Die Leistung von rostfreien Stählen in konzentrierter Schwefelsäure

Die Leistung von rostfreien Stählen in konzentrierter Schwefelsäure
Schwefelsäure ist eine der weltweit am häufigsten verwendeten Chemikalien und in Konzentrationenmehr als 90 Gew .-% ist es auch sehr ätzend. In diesem Artikel wird die Auswahl der Materialien für erörtertUmgang mit konzentrierter Schwefelsäure, insbesondere bei erhöhten Temperaturen (bis 200 ° C)die während seiner Herstellung auftreten. Einige der modernen austenitischen und Duplex-Edelstähle sindüberprüft und ihre Grenzen und Vorteile werden diskutiert.
Von Roger Francis, RR® Materials, Vereinigtes Königreich

EinführungSchwefelsäure ist eine Chemikalie, die in zahlreichen Industriezweigen eingesetzt wirdProzesse sowie beim Auswaschen vieler Metalle aus ihrenErze. Es wird aus Schwefeldioxid hergestellt, das sein kanndurch Verbrennen von Schwefel erzeugt, kann es ein Nebenprodukt von a seinmetallurgischer Schmelzprozess, oder es kann durch thermische hergestellt werdenZersetzung (Regeneration) verbrauchter Säure. Das Schwefeldioxidwird mit Sauerstoff an einem Katalysator bei ~ 420 ° bis 625 ° C umgesetzt, um sich zu bildenSchwefeltrioxid. Das letztere Gas reagiert dann mit Wasser in derabsorbierende Türme unter Bildung von Schwefelsäure. Dieser Prozess istexotherm und die Säure kann Temperaturen von bis zu 180 ° erreichenbis 200 ° C. Der größte Teil dieser Energie wird auf verschiedene Weise zurückgewonnenEnergieverbrauch minimieren. Normalerweise wird die Säure dann abgekühltvon ca. 100 ° C bis nahe an die Umgebung zur Lagerung.


MaterialienTraditionell wurden Materialien wie mit Säure-Ziegel ausgekleideter Stahl verwendetGefäße und duktile Eisen wie Mondi® oder niedriglegierter austenitischerrostfreie Stähle wie 316 für Rohrleitungen, innerhalb einer begrenztenTemperatur- und Säurekonzentrationsbereich. DieEntwicklung moderner, hochlegierter rostfreier Stähle mit verbessertenDie Beständigkeit gegen heiße konzentrierte Säure hat die Materialien verändertAuswahlmöglichkeiten. Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung einigerrostfreie Stähle, die mit Schwefelsäure verwendet werden. 304 und 316 sinddie gängigen austenitischen Qualitäten, die von derChemie- und Prozessindustrie. Legierung 310 ist ein hohes Chrom,Nickel austenitische Legierung mit überlegener Säurekorrosionsbeständigkeitverglichen mit 304 und 316. ZERON®100 und 2507 sindSuperduplex-Edelstähle mit einer ungefähren 50/50Austenit / Ferrit-Phasengleichgewicht. Diese Struktur ergibt eine viel höhereFestigkeit (~ 2½ mal) als die der austenitischen Legierungen und Angebotedie Möglichkeit der Einsparung von Wandstärken für Anwendungen mithohe Drücke und / oder Temperaturen.Saramet®, Sandvik SX® und ZeCor® sind alle proprietär austenitischrostfreie Stähle mit ~ 5% Silizium, was dieKorrosionsbeständigkeit in heißer starker Säure. Saramet kommt in zwei TeileVarianten mit leicht unterschiedlichen Zusammensetzungen. ZeCor ist schlankerChrom und Nickel als die beiden anderen proprietären Legierungen aber esenthält mehr Silizium, ein Element, von dem bekannt ist, dass es Korrosion fördertBeständigkeit in heißer, starker Säure.

KorrosionAbbildung 1 zeigt die Isokorrosionskurven für einige gängige Legierungenin Schwefelsäure. Es ist ersichtlich, dass die Superduplexlegierungen sind316L überlegen. ZERON 100 ist auch 2507 überlegenvermutlich auf die absichtlichen Zusätze von Wolfram undKupfer zu ZERON 100. Die Legierung 20 wird üblicherweise in Schwefelsäure verwendetSäure und von etwa 50% bis 90% Säure ist es ZERON überlegen100. In starker Säure (GG gt; 90%) zeigt ZERON 100 jedoch adeutliche Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit gegenüber 2507 undLegierung 20.

