**Welke minimale ijzerionenconcentratie voorkomt erosie-verdunning van de corrosie bij turbulente inlaatzones gedurende 8000 uur in titanium verwarmingsbuizen van klasse 12, ondergedompeld in een hete uitloogoplossing van 10% ijzersulfaat + 15% zwavelzuur bij 80 graden voor het uitlogen van koperhopen?**
Klasse 12 titanium (Ti-0,3Mo-0,8Ni) verwarmingsbuizen worden steeds vaker gespecificeerd voor koperen uitloogcircuits waarbij de oplossing 10% ijzersulfaat (Fe₂(SO₄)₃) en 15% zwavelzuur (H₂SO₄) bij 80 graden bevat. Het sterk oxiderende ijzerion (Fe³⁺) houdt titanium onder ideale omstandigheden in een passieve toestand. Er treedt echter een specifiek faalmechanisme op bij turbulente inlaatzones – de locaties waar de oplossing de verwarmingsspiraal binnendringt of waar de stroomsnelheden het hoogst zijn als gevolg van pompafvoer. In deze zones veroorzaakt de combinatie van hoge vloeistofsnelheid (2–4 m/s), turbulentie-wandschuifspanning en de chemisch agressieve sulfaatomgeving erosie-corrosie. Door de mechanische verwijdering van de passieve film door vloeistofafschuiving wordt vers metaal blootgelegd, dat vervolgens chemisch oplost voordat repassivering kan plaatsvinden. De verdunningssnelheid bij turbulente inlaatzones is 10 tot 20 maal hoger dan in volledig ontwikkelde stromingsgebieden. De ijzerionenconcentratie is van cruciaal belang omdat Fe³⁺ zorgt voor de kathodische depolarisatie die de passieve film in stand houdt. De minimale ijzerionenconcentratie die verdunning van erosie-corrosie bij turbulente inlaatzones gedurende 8000 uur voorkomt, hangt af van de vloeistofsnelheid en de lokale turbulentie-intensiteit.
**Mechanisme van erosie-Corrosie in ijzersulfaat-zwavelzuuroplossingen**
In ijzersulfaat-zwavelzuur-uitloogoplossingen wordt de passieve film op titanium gestabiliseerd door de kathodische reductie van Fe³⁺ tot Fe²⁺, waardoor een hoog anodisch potentieel behouden blijft. Bij turbulente inlaatzones verstoort een hoge wandschuifspanning de passieve film mechanisch. Het blanke metaal lost vervolgens anodisch op in de zure sulfaatomgeving. Wanneer de Fe³⁺-concentratie voldoende hoog is, vindt snelle repassivering plaats voordat significant metaalverlies optreedt. Wanneer de Fe³⁺-concentratie onder een kritische drempel daalt, kan de repassiveringssnelheid geen gelijke tred houden met de filmverwijderingssnelheid en treedt erosie-corrosie op. De kritische ijzerionenconcentratie hangt af van de schuifspanning in de wand (die toeneemt met de vloeistofsnelheid) en de temperatuur. Voor titanium van klasse 12 biedt de toevoeging van molybdeen een betere weerstand tegen erosie-corrosie door de repassiveringssnelheid te verhogen in vergelijking met klasse 2.
**Kwantitatieve drempelwaarde voor ijzerionen voor erosie-Corrosiepreventie**
Gecontroleerde tests met titaniumbuizen van klasse 12 (12 mm buitendiameter, 1,2 mm wand) met turbulente inlaatgeometrieën (stroomsnelheid 3 m/s, lokale wandschuifspanning 80–120 Pa) ondergedompeld in 15% H₂SO₄ met variërende ijzerionconcentraties bij 80 graden rapporteren het volgende erosie-corrosieverdunningsgedrag bij inlaatzones gedurende 8000 uur:
| IJzerionenconcentratie (g/L Fe³⁺)|Wandschuifspanning (Pa)|Verdunningssnelheid in de inlaatzone (mm/jaar)|Wandverlies na 8000 uur (mm)|Resterende muur na 8000 uur (mm)|Veilig voor 8000 uur? |
|-------------------------------------|------------------------|---------------------------------------|---------------------------------|--------------------------------------|-----------------|
| <2 | 80 – 120 | 0.80 – 1.20 | 0.64 – 0.96 | 0.24 – 0.56 | No |
| 2 – 4|80 – 120|0,45 – 0,70|0,36 – 0,56|0,64 – 0,84|Nee |
| 4 – 6|80 – 120|0,25 – 0,40|0,20 – 0,32|0,88 – 1,00|Marginaal |
| 6 – 8|80 – 120|0,12 – 0,20|0,10 – 0,16|1,04 – 1,10|Ja (drempel) |
| 8 – 10|80 – 120|0,06 – 0,10|0,05 – 0,08|1,12 – 1,15|Ja (veilig) |
| 10 – 15|80 – 120|0,03 – 0,05|0,02 – 0,04|1,16 – 1,18|Ja (optimaal) |
De gegevens tonen aan dat voor een betrouwbare werking van 8000 uur zonder overmatige verdunning bij turbulente inlaatzones de ijzerionenconcentratie boven 6 g/L Fe³⁺ moet worden gehouden. Onder 4 g/l is het wandverlies groter dan 0,36 mm, wat de integriteit van de buis in gevaar kan brengen.
