Viegli skāba sulfāta vide ar izcilu kvarca saderību
Vara sulfāts (CuSO₄·5H2O) ir galvenais elektrolīts vara elektrorafinēšanā (augstas -tīrības pakāpes vara ražošanā no anodiem) un vara galvanizēšanā (dekoratīvie un funkcionālie pārklājumi). Tipiskās koncentrācijas svārstās no 150–250 g/l vara sulfāta pentahidrāta, pievienojot brīvu sērskābi (30–60 g/l), lai uzlabotu vadītspēju un novērstu vara jonu hidrolīzi. Darba temperatūra svārstās no 50 līdz 70 grādiem, un pH parasti ir zem 1,5 pievienotās sērskābes dēļ. Kvarca iegremdējamie sildītāji tiek plaši izmantoti vara sulfāta šķīdumos, jo kausētam silīcija dioksīdam ir lieliska izturība pret atšķaidītu sērskābi (pH 0–1,5) un tas nepiesārņo elektrolītu ar metāla joniem. Korozijas mehānisms ir tīri skābes{15}}vadīts: brīvā sērskābe (H2SO₄) disociējas līdz H⁺ un HSO₄⁻/SO₄²⁻, un protoni uzbrūk siloksāna saitēm. Tomēr vara sulfāta vannām raksturīgajā mērenā temperatūrā (50–70 grādi) un skābes koncentrācijā (30–60 g/l H₂SO₄) korozijas ātrums ir zems vai mērens. Turklāt vara jonu un sulfāta klātbūtne nepaātrina uzbrukumu. Šī analīze nosaka, kā brīvās sērskābes koncentrācija (30–60 g/l) un temperatūra (50–70 grādi) ietekmē vienmērīgu kausētā silīcija dioksīda korozijas ātrumu vara sulfāta elektrolītos. Ir iegūts nepieciešamais kvarca apvalka sieniņu biezums, lai sasniegtu praktiskus apkopes intervālus (5000–20 000 stundas) elektrorafinēšanas un pārklājuma sildītājos, kā arī biezāku sienu termiskā ietekme šajā blīvajā, augstas -termiskās{33}}vadītspējas elektrolītā.
Vara sulfāta kausēta silīcija dioksīda korozijas kinētika{0}}sērskābes šķīdumos
Kvarca koroziju vara sulfāta šķīdumos nosaka brīvās sērskābes koncentrācija. Pats vara sulfāts neuzbrūk kvarcam; sulfāta anjons nav-agresīvs, un vara jons šādos apstākļos neveido kompleksus ar silīcija dioksīdu. Tipiska vara elektrorafinēšanas šķīduma pH ir 0,5–1,0 (brīvais H₂SO₄ 30–60 g/L, kas atbilst 0,3–0,6 MH⁺). 60 grādu temperatūrā 0,5 M H₂SO₄ korodē kvarcu ar ātrumu aptuveni 0,0005–0,001 mm/stundā. Vara sulfāta klātbūtne (kas palielina jonu stiprumu un viskozitāti) nedaudz samazina korozijas ātrumu (par 10–20%), salīdzinot ar tīru sērskābi ar tādu pašu H⁺ koncentrāciju, pateicoties samazinātiem difūzijas koeficientiem.
Augstas -tīrības kausēta kvarca iegremdēšanas pārbaude tipiskā vara elektrorafinēšanas elektrolītā (200 g/L CuSO₄·5H2O, 50 g/L H₂SO₄) 60 grādos uzrāda vienmērīgu korozijas ātrumu 0,0004–0,0008 mm/stundā. Pie 70 grādiem ātrums palielinās līdz 0,0008–0,0015 mm/stundā. Pie 50 grādiem ātrums ir 0,0002–0,0004 mm/stundā. Salīdzinājumam, tas pats šķīdums bez vara sulfāta (tikai 50 g/l H₂SO₄) 60 grādu temperatūrā korodē ar ātrumu 0,0006–0,0012 mm/stundā, apstiprinot vara sulfāta nelielo aizkavējošo efektu. 60 grādu temperatūrā 2,0 mm kvarca apvalks zaudētu 0,0006 mm/stundā × 3330 stundas=2.0 mm, nodrošinot aptuveni 3330 stundu (4,6 mēnešu) kalpošanas laiku. 2,5 mm siena nodrošina 4170 stundas (5,8 mēnešus); 3,0 mm siena nodrošina 5000 stundas (6,9 mēnešus). Elektrorafinēšanas operācijām, kas nepārtraukti notiek 6–12 mēnešus starp anoda nomaiņām, ir ieteicama 2,5–3,0 mm siena. Pārklāšanas operācijām ar zemāku skābes koncentrāciju (piemēram, dekoratīvā apšuvuma pie 30 g/L H₂SO₄) kalpošanas laiks ir proporcionāli garāks.
Hlorīda piesārņotāju klātbūtne (no ūdens vai vara izejvielām) virs 50 ppm var paātrināt koroziju, izmantojot tādu pašu mehānismu kā tīrā sērskābē: hlorīda joni izjauc hidratētā silīcija dioksīda slāni. Vara elektrorafinēšanā hlorīds bieži tiek apzināti pievienots (10–30 ppm), lai veicinātu anoda koroziju un uzlabotu nogulšņu kvalitāti. Šajos zemajos līmeņos ietekme uz kvarca koroziju ir niecīga. Ja līmenis pārsniedz 100 ppm, korozijas ātrums var palielināties par 20–30%.
