Kāda ir{0}}termiņa veiktspējas atšķirība starp 1,5 mm un 2,5 mm apvalka biezumu 316 nerūsējošā tērauda sildītājiem 10% fosforskābes neapstrādātā suspensijā 80 grādos ar abrazīviem kristāliem

Pamatatlaide{0}}fosforskābes ražošanas pakalpojumam

Fosforskābes ražošanas slapjā-procesa rezultātā tiek iegūta neapstrādāta 10% fosforskābes suspensija kalcija sulfāta hemihidrāta vai dihidrāta kristālu, nereaģējušu fosfātu iežu daļiņu un dažādu metālisku piesārņotāju maisījumā. Šī ir ļoti agresīva vide, jo tajā ir apvienota viegli skāba vide (pH 1-2) un cietās daļiņas, kas grauj 316 nerūsējošā tērauda pasīvo pārklājumu. Elektriskie iegremdējamie sildītāji fosforskābes koncentratoros un uzbrukuma tvertnēs tiek pakļauti kombinētai ķīmiskai korozijai un mehāniskai nobrāzumam. Lēmums par apvalka biezumu 1,5 mm pret 2,5 mm ir ilgtermiņa veiktspējas aprēķins, kurā papildu metāls biezākajā sienā ir jāsabalansē ar termiskajām un mehāniskajām sekām, ko rada skriešana ar lielāku šķērsgriezumu. Atšķirībā no tīra šķidruma pakalpojuma, kur vienīgā problēma ir korozija, šī lietojumprogramma ietver divu savstarpēji mijiedarbīgu degradācijas mehānismu uzraudzību vairāku gadu kampaņās.

Erozija{0}}Korozijas sinerģijas atkarība no biezuma

Nerūsējošā tērauda 316 vienmērīgais korozijas ātrums tīrā fosforskābē 80 grādu temperatūrā ir aptuveni 0,1-0,3 mm/gadā atkarībā no fluorīda un hlorīda piemaisījumu daudzuma jēlskābē. Pievienojot abrazīvus kristālus (kalcija sulfāta hemihidrāta kristālus), kuru izmērs parasti ir 10-100 mikroni un ar Mosa cietību 2,5-3,0, degradācijas mehānisms pārslēdzas no tīras korozijas uz erozijas{18}koroziju. Aizsargājošais pasīvais pārklājums tiek nepārtraukti noņemts, saskaroties ar daļiņām, kas pakļauj svaigu metālu skābes iedarbībai. Erozijas{21}}korozijas ātrums nav tikai tīrās erozijas ātruma un tīrās korozijas ātruma summa. Tā vietā notiek sinerģisks efekts, kurā pastāvīgi de{29}}pasivētā metāla korozijas ātrums ir ievērojami lielāks nekā stabilas pasīvās virsmas korozijas ātrums. Publicētie rezultāti 316 nerūsējošajam tēraudam 10% fosforskābē ar 5-10% daļiņām 80 grādu temperatūrā un suspensijas ātrumā 1,5 m/s liecina, ka erozijas-korozijas ātrums ir 0,6–1,2 mm gadā, kas trīs līdz sešas reizes pārsniedz tīras korozijas ātrumu. Aprēķinātais laiks līdz perforācijai nepārtrauktas erozijas-korozijas apstākļos ir 1,3-2,5 gadi 1,5 mm sieniņu biezumam. 2,5 mm sienai aprēķinātais laiks ir 2,1–4,2 gadi. Tomēr šajos aprēķinos tiek pieņemts nemainīgs erozijas-korozijas ātrums. Faktiski, sienai kļūstot plānākai, mainās lokālais spriegumu sadalījums virsmā un var palielināties erozijas ātrums, jo plānāka siena vairāk izliecas, saskaroties ar daļiņām, izraisot lielākus lokālos spriegumus, kas vieglāk salauž virsmu. Fosforskābes ražotņu ilgtermiņa veiktspējas statistika liecina, ka erozijas-korozijas ātrums parasti palielinās par 20–40%, ja sienas biezums ir mazāks par 1,0 mm. Tātad 2,5 mm siena sākas ar vairāk metāla un prasa ilgāku laiku, lai nokļūtu šajā paātrinājuma režīmā.

