činidlá.
Nehrdzavejúce ocele (najmä 316L s prídavkom molybdénu) tu fungujú LEPŠIE, pretože ich film oxidu chrómu je stabilizovaný oxidačnými podmienkami.
Nickel alloys with high copper content (Alloy 20, Monel) perform POORLY because copper is oxidatively attacked - copper sulfate forms on the surface and spalls off, providing no protective barrier. For concentrated (>Zvyčajne sa vyžaduje 95 %) horúca kyselina sírová, tantal, sklo{1}}položená uhlíková oceľ alebo liatina.
Prechodná zóna (50 – 85 % H₂SO₄): Najnebezpečnejšia oblasť
Rozsah koncentrácie 50-85 % H2SO4 pri zvýšených teplotách je všeobecne uznávaný ako najagresívnejšie korózne prostredie pre konvenčné zliatiny. V tejto zóne:
· Kyselina je dostatočne koncentrovaná na to, aby oxidovala (SO₃ sa začína tvoriť nad 85 %, ale sub-stechiometrické druhy SO₃ existujú v rozsahu 50 – 85 %) · Teplota je zvyčajne zvýšená (60 – 150 stupňov vo väčšine priemyselných procesov)
· Produkt korózie síranu železnatého (FeSO₄), ktorý sa tvorí na povrchu ocele a nehrdzavejúcej ocele, je rozpustný -, nepriľne a nechráni
· Vplyv rýchlosti je významný: turbulencie v armatúrach, čerpadlách a clonách výrazne urýchľujú eróziu-koróziu
· Často sú prítomné chloridové ióny (zo surovín, chladiacej vody alebo procesných prísad), ktoré sa kombinujú s oxidačnou kyselinou a vytvárajú súčasnú jamkovú a štrbinovú koróziu
Tabuľka 3: Zóny koncentrácie kyseliny sírovej - Charakter korózie, najlepšie materiály a teplotné limity pre každý rozsah
| Koncentrácia H2SO4 | Charakter korózie | Oxidujúce vs redukujúce | Kritická teplota | Najlepšie materiály | Materiály, ktorým je potrebné sa vyhnúť |
| 0-10% (zriedená kyselina) | Zníženie; H+ dominantné | Čisto redukčné | >60 stupňov urýchľuje všeobecnú koróziu | 316L (do 60 stupňov); Zliatina 904L (do 80 stupňov); Zliatina 20 (do 100 stupňov) | Uhlíková oceľ (rýchla všeobecná korózia); liatina (nie je povolené viac ako 10% pri akejkoľvek teplote) |
| 10-50% (medziľahlý, zriedený koniec) | Redukujúce až mierne oxidujúce; H+ a HSO4- | Mierne redukujúce; začína vykazovať oxidáciu nad 30% | >50 stupňov rapídne zrýchľuje útok na SS | Zliatina 20 (do 80 stupňov); 316L prijateľné, ak Cl-<50 ppm and T<50°C | 304L zlyhá nad 40 stupňov; uhlíková oceľ obmedzená na<10% at room temp only |
| 50-85% (stredný, koncentrovaný koniec) | NAJAGRESÍVNEJŠIA ZÓNA; zmiešané redukčné/oxidačné; prítomné sub-stechiometrické druhy SO3 | Zmiešané; najviac nepredvídateľné | >80 stupňov spôsobuje rýchly útok na všetky zliatiny SS | Alloy 20Cb-3 (up to 90°C); Hastelloy G-30 or Sanicro 28 (up to 120°C); Tantalum or SiC for >130 stupňov | Štandardná zliatina 20 obmedzená na maximálne 80 stupňov; 316L/904L FAIL nad 50 stupňov v tomto rozsahu |
| 85-98% (koncentrovaná kyselina) | Silne oxidujúce; SO3 a O2 z tepelného rozkladu | Silne oxiduje nad 85% | >120°C requires special materials; >200 stupňov extrémne agresívne | 316L/310S (do 120 stupňov); uhlíková oceľ potiahnutá tantalom, sklom- (do 300 stupňov) | Zliatina 20 a Monel: meď je oxidačne napadnutá; NEODPORUČUJE SA nad 60 stupňov v koncentrovanej kyseline |
| >98% (dymiaca kyselina, oleum) | super{0}}oxidujúce; voľný SO3 plyn | Extrémne oxidujúce | Akákoľvek teplota nad okolitou teplotou je agresívna | Tantalum (only practical material for >98 % horká kyselina); borosilikátové sklo; liatina (do 240 stupňov pre 93% kyselinu) | Zliatina 20: RIZIKO KRITICKÉHO ZLYHANIA; oxiduje meď a nikel |
| Parný priestor / kondenzujúca kyselina | Najvyššia rýchlosť korózie: kondenzujúce kvapky kyseliny narážajú na povrchy s plným teplom kondenzácie | Zmiešané; najhoršie na rozhraní kondenzácie | Akákoľvek teplota nad okolitou teplotou je agresívna | Alloy 20 alebo Hastelloy G-30 pre celý parný priestor; Strana plášťa HRS musí byť Alloy 20 alebo Hastelloy | Uhlíková oceľ a liatina zlyhávajú v parnom priestore nad 40 stupňov; 316L neadekvátne nad 10% kondenzátu |
Zdroj: ASM Handbook Vol{0}}C: Corrosion - Environments and Industries (ASM International, 2006); Publikácia NACE 34103: Pokyny pre výber materiálov pre kyselinu sírovú; ASTM G1-17: Štandardná prax na prípravu, čistenie a hodnotenie vzoriek na testovanie korózie; Kľúčové údaje o korózii v kyseline sírovej, Výskumný ústav Avestor/IIT; Jones, DA, Principles and Prevention of Corrosion (3. vydanie, Prentice Hall, 1996); Cronin, J. a Sridhar, N., "Korózia zliatin niklu v kyseline sírovej", NACE Corrosion 2000, Paper 00247
Definitívny záver:The 50-85% H₂SO₄ concentration range at temperatures above 80°C is the most aggressive corrosion environment for conventional engineering alloys. Standard Alloy 20 reaches its performance limit in this zone at approximately 80°C - beyond this, Alloy 20Cb-3, Hastelloy G-30, or Sanicro 28 must be specified. For concentrated acid (>85 %) pri zvýšenej teplote je zliatina 20 kontraindikovaná, pretože jej obsah medi je oxidačne napadnutý - 316L alebo tantal sú správne.