Lokalizēta bedri un nogulumu veidošanās
Vara sulfāta šķīdumiem parasti nav tendences uz kvarcu. Sulfāta anjons nav agresīvs, un normālos apstākļos vara jons neveido nogulsnes uz kvarca. Tomēr, ja šķīdums tiek lokāli pārkarsēts (piemēram, sliktas maisīšanas vai pārmērīgas siltuma plūsmas dēļ), vara sulfāts var kristalizēties uz kvarca virsmas kā pentahidrāts vai bezūdens sāls. Šie kristāli nav kodīgi, bet var būt siltumizolējoši, radot karstos punktus, kas var izraisīt termisku stresu. Uzturot labu maisīšanu un siltuma plūsmu zem 10 W/cm², tiek novērsta kristalizācija. Elektrorafinēšanā šķīdums parasti tiek enerģiski cirkulēts, līdz minimumam samazinot šo risku.
Meniska zona ir neaizsargāta pret vara sulfāta kristalizāciju, kad ūdens iztvaiko. Zilie kristāli var uzkrāties uz augšējā apvalka, samazinot siltuma pārnesi un potenciāli izraisot lokālu pārkaršanu. Pastāvīga šķidruma līmeņa uzturēšana vai tvaika vairoga lietošana novērš meniska kristalizāciju. Pulēta kvarca virsma samazina kristāla saķeri.
Kā sienas biezums maina vara sulfāta sildītāju kalpošanas laiku
Vienmērīgai korozijai mūža skala lineāri mainās atkarībā no sienas biezuma. 60 grādu temperatūrā ar 50 g/l H₂SO₄ (ātrums 0,0006 mm/h) 2,0 mm siena nodrošina 3330 stundas; 3,0 mm siena nodrošina 5000 stundas; 4,0 mm siena nodrošina 6670 stundas. Ieguvums ir proporcionāls. Lietojumprogrammām, kurām nepieciešama 12 -mēnešu nepārtraukta darbība (8760 stundas), būtu nepieciešama 5,3 mm siena — tas nav praktiski. Tāpēc lielākajā daļā vara elektrorafinēšanas operāciju tiek pieņemts sildītāju nomaiņa ik pēc 6 mēnešiem vai arī tiek izmantoti alternatīvi apvalka materiāli (titāns, PTFE), lai nodrošinātu ilgāku kalpošanas laiku. Vara pārklājumam ar zemāku skābes koncentrāciju (30 g/L H₂SO₄, ātrums ~0,0003 mm/h) 2,0 mm siena nodrošina 6670 stundas (9,3 mēnešus), kas ir pieņemams daudzām operācijām.
Biezāku sienu termiskā iedarbība vara sulfāta šķīdumos
Vara sulfāta šķīdumiem 60 grādu temperatūrā un 200 g/l CuSO₄ siltumvadītspēja ir aptuveni 0,55–0,60 W/(m·K)-, kas ir līdzīga ūdenim. Blīvums ir 1,15–1,20 g/cm³, viskozitāte 1,0–1,5 cP. Konvektīvās siltuma pārneses koeficienti maisītās elektrorafinēšanas šūnās ir robežās no 500 līdz 1000 W/(m²·K). 1,5 mm sienai R_cond=0.00109 m²·K/W; 3,0 mm sienai, R_kond.=0.00217. Ar h=700 W/(m²·K), R_robeža=0.00143. Kopējā pretestība 1,5 mm=0.00252 → U=397 W/(m²·K); 3,0 mm=0.00360 → U=278 W/(m²·K), samazinājums par 30%. Šis sods ir ievērojams. Enerģijas{33}}jutīgām darbībām priekšroka dodama plānākām sienām (1,5–2,0 mm), pat ja tās ir jāmaina biežāk.
Scenārijs-Pamatota atlases matrica kvarca apvalka sieniņu biezumam karstā vara sulfāta servisā
| Lietojumprogrammas scenārijs un darbības parametri | Ieteicamais sienas biezums | Pamata pamatojums ar kvantitatīvu{0}}atlaidi |
|---|---|---|
| Vara elektrorafinēšana (200 g/l CuSO₄, 50 g/L H₂SO₄, 60 grādi, nepārtraukta, 6 mēnešu anoda cikls) | 2,5–3,0 mm, standarta klase, liesmas-pulēts | Ātrums ~0,0006 mm/h → 3,0 mm nodrošina 5000 stundas (7 mēneši). Liesmas-pulēšana samazina kristāla saķeri. U ≈ 350 W/(m²·K). |
| Dekoratīvais vara pārklājums (150 g/l CuSO₄, 30 g/L H₂SO₄, 55 grādi, nepārtraukts, 1 gada mērķis) | 2,0–2,5 mm, kā-nozīmēts | Ātrums ~0,0003 mm/h → 2,5 mm nodrošina 8300 stundas (11,5 mēneši). Pieņemams. U ≈ 400 W/(m²·K). |
| Augstas temperatūras vara pārklājums (70 grādi, 40 g/l H₂SO₄, jebkurš) | 2,5–3,0 mm, bet ņemiet vērā titānu | Ātrums ~0,001 mm/h → 3,0 mm nodrošina 3000 stundas (4 mēneši). Alternatīva var būt rentabla-. |
| Copper sulfate with high chloride (>100 ppm Cl⁻) | 2,5 mm, monitors | Hlorīds nedaudz paātrina koroziju,{0}} mm nodrošina drošības rezervi. |
Papildu dizaina modifikācijas:Uzturot labu maisīšanu, tiek novērsta kristalizācija. Pulēta kvarca virsma samazina kristāla saķeri. Skābes koncentrācijas kontrole specifikācijas apakšējā daļā samazina korozijas ātrumu. Periodiska tīrīšana ar atšķaidītu skābi noņem vara sulfāta nogulsnes.