Sienu biezuma un kristāla trieciena enerģijas mehāniskā loma

Abrazīvie kristāli neapstrādātā fosforskābes suspensijā ne tikai slīd pa virsmu, bet ietriecas tajā no dažādiem leņķiem atkarībā no plūsmas modeļa ap sildītāju. Šķērsplūsmā esošās daļiņas atduras pret cilindriskas sildīšanas caurules priekšējo malu gandrīz normālos leņķos (liela trieciena enerģija, vislielākā erozija) un sāniem skatīšanās leņķos (zemāka erozija). Kalcija sulfāta kristāla trieciena enerģija, kas pārvietojas ar ātrumu 1,5 m/s, ir 0,5 līdz 2 mikrodžouli atkarībā no daļiņu izmēra. Ar šo enerģiju pietiek, lai radītu mikro-plastisku deformāciju uz 316 nerūsējošā tērauda virsmas. Plastiski izkropļotā slāņa dziļums no katra sitiena parasti ir 1-5 mikroni. Pilnīga materiāla noņemšana tiek panākta noguruma procesā ar lielu triecienu skaitu: atkārtoti triecieni rada darba sacietēšanu, lūzumu sākšanos un visbeidzot nelielu metāla gabalu atdalīšanu. Materiāla noņemšanas ātrums ir apgriezti saistīts ar metāla cietību, kā arī ir atkarīgs no pamatā esošā beztaras materiāla spējas absorbēt trieciena enerģiju, nesadaloties. Biezāka siena rada lielāku elastīgu pamatu zem trieciena virsmas. 316 nerūsējošajam tēraudam elastības modulis ir 193 GPa, un caurules sienas stingrība lieces laikā ir proporcionāla biezuma kubam konkrētam ārējam diametram. Sienas biezumam 2,5 mm ir lieces stingrība, kas ir aptuveni 4,6 reizes lielāka par 1,5 mm sienu biezumu (2,5³/1,5³=4.6). Paaugstinātā stingrība samazina dinamisko novirzi, iedarbojoties uz daļiņām, un tādējādi samazina maksimālo kontaktspriegumu un erozijas ātrumu. Lauka novērojumi fosfora augu sildītājos liecina, ka 2,5 mm sieniņu cauruļu erozijas ātrums priekšējā malā bieži vien ir par 20-30% mazāks nekā 1,5 mm sieniņu caurulēm tādos pašos vircas apstākļos tikai stinguma ietekmes dēļ.