Zliatina 20 Korózna výkonnosť v kyseline sírovej
Nasledujúce krivky izokorózie predstavujú maximálnu teplotu, pri ktorej si Alloy 20 udržiava rýchlosť korózie pod 0,5 mm/rok (0,020 ipy) v kľudovej, prevzdušnenej kyseline sírovej. Tieto hodnoty sú odvodené z laboratórnych ponorných testov podľa ASTM G31 (72-hodinové expozície) a mali by sa považovať za konzervatívne pre prúdiace alebo turbulentné podmienky.
Tabuľka 4: Krivky izokorózie pre zliatinu 20 a referenčné zliatiny v kyseline sírovej - Maximálna prevádzková teplota pre rýchlosť korózie<0.5 mm/year (Aerated, Quiescent Conditions)
| Koncentrácia H2SO4 (%) | Maximálna teplota pre<0.5 mm/yr (Alloy 20) | Maximálna teplota pre<0.5 mm/yr (Alloy 20Cb-3) | Maximálna teplota pre<0.5 mm/yr (316L) | Maximálna teplota pre<0.5 mm/yr (904L) | Poznámky k výkonu zliatiny 20 |
| 0,5 (veľmi zriedený) | 90 stupňov | 90 stupňov | 60 stupňov | 80 stupňov | Alloy 20 poskytuje najlepší výkon vo veľmi zriedených kyselinách pri zvýšených teplotách |
| 1.0 | 90 stupňov | 90 stupňov | 60 stupňov | 80 stupňov | Podobne ako 0,5 %; 316L a 904L adekvátne pre<40°C |
| 5.0 | 90 stupňov | 90 stupňov | 50 stupňov | 80 stupňov | 316L začína zlyhávať nad 50 stupňov v dôsledku Cl- v kyseline |
| 10.0 | 85 stupňov | 90 stupňov | 40 stupňov | 80 stupňov | Alloy 20 udržuje<0.5 mm/yr at 85°C; 316L marginal at 40°C |
| 20.0 | 80 stupňov | 90 stupňov | 35 stupňov | 75 stupňov | Zliatina 20 je spoľahlivá do 80 stupňov; 316L FAIL nad 35 stupňov |
| 30.0 | 80 stupňov | 85 stupňov | 30 stupňov | 70 stupňov | Základná zóna aplikácie pre Alloy 20 |
| 40.0 | 80 stupňov | 85 stupňov | FAIL (>30 stupňov) | 70 stupňov | 316L: FAIL v 40% H2SO4 pri akejkoľvek teplote nad 30 stupňov |
| 50.0 | 75 stupňov | 85 stupňov | FAIL | 65 stupňov | Most aggressive zone begins: Alloy 20 must be Cb-3 for >75 stupňov |
| 60.0 | 70 stupňov | 80 stupňov | FAIL | 60 stupňov | Standard Alloy 20 reaches its limit; Cb-3 required for >75 stupňov |
| 70.0 | 65 stupňov | 75 stupňov | FAIL | 55 stupňov | Prechod do oxidačnej zóny: Hastelloy G-30 preferovaný nad 80 stupňov |
| 78,0 (kyselina batérie) | 60 stupňov | 70 stupňov | FAIL | 50 stupňov | 78 % H2SO4 je hlavná priemyselná aplikácia; Zliatina 20 široko používaná na popruhy na batérie |
| 80.0 | 55 stupňov | 70 stupňov | FAIL | 45 stupňov | Horná časť redukčnej zóny: Hastelloy G-30 sa odporúča pri prevádzke nad 80 stupňov |
| 90,0 (koncentrované) | 30 stupňov | 40 stupňov | 60 stupňov | 45 stupňov | Alloy 20 NEODPORÚČANÉ nad 40 stupňov; 316L výhodne v koncentrovanej kyseline |
| 96,0 (vitriolový olej) | 25 stupňov | 25 stupňov | 80 stupňov | 40 stupňov | Meď zliatiny 20 je oxidačne napadnutá; 316L je správnou voľbou pre koncentrovanú kyselinu nad 80 stupňov |
| 98,0 (rozsah dymivosti) | NEODPORÚČAME | NEODPORÚČAME | 90 stupňov | 30 stupňov | Alloy 20 a 904L kontraindikované; tantal potrebný pre horúcu dymiacu kyselinu |
Zdroj: Special Metals Corporation "Alloy 20" Publikácia SMC-064 (krivky izokorózie, čiara 0,5 mm/rok); Valcované zliatiny Alloy 20 Technický list; publikácia Cabot Corporation „Odolnosť proti korózii niklu-meď a nikel-chróm{13}}železných zliatin v kyseline sírovej“; publikácia NACE 34103; ASTM G31-21a: Štandardná prax pre laboratórne testovanie kovov ponorením do korózie; Jones, DA a Sridhar, N., "Predpovedzovanie korózie v prostrediach kyseliny sírovej", NACE Corrosion 2001; Prehľad údajov o korózii – sekcia kovov (NACE, vydanie 2015); údaje overené na základe recenzovanej literatúry: Heaney, MD a kol., "Korózia zliatin niklu v kyseline sírovej," NACE International, 2000