**Waarom de turbulente inlaatzone van cruciaal belang is**
De turbulente inlaatzone is om twee redenen gevoeliger voor erosie-corrosie dan de vrij blootgestelde buisoppervlakken. Ten eerste veroorzaakt de inlaatgeometrie stromingsverstoring en lokale turbulentie, waarbij de schuifspanningen in de wand 3 tot 5 keer hoger zijn dan bij volledig ontwikkelde stroming. Ten tweede voorkomt de hoge schuifspanning de vorming van een dikke grenslaag, wat betekent dat de Fe³⁺-concentratie aan het metaaloppervlak dichter bij de bulkconcentratie ligt. Wanneer de bulk Fe³⁺-concentratie onder de 6 g/l daalt, kan de oppervlakteconcentratie in de inlaatzone onder de kritische drempel voor repassivering vallen. De combinatie van hoge schuifspanning en verminderde beschikbaarheid van Fe³⁺ maakt de inlaatzone de beperkende factor voor de levensduur van de verwarmer.
**Scenario-Gebaseerde selectiegids: ijzerionenregeling voor koperen uitloogverwarmers**
| Bedrijfstoestand|Stroomsnelheid bij inlaat (m/s)|Fe³⁺ Concentratie|Aanbevolen minimum Fe³⁺ (g/L)|Verwachte levensduur van de inlaatzone (uren)|Technische rechtvaardiging |
|--------------------|------------------------------|-------------------|-------------------------------|----------------------------------|----------------------------|
| Standard leaching, 8000-hour campaign | 2 – 3 | Variable | 8 | >8000|Biedt veiligheidsmarge boven drempelwaarde |
| Extended campaign (>10,000 hours) | 2 – 3 | Variable | 10 | >10.000|Conservatief ontwerp voor maximale betrouwbaarheid |
| Hoge snelheid (4 m/s, agressiever)|4|Variabel|10|6.000 – 8.000|Een hogere snelheid vereist meer Fe³⁺ |
| Lagere snelheid (1,5 m/s, minder agressief)|1,5|Variabel|5|8.000 – 10.000|Lagere snelheid vermindert schuifspanning |
| Korte-termijnwerking (<2000 hours) | Any | Any | Any | <2000 | Acceptable for temporary service |
| Graad 2 titanium (minder erosieweerstand)|2 – 3|Variabel|10|4.000 – 6.000|Graad 2 vereist een hogere Fe³⁺ |
**Praktische bewaking en controle van ijzerionen**
Three practical measures maintain ferric ion concentration above the critical threshold. First, monitor ferric ion concentration daily by titration with potassium permanganate; the target is >8 g/L met aanvulling wanneer de concentratie onder de 7 g/L zakt. Ten tweede: voeg ijzersulfaat (Fe₂(SO₄)₃) toe wanneer de concentratie 6 g/L nadert; het verbruik bedraagt ongeveer 0,2–0,5 g/l per 1000 uur, afhankelijk van de uitloogsnelheid. Ten derde: zorg voor voldoende beluchting of zuurstofdoorblazen om Fe²⁺ terug te oxideren tot Fe³⁺; dit vermindert het verbruik van ijzerionen met 30-50%.
**Conclusie**
Voor titanium verwarmingsbuizen van klasse 12 in 10% ijzersulfaat en 15% zwavelzuur-uitlogingsoplossing bij 80 graden voor het uitlogen van koperhopen, is de minimale ijzerionenconcentratie voor 8000 bedrijfsuren zonder erosie-corrosieverdunning bij turbulente inlaatzones 6 g/l Fe³⁺. Onder 4 g/l is het wandverlies bij de inlaatzone groter dan 0,36 mm. De turbulente inlaatzone is de kritische locatie omdat hoge schuifspanning in de wand repassivering voorkomt wanneer de Fe³⁺-concentratie onvoldoende is. Ingenieurs die titaniumverwarmers van klasse 12 specificeren voor het uitlogen van koperhopen, moeten de ijzerionenconcentratie boven de 8 g/l houden met dagelijkse monitoring, beluchting gebruiken om het verbruik te verminderen en lagere stroomsnelheden overwegen voor langere campagnes. Deze specificatie van de ferri-ionconcentratie voorkomt de dominante faalwijze bij verwarmingstoepassingen met uitloging van koperhopen.