Biezākas sienas siltuma veiktspējas sods piesārņojuma gadījumā

Ir labi zināms, ka fosforskābes neapstrādāta virca piesārņo. Kalcija sulfāta kristāliem ir tendence uzkrāties uz karstām virsmām. Tas izraisa katlakmens veidošanos, kas izolē cauruli un ierobežo siltuma pārnesi. Mēroga veidošanās ātrums ir atkarīgs no virsmas temperatūras attiecībā pret kalcija sulfāta šķīdības līkni. Kad apvalka temperatūra pārsniedz 90-95 grādus, kalcija sulfāta hemihidrāta šķīdība samazinās un tā nogulsnēšanās tiek paātrināta. 1,5 mm sienas sildītājam ar vatu blīvumu 6 W/cm2 80 grādu lielapjoma skābē apvalka virsmas temperatūra ir aptuveni 95{19}}100 grādi pie paātrinātas mērogošanas sliekšņa. Ar tādu pašu vatu blīvumu 2,5 mm siena nodrošina apvalka temperatūru 110-120 C, kas atbilst mērogošanas diapazonam. 2,5 mm sienas caurule tiks veidota ātrāk-un biezāka nekā 1,5 mm caurule. Kad katlakmens slānis ir novietots, tas pievieno savu termisko pretestību, kas paaugstina apvalka temperatūru pašpastiprinošā ciklā. Ekvivalents sienas biezums 4,0 mm no 2,5 mm sienas efektīvās termiskās pretestības ar 0,5 mm kalcija sulfāta skalu. Šī skala ne tikai kavē siltuma pārnesi, bet arī rada plaisas zem skābes ķīmijas, kas lokāli koncentrējas un paātrina koroziju. Tādējādi divu biezumu ilgtermiņa veiktspējas atšķirība ir ļoti atkarīga no spējas pielāgot skalu. 2,5 mm siena var sasniegt savu pagarināto erozijas-korozijas kalpošanas laiku iekārtās, izmantojot mehānisku tīrīšanu (skrāpjus vai skrāpjus) vai ķīmisku atkaļķošanu. 1,5 mm siena faktiski var darboties labāk augos, kur ir atļauts savākt katlakmens. Zemāka virsmas temperatūra aizkavē katlakmens veidošanos, un, kad veidojas katlakmens, plānāka pamatnes siena uztur lielāku siltuma plūsmu caur kombinēto sienu plus skalas slāni.

Termiskā riteņbraukšana un diferenciālās izplešanās spriegumi

Fosforskābes koncentratori darbojas sērijveida ciklos vai ar periodisku padevi, un sildītājs tiek termiski ciklēts no apkārtējās vides līdz 80 grādiem un atpakaļ. Katrs apkures cikls izraisa atšķirīgu izplešanās spriegumu starp pretestības stiepli, magnija oksīda izolāciju un nerūsējošā tērauda apvalku. Tā kā biezāka sekcija nodrošina lielāku izturību pret termisko izplešanos un kontrakciju, šo spriegumu amplitūda ir proporcionāla apvalka biezumam. Izplešanās koeficients 316 nerūsējošajam tēraudam temperatūras maiņai par 80 grādiem ir aptuveni 0,1% (16 × 10-6/grādi x 80 grādi=0.00128). Caurulei ar 12 mm ārējo diametru šis izplešanās ir 0,015 mm. 1,5 mm siena var vieglāk tikt galā ar izplešanos elastīgas deformācijas dēļ nekā 2,5 mm siena. Biezāka siena tiek pakļauta lielākam cikliskam spiedienam pie kontakta starp apvalku un magnija oksīda izolāciju tūkstošiem ciklu. Tas var izraisīt izolācijas plaisāšanu, kas samazina dielektrisko izturību un, visbeidzot, noved pie elektriskās atteices. Ilgtermiņa -fosfora ražotņu veiktspējas dati liecina, ka 2,5 mm sienas sildītājiem pēc 3–5 gadu kalpošanas ir lielāks elektrības atteices (izolācijas pārrāvuma) līmenis nekā 1,5 mm sienas sildītājiem, pat ja 2,5 mm sienā joprojām ir atlicis atbilstošs metāla biezums. Biezāka siena samazina korozijas un erozijas kalpošanas laiku termiskā noguruma dēļ.

Ilgtermiņa{0}}veiktspējas salīdzinājuma kopsavilkums

Veiktspēja Metric 1,5 mm apvalks 2,5 mm apvalks
Erozijas -korozijas ātrums ar 1,5 m/s suspensiju 0,6–1,2 mm/gadā 0,5–0,9 mm/gadā (par 20–30% mazāks stinguma dēļ)
Laiks līdz perforācijai (aprēķinātais) 1,3–2,5 gadi 2,8–5,0 gadi
Apvalka temperatūra pie 6 W/cm² 95-100 grādi 110-120 grādi
Mērogošanas ātrums (kalcija sulfāts) Mērens (sliekšņa režīms) Augsts (paātrināts režīms)
Termiskā noguruma kalpošanas laiks (cikli līdz izolācijas atteicei) 4000-7000 cikli 8000-12000 cikli
Tipiskais fosfora iekārtu kalpošanas laiks ir 2–4 gadi (ierobežots mērogs) 3–5 gadi (termiskais nogurums ierobežots)
Labākais lietojums Iekārtas ar atkaļķošanas iespēju, sērijveida darbību Pastāvīgs serviss ar maz vietas mērogam
Praktiskas stratēģijas mūža pagarināšanai ārpus biezuma izvēles