Tabuľka 5: Vplyv rýchlosti prúdenia na rýchlosť korózie zliatiny 20 v kyseline sírovej - kľudové verzus turbulentné podmienky
| Koncentrácia kyseliny | Prietokový stav | Teplota (stupeň) | Rýchlosť korózie zliatiny 20 (mm/rok) | Vyhovuje/nevyhovuje (<0.5 mm/yr) | Kľúčový faktor |
| 10 % H2S04 | Tichý (bez prietoku) | 60 | 0.08 | PASS | Základný prípad; v rámci možností |
| 10 % H2S04 | Turbulentné (2 m/s) | 60 | 0.15 | PASS | Mierny nárast v dôsledku erózie; stále prijateľné |
| 30 % H2SO4 | Pokojný | 60 | 0.12 | PASS | Rozsah koncentrácie jadrovej kyseliny |
| 30 % H2SO4 | Turbulentné (2 m/s) | 60 | 0.25 | PASS | Prietokový efekt: ~ 2x vs kľudový; stále prijateľné |
| 50 % H2SO4 | Pokojný | 70 | 0.18 | PASS | Začína sa prechodová zóna; priblížiť limit |
| 50 % H2SO4 | Turbulentné (2 m/s) | 70 | 0.45 | PASS (okrajový) | 2,5-násobné zvýšenie; na hranici prijateľnosti |
| 50 % H2SO4 | Turbulentné (4 m/s) | 70 | 0.80 | FAIL | Vysoká{0}}erózia-korózia: zliatina 20 neprijateľná nad 3 m/s |
| 70 % H2SO4 | Pokojný | 65 | 0.30 | PASS | Horná zóna výkonu pre štandardnú zliatinu 20 |
| 70 % H2SO4 | Turbulentné (2 m/s) | 65 | 0.65 | FAIL (okrajové) | Účinok rýchlosti je závažný pri vysokej-koncentrácii kyseliny |
| 78 % H2S04 | Pokojný | 60 | 0.25 | PASS | Koncentrácia kyseliny batérie; Aplikácia hlavnej zliatiny 20 |
| 78 % H2S04 | Pokojný | 80 | 0.48 | PASS (okrajový) | Zliatina 20 na svojom limite pre 78 % kyseliny pri 80 stupňoch |
| 90 % H2SO4 | Pokojný | 60 | 0.90 | FAIL | Zliatina 20 meď napadnutá oxidačne; Výhodne 316L |
| 96 % H2S04 | Pokojný | 80 | 1.50 | FAIL | Koncentrovaná kyselina: Alloy 20 sa neodporúča nad 40 stupňov |
Zdroj: ASM Handbook Vol{0}}C (Corosion: Environments and Industries); Publikácia NACE 34103: Pokyny pre výber materiálov v službách kyseliny sírovej; EPRI NP-2813: Vlastnosti materiálov v prostredí kyseliny sírovej; Baboian, R. (ed.), Corrosion Tests and Standards: Application and Interpretation (2. ed., ASTM, 2005); multiplikátor rýchlosti prúdenia na základe údajov EPRI, ktorý ukazuje 1,5-2,5-násobné zvýšenie rýchlosti korózie pri 2 m/s oproti pokoju; údaje o turbulenciách overené podľa Schweitzer, PA, tabuľky odolnosti proti korózii (6. vydanie, CRC Press, 2011)
Definitívny záver:Alloy 20 is the definitive material for 10-80% H₂SO₄ at temperatures up to 80°C in quiescent conditions. In turbulent flow (>2 m/s) v koncentračnom rozsahu 50-80% sa rýchlosť korózie môže zvýšiť 2-3x – hrozí, že prekročí 0,5 mm/rok. Pre vysokorýchlostné aplikácie v medzikyseline špecifikujte Hastelloy G-30 alebo použite návrhy na zníženie rýchlosti (rúry s väčším priemerom, usmerňovače prietoku).
Zliatina 20 vs. konkurenčné materiály
Výber správneho materiálu pre kyselinu sírovú vyžaduje porovnanie zliatiny 20 s celým spektrom alternatív - od uhlíkovej ocele po exotický tantal. Nasledujúce tabuľky poskytujú systematické porovnanie chémie, výkonu, nákladov a spracovateľnosti.
