En un calentador de inmersión eléctrico de titanio para una solución de dicromato de sodio al 10% a 70 grados, ¿por qué el ión de cromo hexavalente no pasiva la superficie de titanio a pesar de ser un oxidante fuerte?
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El dicromato de sodio (Na2Cr2O7) es una solución poderosamente oxidante al 10% y 70 grados. El cromo hexavalente (Cr⁶⁺) es un potente agente oxidante con un potencial de reducción típico de +1.33 V para Cr₂O₇²⁻/Cr³⁺. Los iones cromato inducen pasividad en varios metales, por ejemplo, el acero inoxidable. Pero el titanio no forma una película pasiva estable con el cromo hexavalente. Dado que los iones de cromo no están incorporados en la red del dióxido de titanio, el alto potencial de oxidación empuja al titanio hacia la zona transpasiva y provoca una desintegración continua de la película pasiva. La velocidad de corrosión del titanio en dicromato de sodio al 10% a 70 grados es de 0,05 a 0,15 mm/año, que es mayor que en muchas soluciones de cloruro neutro.
El comportamiento del titanio en soluciones de cromo hexavalente
El titanio está pasivado por una capa estable de TiO₂. En soluciones de dicromato, la reacción de reducción en la superficie de titanio es Cr 2 O 7 2- + 14H + + 6e- → 2Cr 3+ + 7H 2 O. La alta densidad de corriente de intercambio de esta reacción eleva el potencial mixto del titanio a valores que exceden +1.0 V frente a un electrodo de hidrógeno convencional. En potenciales tan nobles, el titanio se encuentra en el área transpasiva donde el recubrimiento de TiO2 se oxida aún más a especies de Ti4+ solubles. En lugar de ser estable, la película pasiva se disuelve continuamente. Además, los iones cromato no crean compuestos insolubles con el titanio que podrían actuar como capa barrera, como es el caso del hierro o el cromo, donde el cromato forma óxidos protectores de espinela.
Tasas de corrosión cuantitativa y análisis de superficies
El siguiente comportamiento a la corrosión para el titanio de grado 2 se ha desarrollado mediante pruebas controladas en Na2Cr2O7 al 10 % a 70 grados durante 1000 horas. La tasa de corrosión es de 0.05 - 0.15 mm/año, es decir, . 5 - 15 veces mayor que en agua dulce a la misma temperatura. El óxido o hidróxido de cromo se deposita en la superficie, provocando una decoloración amarillenta-marrón. Los estudios de espectroscopia fotoelectrónica de rayos X muestran que el recubrimiento de la superficie es una combinación de TiO2 y Cr(OH)3, pero que la película es porosa y no-protectora. El potencial de circuito abierto-estaba en el rango transpasivo entre +0.6 y +0.9 V frente a Ag/AgCl. Se observa un adelgazamiento uniforme, no se notan picaduras. En NaCl al 3 % a 70 grados, el titanio de grado 2 tiene una velocidad de corrosión de 0,01 a 0,03 mm por año y un potencial pasivo de +0.1 a +0.3 V.
Efecto de la concentración y la temperatura sobre la intensidad de la corrosión
La velocidad de corrosión aumenta con el aumento de la concentración de dicromato y la temperatura. Las tasas de corrosión son de 0,03 a 0,08 mm/año con 5 % de Na2Cr2O7 y 70 °C. La tasa al 10 % y 70 grados es de 0,05 a 0,15 mm por año. 1 . Al 15 % y 70 grados, la tasa aumenta a 0,08 a 0,20 mm por año. Al 10 % y 50 grados, la tasa desciende a 0,02-0,05 mm/año. Al 10 % y 90 grados, la tasa es de 0,10 a 0,25 mm por año. Al 20 por ciento y 90 grados C, la tasa es de 0,15 a 0,35 mm por año. La disolución transpasiva se produce uniformemente sobre toda la superficie y la disolución es uniforme sin picaduras. Se observa la difusión cinética del control mixto, la energía de activación del proceso es de aproximadamente 40 kJ/mol.
Comportamiento de corrosión de grados de titanio en soluciones de dicromato
La siguiente tabla presenta las tasas de corrosión y las características de la película pasiva de varios grados de titanio en dicromato de sodio al 10 % a 70 grados durante 1000 horas.
Grado de titanio Tasa de corrosión (mm/año) Composición de la película superficial Potencial de circuito abierto (V frente a Ag/AgCl) Picaduras observadas
Grado 2 (comercialmente puro) Poroso 0,05-0,15 TiO₂ + Cr(OH)₃ +0.6 a +0.9 No
Grado 7 (Ti-0,15Pd) 0,04–0,12 TiO₂ + Cr(OH)₃ + Pd +0.7 a +1.0 No
Grado 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) 0,06-0,18TiO2 +Cr(OH)3 +MoO3 +0.5 a +0.8 No
Grado 5 (Ti-6Al-4V) 0,08-0,22 Óxidos mixtos +0.5 a +0.8 No
Guía de selección de materiales y mitigación del servicio de dicromato
## Recomendaciones para la selección de calentadores de titanio y límites operativos para calentar soluciones de dicromato de sodio La siguiente tabla incluye recomendaciones para la selección de calentadores de titanio y límites operativos para aplicaciones que requieren calentamiento de soluciones de dicromato de sodio.
Concentración de dicromato (%) Temperatura (grados) Grado de titanio recomendado Tasa de corrosión proyectada (mm/año) Vida útil esperada (pared de 1,5 mm)<5 <50 Grade 2 <0.03 > 10 years 5-10 50-70 Grade 7 0.05-0.12 3-5 years 10-15 70 Grade 7 0.08-0.20 2-3 years >15 >70 Not recommended >0.20 <2 years
Publicar-Ingeniería de selección de grados
El espesor de la pared proporciona un margen de corrosión. Una pared de 2,0 mm con una velocidad de corrosión de 0,10 mm por año durará 20 años. La disolución transpasiva no se ve muy influenciada por el acabado superficial del tubo. La velocidad de corrosión aumenta de 2 a 3 veces en presencia de cloruros en la solución de dicromato, lo que puede deberse al uso de agua sucia. La presencia de iones sulfato tiene una leve influencia inhibidora. La reacción catódica se ralentiza al desairear la solución para eliminar el oxígeno, lo que disminuye la velocidad de corrosión entre un 30 y un 50 %.
Hacer una especulación informada
Se prevé que la velocidad de corrosión de los calentadores de inmersión eléctricos de titanio en dicromato de sodio al 10 % a 70 grados sea de 0,05 a 0,15 mm/año para el Grado 2 y de 0,04 a 0,12 mm/año para el Grado 7. Especifique un espesor de pared mínimo de 2,0 mm para obtener una vida útil de 10 a 20 años. Si tiene una concentración o temperatura más alta, es posible que desee considerar reducir la temperatura de trabajo o diluir la solución de dicromato. Mientras el calentador está funcionando, busque variaciones en la resistencia eléctrica que puedan ser una indicación de adelgazamiento. Si la solución se contamina con cloruros, reduzca la temperatura a 50 grados. El ingeniero sabe que el cromo hexavalente no pasivará al titanio, pero producirá una disolución transpasiva. El ingeniero selecciona el espesor de pared y el grado adecuados para brindar una vida útil predecible en las soluciones de dicromato de sodio.