Apvalka biezums vien neatrisinās fosforskābes vircas problēmu. Ir pierādīti trīs savstarpēji papildinoši risinājumi, kas paildzina sildītāja kalpošanas laiku, pārsniedzot to, ko varētu paredzēt tikai no biezuma vien. 1. Plūsmas pārvaldība: sildītāja cauruļu novietošana paralēli vircas plūsmai, nevis perpendikulāra, samazina trieciena leņķus un erozijas ātrumu par 40-60%. Otrkārt, virsmas sacietēšana: 316 nerūsējošā tērauda virsmas nitrēšana vai boronizācija paaugstina cietību no 200 HV līdz 800-1000 HV, ievērojami samazinot erozijas ātrumu, nepalielinot termisko pretestību. 1,5 mm caurule ar cietāku virsmu var būt divreiz izturīgāka nekā 2,5 mm caurule bez stingras virsmas. Treškārt, katlakmens pārvaldība, uzturot skābes temperatūru zem 75 grādiem vai izmantojot katlakmens inhibitorus, piemēram, poliakrilātus, saglabā apvalka virsmu zem kalcija sulfāta nogulsnēšanās sliekšņa, tādējādi ir iespējams izmantot plānākas, termiski efektīvākas sienas. Dažas rūpnīcas piecus vai vairāk gadus bez problēmām ir izmantojušas 1,2 mm sienas sildītājus ar virsmas sacietēšanu un katlakmens kavēšanu, savukārt neapstrādāti 2,5 mm sienas sildītāji neizdevās katlakmens izraisītas pārkaršanas dēļ.

Secinājums: veiktspējas atšķirības, ko izskaidro darbības apstākļi

Ilgtermiņa veiktspējas atšķirība starp 1,5 mm un 2,5 mm sieniņu biezumu 316 nerūsējošā tērauda sildītājiem 10% fosforskābes neapstrādātā vircā 80 grādos nav vienkāršs ieguvums biezākai sienai. 2,5-mm siena nodrošina 1,5 līdz 2,0 reizes ilgāku erozijas-korozijas ilgmūžību nepārtrauktā, zemā{13}}mērogošanas režīmā, taču tā cieš no augstākas virsmas temperatūras, kas palielina mērogošanas ātrumu, un samazināta termiskā noguruma ilgums. erozija{18}}korozija. Lielākajai daļai fosforskābes ražotņu optimālais biezums ir starp šīm divām galējībām, aptuveni 1,8-2,0 mm, izmantojot virsmas sacietēšanu un mērogošanas kontroli. Ja iekārta ar labu mēroga kontroli un nepārtrauktu darbību ir spiesta izvēlēties starp abiem, jāizvēlas 2,5 mm siena, lai maksimāli palielinātu erozijas-korozijas kalpošanas laiku. Iekārtām, kas darbojas partijas režīmā ar biežu termisko ciklu vai ierobežotām atkaļķošanas iespējām, sieniņu biezums ir jāizvēlas 1,5 mm, lai izvairītos no katlakmens veidošanās un termiskā noguruma kļūmēm. Virsmas apstrādes vajadzībām un plūsmas orientācijai ir jābūt noteiktai specifikācijā, pārvēršot vienkāršu biezuma izvēli par pilnvērtīgu vircas apstrādes sildītāja dizainu.