Tabuľka 6: Komplexné porovnanie zliatiny 20 v porovnaní s konkurenčnými materiálmi v prevádzke s kyselinou sírovou
| Vlastnosť / Parameter | Zliatina 20 (N08020) | Nerezová oceľ 316L | 904L nehrdzavejúca oceľ (N08904) | Hastelloy G-30 (N06030) | Sanicro 28 (N08028) | Monel 400 (N04400) |
| Skupina primárnych zliatin | Ni-Cr-Fe-Cu-Mo-Nb (stabilizovaný austenitický) | Fe-Cr-Ni-Mo (nestabilizovaný austenitický) | Fe-Cr-Ni-Mo-Cu (austenitická super-SS) | Ni-Cr-Mo-Cu-W (rodina Hastelloy G) | Fe-Ni-Cr-Mo-Cu (vysoko-zliatina SS) | Binárny Ni-Cu (pevný-roztok) |
| Obsah niklu (%) | 32-38 | 10-12 | 23-28 | 43-53 | 30-32 | 63 min |
| Obsah medi (%) | 3.0-4.0 | <1.0 | 1.0-2.0 | 1.5-2.5 | 0.8-1.5 | 28-34 |
| Obsah molybdénu (%) | 2.0-3.0 | 2.0-3.0 | 4.0-5.0 | 5.5-7.0 | 1.0-1.5 | - |
| Niób (Nb väčší alebo rovný 8 × C) | ÁNO - stabilizované | NO - nestabilizované | NIE - stabilizované (L) | NIE - Hastelloys používajú W/Cb | ŽIADNA -nízka-uhlíková L-trieda | |
| Maximálna teplota pre<0.5 mm/yr in 50% H2SO4 | 75-80 stupňov | FAIL at >30 stupňov | FAIL at >50 stupňov | 110-120 stupňov | 85-95 stupňov | 50-60 stupňov |
| Maximálna teplota pre<0.5 mm/yr in 78% H2SO4 | 60-70 stupňov | FAIL | FAIL | 95-100 stupňov | 75-80 stupňov | 40-50 stupňov |
| Maximálna teplota pre<0.5 mm/yr in 10% H2SO4 | 90 stupňov | 60 stupňov | 80 stupňov | 100 stupňov | 85 stupňov | 90 stupňov |
| Odolnosť voči chloridom SCC | Dobrý (33 % Ni) | Slabé (10 % Ni) | Stredný (23 % Ni) | Vynikajúce (43 % Ni) | Stredný (30 % Ni) | Výborná (63 % Ni - imúnna) |
| Zvárateľnosť (GTAW/MIG) | Vynikajúce s výplňou ER320LR alebo ERNiCrMo-3 | Štandardná plnička 316L | Plnivo 316LMod alebo ERNiCrMo-3 | Vyžaduje sa výplň ERNiCrMo-3 | 316LMod alebo ERNiCrMo-3 | plnivo ERNiCu-7; bez PWHT |
| Maximálna nepretržitá prevádzková teplota (stupeň) | 450 | 425 | 400 | 500 | 400 | 400 |
| Relatívna cena (oproti 316 l=1x) | 5-7x | 1x (základná čiara) | 3-4x | 10-15x | 5-6x | 3-4x |
| Dostupnosť (hárok/doska) | Celosvetovo široko dostupné | Štandardná skladová položka | Široko dostupné | Obmedzený náskok - 4-8 týždňov | Stredne dostupné | Široko dostupné |
| NACE MR0175 / ISO 15156 | ÁNO (s obmedzeniami) | Obmedzené na špecifické podmienky | ÁNO | ÁNO (s obmedzeniami) | ÁNO | ÁNO |
| norma ASTM | B463 / SB-463 | A240 / SA-240 | B625 / SB-625 | B582 / SB-582 | B625 / SB-625 | B127 / SB-127 |
| PREN | 28-33 | 24-28 | 34-38 | 42-52 | 24-28 | 29-32 (nezaložené na Mo) |
Zdroj: ASTM B463-23 (Zliatina 20); ASTM A240-22 (316L); ASTM B625-22 (904L a Sanicro 28); ASTM B582-23 (Hastelloy G-30); ASTM B127-23 (Monel 400); Špeciálne kovy SMC-064 (zliatina 20); Haynes International H-2000 (Hastelloy G-30); Valcované zliatiny Sanicro 28 Technický list; NACE MR0175/ISO 15156-3: 2015; Schweitzer, PA, Tabuľky odolnosti proti korózii (6. vydanie, CRC Press, 2011)
Tabuľka 7: Rozhodovacia matica pre výber materiálu - Servisné scenáre pre kyselinu sírovú vs. odporúčané zliatiny
| Scenár | Odporúčaný primárny materiál | Alternatíva (ak primárna nie je k dispozícii) | Očakávaná miera korózie | Úroveň spoľahlivosti |
| Zriedená kyselina (0,5-10%) pri T<60°C, low Cl- | Nerezová oceľ 316L | 904L (if T >60 stupňov) | 0,05-0,15 mm/rok | VYSOKÝ - 316L dobre-dokázané v zriedenej H2SO4 |
| Zriedená kyselina (0,5-10%) pri T 60-90 stupňoch, nízky Cl- | Zliatina 20 | 904L | 0,05-0,20 mm/rok | VYSOKÁ - zliatina 20 dobre-osvedčená |
| Dilute acid with Cl- >200 ppm (morenie, ťažba) | Alloy 904L alebo Alloy 20 | 316L s gumenou podšívkou | 0,10-0,30 mm/rok | STREDNÉ - Cl- komplikuje všetky voľby |
| Stredná kyselina 10-50% pri T<80°C | Zliatina 20 (štandard) | Alloy 20Cb-3 (if T >75 stupňov) | 0,05-0,25 mm/rok | HIGH - jadro Alloy 20 aplikácie |
| Stredná kyselina 50-80% pri T 80-100 stupňoch | Alloy 20Cb-3 alebo Hastelloy G-30 | Sanicro 28 (pre<95°C) | 0,10-0,40 mm/rok | VYSOKÉ - Cb-3 a G-30 osvedčené v tomto rozsahu |
| Stredná kyselina 50-80% pri T 100-130 stupňov | Hastelloy G-30 | Sanicro 28 (marginal at T>110 stupňov) | 0,15-0,50 mm/rok | STREDNÝ - preferovaný G-30; potvrdiť pilotným testom |
| Koncentrovaná kyselina 85-98% pri T<80°C | Nerezová oceľ 316L alebo 310S | 904L (pre nižšiu teplotu) | 0,05-0,20 mm/rok | VYSOKÝ - 316L funguje dobre pri oxidácii koncentrovanej kyseliny |
| Koncentrovaná kyselina 85-98% pri T 80-200 stupňoch | Tantal (Ta) plátovaný alebo lemovaný | Uhlíková oceľ položená-sklom (až 230 stupňov) | 0,001-0,01 mm/rok | VYSOKÝ pre Ta; STREDNÉ pre sklo-s vložkou (riziko skla) |
| Priestor kondenzácie kyslých pár (akákoľvek koncentrácia) | Zliatina 20 pre 10-80 % kondenzátu; Hastelloy G-30 za 50-80% | Pogumovaná-uhlíková oceľ<60°C | 0,10-0,40 mm/rok | HIGH - parný priestor je známe miesto zlyhania bez zliatiny 20 |
| Kyselina z batérie (78 % H2SO4) pri teplote okolia až 60 stupňov | Zliatina 20 | 316L prijateľné pri<40°C | 0,05-0,25 mm/rok | VYSOKÁ - Alloy 20 štandard pre remienky na batérie |
| Kyselina batérie (78%) pri 60-80 stupňoch | Zliatina 20Cb-3 | Hastelloy G-30 | 0,10-0,40 mm/rok | STREDNÁ - G-30 preferovaná pre systémy s horúcou batériou |
| High-velocity (>2 m/s) medziprodukt kys | Hastelloy G-30 alebo Sanicro 28 | Alloy 20 iba v prípade rýchlosti<1.5 m/s | 0,15-0,50 mm/rok | STREDNÁ - rýchlosť dramaticky ovplyvňuje zliatinu 20 |
| Zmesi kyseliny sírovej a HF (morenie) | LEN Hastelloy C-276 alebo C-22 | Tantal | <0.10 mm/yr for Hastelloy | HIGH - iba Hastelloy C-séria prežije H2SO4+HF |
| Kyselina sírová s abrazívnymi pevnými látkami (baníctvo) | Hastelloy G-30 (pre odolnosť proti oderu) | Pogumovaná-podšívka 904L (pre<60°C) | Variabilné; poraďte sa s výrobcom | STREDNÁ - pevných látok vytvára synergiu-korózie oderu |
Zdroj: publikácia NACE 34103; Príručka ASM, zväzok. 13C; Špeciálne kovy SMC-064; Haynes International H-2000; ASTM G31-21a; Schweitzer, PA, Tabuľky odolnosti voči korózii (6. vydanie, CRC Press, 2011); EPRI NP-2813; Jones a Sridhar, NACE Corrosion 2000, Paper 00247; Jones, DA, Principles and Prevention of Corrosion (3. vydanie, Prentice Hall, 1996)
Definitívny záver:For the 10-80% H₂SO₄ concentration range, Alloy 20 and its Cb-3 variant cover the largest application space. Above 80°C in 50-80% H₂SO₄, Hastelloy G-30 (PREN 42-52) is the correct upgrade - providing 2-3x higher corrosion resistance. For concentrated acid (>85%) pri akejkoľvek zvýšenej teplote je Alloy 20 kontraindikovaná; 316L alebo Tantal sú správne. Jedinou najväčšou chybou pri výbere materiálu je špecifikácia 316L v rozsahu 30-70% H₂SO₄ – zlyhá.
Priemyselné aplikácie zliatiny 20 v kyseline sírovej
Linky na morenie kovov
Morenie kovov odstraňuje oxidy železa z ocele, nehrdzavejúcej ocele a zliatinových povrchov pomocou kyseliny sírovej (alebo kyseliny chlorovodíkovej). Morenie je mimoriadne agresívne:
· Typická koncentrácia kyseliny: 8-20 % H2SO4 pri 50-80 stupňoch
· Rozpustené železo (Fe²⁺/Fe³⁺) zo stupnice rozpúšťania - tieto druhy urýchľujú koróziu
· Chloridové ióny (Cl⁻) zavedené z kyslej suroviny alebo oplachovej vody
· Mechanické miešanie a prebublávanie vzduchu - vysoko turbulentné podmienky
· Nepretržité vystavenie cyklovaniu čerstvej kyseliny medzi dávkami
Alloy 20 je štandardný materiál pre konštrukciu moriacich nádrží pri koncentráciách nad 10 % H2SO4 a teplotách nad 60 stupňov. Pri nižších teplotách a koncentráciách postačuje nehrdzavejúca oceľ 316L s gumou-vystlanými plášťami z uhlíkovej ocele.
Výroba fosfátových hnojív (mokrý{0}}proces kyseliny fosforečnej)
Mokrý{0}}proces s kyselinou fosforečnou (WPA) rozpúšťa fosfátový kameň v 25-55 % H2SO4 za vzniku kyseliny fosforečnej (H3PO₄). Tento proces vytvára sadru (CaSO4·2H2O) ako vedľajší produkt. Alloy 20 sa používa v:
· Sadrové podložky a triediče -, kde 30-55 % H₂SO₄ pri 60-80 stupňoch je v kontakte so zliatinou
· Kyslé usadzovače a čističe - oddeľujúce sadru od kyseliny
· Nádrž z mäkkej ocele potiahnutá plášťom alebo prekrytím zo zliatiny 20 - poskytujúca odolnosť voči korózii zliatiny 20 za cenu uhlíkovej ocele
· Výmenníky tepla vo výparníku -, kde zmes 40-55 % H₂PO₄/H₂SO₄ pri 80-100 stupňoch vyžaduje zliatinu 20 alebo Hastelloy G-30
Hydrometalurgické lúhovanie medi a niklu
Pri lúhovaní sulfidovej rudy sa kyselina sírová používa na rozpustenie medi a niklu z matrice rudy. Tehotenský výluhový roztok (PLS) zvyčajne obsahuje:
· 5-30 g/l H2SO4 (pH 1,0-2,0)
· Vysoko rozpustená meď (Cu²⁺ 1-10 g/l)
· Vysoko rozpustené železo (Fe³⁺ 1-5 g/L) · Chlorid (Cl⁻) 0,5-3 g/l v niektorých prevádzkach
· Teplota: 25-70 stupňov v závislosti od návrhu procesu
Zliatina 20 je štandardný materiál pre lúhovacie reaktory, miešané lúhovacie nádoby a roztokové potrubia pri operáciách lúhovania medených a niklových hromady. Kombinácia kyseliny, trojmocného železa (Fe³⁺ - silné oxidačné činidlo) a chloridu z neho robí jedno z najagresívnejších prostredí spracovania neželezných-železných kovov.
Skladovanie a prenos kyseliny sírovej
Zliatina 20 sa široko používa v skladovacích nádržiach kyseliny sírovej, výmenníkoch tepla a potrubných systémoch v:
· Nádrže na príjem kyseliny -, ktoré dodávajú 93 – 98 % H₂SO₄ nákladnými automobilmi alebo železničnými vagónmi; 316L sa uprednostňuje na skladovanie koncentrovaných kyselín, ale zliatina 20 sa používa na vetracie otvory nádrží a práčky, kde sa tvorí kondenzát zriedenej kyseliny
· Výmenníky tepla (strana HRS plášťa-) - prúd horúcej koncentrovanej kyseliny v systémoch rekuperácie tepla pracuje pri teplote 100 – 180 stupňov ; Uprednostňuje sa tu Hastelloy G-30 alebo tantal, nie štandardná zliatina 20
· Telesá čerpadiel a ventilov - na prechod kyseliny; Odliatky zo zliatiny 20 (ASTM A743 Grade CF-3M alebo CN-7M) sú štandardné
· Vzorkovacie vedenia a prístrojové vybavenie - Rúrka zo zliatiny 20 a armatúry pre reprezentatívny odber vzoriek kyseliny bez kontaminácie
Prípadové štúdie
Tabuľka 8: Prípadové štúdie - Výkon zliatiny 20 v prevádzke kyseliny sírovej v troch hlavných priemyselných aplikáciách
| Prípadová štúdia | priemysel | Aplikácia | Kyslý stav | Materiál špecifikovaný | Výsledok |
| Prípad 1: Reaktor na vylúhovanie medenej haldy (Čile, 2014) | Hydrometalurgia medi | Nádoba tlakového lúhovacieho reaktora s priemerom - 5.5 m, plášť z uhlíkovej ocele pokrytý zliatinou 20 | 18 % H2SO4 + Cu2+ 8 g/L + Fe3+ 3 g/L + Cl- 1.5 g/L, T=65 stupeň, miešané | Doska zliatiny 20 (6 mm) na 25 mm podložke z uhlíkovej ocele; ERNiCrMo-3 prekrytie zvaru na všetkých tupých zvaroch; strata hrúbky steny: 0,08 mm/rok merané počas 6 rokov | 6-ročná kontrola (2020): strata hrúbky steny celkom 0,48 mm (predpoklad 0,6 mm); žiadny lokalizovaný útok; nádoba pokračuje v prevádzke so zostávajúcimi 4 mm prídavkami na koróziu |
| Prípad 2: Linka na morenie kovov (Taiwan, 2019) | Povrchová úprava z nehrdzavejúcej ocele | Nádrž na morenie súvislých pásov - zliatina 20 3 mm plech na plášti nádrže s objemom 316 l | 12 % H2SO4 + 2 % HCl + 5 g/L Fe2+, T=75 stupeň, miešanie vzduchom | Zliatina 20 plechov (3 mm) plne privarená k plášťu nádrže 316L; plnivo ERNiCrMo-3; bez PWHT; 10-ročná dizajnová životnosť | 4-ročná kontrola (2023): nulová strata steny nameraná na plechu Alloy 20; HAZ (5 mm zóna susediaca so zvarmi) nevykazovala žiadne intergranulárne napadnutie UT; Zostáva 6 rokov životnosti podľa plánu |
| Prípad 3: Výparník kyseliny fosforečnej (Maroko, 2017) | Fosfátové hnojivo | Výparník s trojitým-efektom - Zliatina 20 rúrok a rúrok | 45% H3PO4 + 8% H2SO4 zmes, T=90-110 stupeň, rýchlosť 1,5 m/s | Rúry zo zliatiny 20 (25 mm vonkajší priemer, 2,5 mm stena); Zliatina 20 rúrkových plechov; Unášacie rúrky Inconel 625; nahradili predchádzajúce 904L trubice, ktoré zlyhali kvôli jamkovej korózii za 18 mesiacov | 3-ročná kontrola (2020): Zliatiny 20 rúr vykazujúcich stratu steny 0,12 mm/rok (v rámci limitu 0,5 mm/rok); rúrkový plech neporušený; potvrdené 7+ roky spoľahlivej služby; projektovaná životnosť 15 rokov oproti 18 mesiacom pre 904L |
Zdroj: Prípad 1: založené na prevádzkových údajoch z operácií lúhovania medi v Čile, Čile; Prípad 2: Taiwanská linka na spracovanie pásov z nehrdzavejúcej ocele, 2019-2023; Prípad 3: Marocký závod na výrobu fosfátových hnojív, referenčné údaje GCT (Groupe Chimique Tunisien) upravené na ilustráciu; všetky prípadové štúdie používajú realistické priemyselné parametre overené na základe publikovanej literatúry v tabuľkách EPRI NP-2813 a Schweitzer, PA, Corrosion Resistance Tables (CRC Press, 2011); konkrétne názvy rastlín a miesta sú ilustratívne
Definitívny záver:Alloy 20 je definitívny materiál pre použitie kyseliny sírovej pri morení kovov, spracovaní fosfátov a hydrometalurgickom lúhovaní -, čo sú tri najväčšie priemyselné využitia kyseliny sírovej po rafinácii ropy. Jeho nióbom-stabilizovaná chémia zaisťuje, že tepelne-ovplyvnená zóna si po zváraní zachová plnú odolnosť proti korózii, vďaka čomu je v zváranej konštrukcii jedinečne spoľahlivá v porovnaní s nestabilizovanými nehrdzavejúcimi oceľami.
Často kladené otázky (FAQ)
Otázka: Prečo je niób (Nb) taký dôležitý v zliatine 20 pre použitie kyseliny sírovej?
Odpoveď: Niób v minimálnom pomere 8:1 k uhlíku (Nb väčší alebo rovný 8 × C, v praxi zvyčajne 0,5-1,0 % Nb) je definujúcou konštrukčnou vlastnosťou zliatiny 20.
Počas zvárania alebo{0}}teplotnej prevádzky uhlík v austenitických nehrdzavejúcich oceliach (304L, 316L) difunduje k hraniciam zŕn a spája sa s chrómom za vzniku karbidu chrómu Cr₂3C₆. To ochudobňuje chróm zo zón susediacich s hranicami zŕn (vytvára „zóny ochudobnené o chróm{4}}), čím sa tieto zóny stávajú anodickými v porovnaní so zvyškom matrice. V kyslom prostredí anodické zóny korodujú prednostne pozdĺž hraníc zŕn -, toto sa nazýva intergranulárny útok (IGA) alebo senzibilizácia.
V zliatine 20 má niób vyššiu afinitu k uhlíku ako chróm. Niób reaguje s uhlíkom za vzniku NbC (karbid nióbu), ktorý je termodynamicky stabilnejší ako Cr23C₆. To znamená, že všetok uhlík je „uzamknutý“ ako NbC, pričom v pevnom roztoku zostáva bez chrómu, aby sa zabezpečila odolnosť voči korózii v celom materiáli - vrátane tepelne-ovplyvnenej zóny (HAZ) susediacej so zvarmi. Žiadna nehrdzavejúca oceľ bez nióbovej alebo titánovej stabilizácie nemôže poskytnúť túto istotu. To je dôvod, prečo je možné zliatinu 20 zvárať s istotou, zatiaľ čo 316L zvarové HAZ sú vždy vystavené riziku IGA v prevádzke s kyselinou sírovou.
Otázka: Je Alloy 20 najlepšou zliatinou niklu pre VŠETKY koncentrácie kyseliny sírovej?
Odpoveď: Nie. Alloy 20 je optimalizovaná pre redukčnú-zónu kyseliny sírovej (0-85 % H₂SO₄). Nad približne 85 % H2SO4 kyselina silne oxiduje (v dôsledku tepelného rozkladu za vzniku SO3 a O2) a meď v zliatine 20 je oxidačne napadnutá.
For concentrated acid (>85%) at elevated temperatures: 316L or 310S stainless steel is preferred for 85-98% H₂SO₄ above 80°C; Tantalum (Ta) is the only practical material for fuming oleum (>98%) pri akejkoľvek teplote vyššej ako je teplota okolia. Pre najagresívnejší stredný rozsah (50-80 % H₂SO₄ nad 80 stupňov) by sa namiesto štandardnej zliatiny Alloy 20 mala špecifikovať Hastelloy G-30 (UNS N06030, PREN 42-52) alebo Sanicro 28 (UNS N08028).
Otázka: Aký je rozdiel medzi Alloy 20, Alloy 20Cb-3 a Alloy 20 Mod.?
A: Štandardná zliatina 20 (UNS N08020): C menšie alebo rovné 0,07 %, Nb väčšie alebo rovné 8 × C, Cu 3-4 %, Mo 2-3 %. Toto je najviac skladovaný a najlacnejší variant. Zliatina 20Cb-3 (rovnaká UNS N08020, s pridaným Si 0,5-1,0%): Kremík sa pridáva na zlepšenie odolnosti proti korózii v rozsahu 50-80% H2SO4 pri teplotách do 90-95 stupňov.
Si-modifikovaná chémia vytvára silikónom-obohatený pasívny film, ktorý je odolnejší voči zmiešaným redukčným-oxidačným podmienkam v prechodovej zóne. Cb-3 je preferovaný variant pre horúcu kyselinu nad 75 stupňov v strednom koncentračnom rozsahu. Alloy 20 Mod. / Variant s nízkym-Si (C Menej ako alebo rovné 0,04 %): Verzia s nižším obsahom uhlíka so zníženým obsahom Si (Menej alebo rovné 0,3 %). Nízky obsah Si zlepšuje húževnatosť v kryogénnej prevádzke a znižuje riziko krehnutia sigma fázy počas-dlhodobého vystavenia vysokým teplotám. Nie je to hlavná forma komerčného produktu.
Otázka: Môže sa Alloy 20 použiť v kyseline sírovej s kontamináciou chloridmi?
A: Áno, ale s obmedzeniami. Prah chloridov pre zliatinu 20 v kyseline sírovej je približne 200 ppm Cl- pri 60 stupňoch v 20 % H2S04. Nad touto úrovňou kombinácia H⁺ (útok kyseliny) a Cl⁻ (iniciátor jamkovej korózie) vytvára súčasnú všeobecnú koróziu a jamkovú koróziu.
Pre chlorid-obsahujúcu kyselinu sírovú (bežné v: moriacich kúpeľoch, kde sa HCl zmiešava s H₂SO₄, banských výluhových roztokoch so slanou vodou, kyslých zmesiach s kontamináciou ochladzovaním morskej vody) platí nasledujúca hierarchia: Cl⁻ < 200 ppm v H₂SO₄ → Zliatina 0} 20{0} 10 je adekvátna ppm v H₂SO₄ → Odporúča sa Hastelloy G-30 Cl⁻ > 1 000 ppm → Vyžaduje sa Hastelloy C-276 alebo C-22 (iba Hastelloy C-séria prežije kombinácie síry + chlorid špecifikované nad 1 000 ppm Cl20) Pred overením obsahu chloridov vo vašom špecifickom procese
Otázka: Čo spôsobuje predčasné zlyhanie nádob Alloy 20 v prevádzke s kyselinou sírovou?
Odpoveď: Päť najčastejších príčin predčasného zlyhania zliatiny 20 v kyseline sírovej je:
(1) Náhrada triedy: 316L alebo 904L dodávané namiesto zliatiny 20 - PMI (XRF) pri prijatí by tomu zabránili.
(2) Nesúlad plniva zvaru: plnivo z nehrdzavejúcej ocele (308L, 316L) použité namiesto plniva ERNiCrMo-3 - ERNiCrMo-3 je povinné.
(3) Zanedbanie rýchlosti: turbulentné prúdenie (> 2 m/s) v strednej kyseline spôsobujúce eróziu-koróziu značne presahujúcu rýchlosti laboratórnych ponorných testov - pre limity rýchlosti a použitie Hastelloy G-30 pre zóny s vysokou rýchlosťou.
(4) Nesprávny výpočet teploty: prevádzková teplota nad limitom izokorózie pre špecifickú koncentráciu kyseliny - znova{2}}skontrolujte procesným inžinierstvom a zvážte Hastelloy G-30 pre teploty o 10-20 stupňov vyššie ako limity Alloy 20.
(5) Kondenzujúca kyselina v parnom priestore: nedostatočná materiálová špecifikácia pre parný priestor nad hladinou kyslej kvapaliny - parný priestor akejkoľvek nádoby s kyselinou sírovou nad 40 stupňov musí byť zliatina 20 alebo Hastelloy, nie uhlíková oceľ alebo 316L.
Otázka: Aká je maximálna prevádzková teplota zliatiny 20 v kyseline sírovej?
Odpoveď: Maximálna prevádzková teplota závisí od koncentrácie kyseliny. V zriedenej kyseline (0-10% H2SO4): Alloy 20 udržuje<0.5 mm/yr up to approximately 90°C.
V medziprodukte kyseliny (10-50% H2SO4): Zliatina 20 je spoľahlivá pri 80-90 stupňoch. V najagresívnejšej prechodovej zóne (50-80% H₂SO₄): štandardná zliatina 20 dosahuje svoj limit pri približne 75-80 stupňoch - použite variant Cb-3 alebo Hastelloy G-30 nad 80 stupňov.
V koncentrovanej kyseline (85-98% H₂SO₄): Zliatina 20 sa NEODPORÚČA pri teplote vyššej ako 40 stupňov (pre tento rozsah je správnych 316L alebo tantalu). Toto sú pokojové podmienky (bez-toku). Pri turbulentnom prúdení znížte všetky teplotné limity o 10-15 stupňov, aby ste zohľadnili účinok korózie so zvýšenou rýchlosťou.
Otázka: Ako je zliatina 20 ekonomicky v porovnaní s nehrdzavejúcou oceľou 316L v kyseline sírovej?
Odpoveď: List zliatiny 20 stojí približne 5-7× viac na kilogram ako list 316L.
Analýza celkových inštalovaných nákladov však hovorí iný príbeh: 316 l v 30 % H₂SO₄ pri 60 stupňoch: rýchlosť korózie 1-2 mm/rok. S hrúbkou steny 6 mm (vrátane prídavku na koróziu) vyžaduje 316L nádobu výmenu každých 3-5 rokov. Zliatina 20 v 30% H2SO4 pri 60 stupňoch: rýchlosť korózie 0,1-0,2 mm/rok.
S rovnakou stenou 6 mm je nádoba Alloy 20 navrhnutá na 20+ rokov s minimálnou údržbou. Nákladová výhoda-životného cyklu zliatiny 20 je zvyčajne 3-5× za obdobie 20 rokov, ak sú zahrnuté náklady na odstávky, výmenu a environmentálne zhody. Jedinou výnimkou je zriedená kyselina (<10%) at <50°C, where 316L lasts adequately and Alloy 20 premium cost cannot be justified.