Abbildung 2 vergleicht die Isokorrosionskurven für die dreiproprietäre Legierungen, die Silizium und ZERON 100 enthalten. Es gibtdeutliche Unterschiede zwischen den Legierungen, mit dem siliciumhaltigenLegierungen mit verbesserter Korrosionsbeständigkeit in verdünnter Säure.Bei der Recherche dieses Papiers konnte der Autor keine findenveröffentlichte Daten für 310 Edelstahl über diese SäurekonzentrationAngebot. Dies liegt wahrscheinlich an den Herstellern von SäureanlagenBetrachten Sie dies als kommerziell sensible Daten. Es ist jedoch bekanntdass die Korrosionsbeständigkeit von 310 Edelstahl deutlich abnimmtwenn die Säurekonzentration unter 96% fällt.Abbildung 3 zeigt die Isokorrosionskurven für 304, 310 undSaramet 23 in sehr starker Säure1,2. Es ist zu sehen, dass es eine gibtErhöhung der Korrosionsbeständigkeit von 310 und Saramet inder Temperaturbereich 180º bis 200ºC. Es wird angenommen, dass SX undZeCor zeigen ein ähnliches Verhalten. Dies bedeutet, dass diese Legierungen könnenin den höhertemperaturigen Teilen von sauren Pflanzen verwendet werden. Es gibtKeine Daten für ZERON 100 über den gesamten Temperaturbereich vonAbbildung 3 und es ist nicht bekannt, ob Superduplex-Edelstähle auchZeigen Sie diese Funktion.

Abbildung 4 zeigt die Korrosionsrate einiger rostfreier Stähle instarke Schwefelsäure bei 110 ° C vom Herstellerveröffentlichte Daten. Es ist ersichtlich, dass die Korrosionsbeständigkeit vonIm Gegensatz dazu nimmt Saramet 23 mit zunehmender Säurekonzentration abdie anderen Legierungen. Bei Säurekonzentrationen von mehr als 100% dortist überschüssiges Schwefeltrioxid und die Mischung ist dann bekannt alsOleum. Es ist bekannt, dass dies für Legierungen wie Saramet ätzender istals zu ZERON 100 und Legierung 310.Obwohl es keine öffentlich verfügbaren Daten zu 310 Edelstahl in gibtsehr starke Säure, es gibt einen einzigen Datenpunkt. Bei einer SäureKonzentration von 99% und eine Temperatur von 110ºC, die KorrosionDie Rate von 310 betrug 0,1 mm / Jahr1. Dies zeigt den verbesserten Widerstand vonZERON 100 über 310 rostfrei bei dieser Temperatur (Abbildung 4).ZERON 100 hat auch eine ähnliche Korrosionsbeständigkeit wie ZeCor undSandvik SX in stärkerer Säure,> 97 Gew .-%.In kommerziellen Säureanlagen ist normalerweise eine geringe Menge Eisen vorhandenvorhanden (typischerweise 5 ppm) und dies kann die Korrosionsrate von beeinflusseneinige Legierungen.

Fig. 5 zeigt die Wirkung von 5 ppm Eisen auf dieKorrosionsrate von ZERON 100 bei 110 ° C. Es ist zu sehen, dass innerhalbexperimenteller Fehler, es gab keine signifikante Wirkung von Eisen aufKorrosion. Bei 200 ° C (Abbildung 6) in 98,5% iger Säure verursachte Eisen eine geringe MengeErhöhung der Korrosionsrate, aber nichts von TechnikBedeutung.

Der Effekt der GeschwindigkeitWeil rostfreie Stähle oft aktiv sind (im Gegensatz zu passiven)in heißer, konzentrierter Schwefelsäure beträgt die Korrosionsrate aFunktion der Geschwindigkeit. Es wird allgemein empfohlen, dass Legierungenwie 316 und 310 auf eine maximale Strömungsgeschwindigkeit von beschränkt sein1,5 m / s2. Geschwindigkeitstests wurden in belüftetem 95 Gew .-% Schwefelsäure durchgeführtSäure bei 70 ° C unter Verwendung rotierender zylindrischer Proben. Verwendung der Analysevon Silverman3 Der Rotationsfluss wurde als äquivalent berechnetbis 2,5 m / s in einem NPS 4-Rohr. Die Korrosionsrate von ZERON 100war für die ersten zwei oder drei Tage hoch. Danach die KorrosionRate war weniger als 0,1 mm / Jahr. Die hohe anfängliche Korrosionsratewar mit der Bildung eines dünnen schwarzen Films auf dem verbundenMetalloberfläche. Der Film scheint Korrosionsbeständigkeit zu verleihengezeigt durch die nachfolgende niedrige Metallverlustrate. Diese Ergebnisse zeigendass ZERON 100 bei höheren Temperaturen und verwendet werden kannGeschwindigkeiten als 316 l in starker Schwefelsäure. Tests in stärkerSäure zeigte noch geringere Korrosionsraten.Siliziumadditionen neigen dazu, die Geschwindigkeitsempfindlichkeit von zu entfernenrostfreie Stähle korrodieren in heißer, starker Schwefelsäure. Sandvikberichten über extrem niedrige Korrosionsraten (GG lt; 0,01 mm / Jahr) für SX in 96%Säure bei 70 ° C und 25 m / s im Legierungsdatenblatt. Sie erhielteneine ähnliche Korrosionsrate in 98,5% Säure bei 115 ° C und 10 m / s FlussGeschwindigkeit. Saramet 35 zeigte ähnlich sehr niedrige Korrosionsraten in98,5% Säure bei 120 ° C bei 9 und 25 m / s Geschwindigkeit4. Obwohl es gibtEs wurden keine Daten für ZeCor bei hohen Geschwindigkeiten veröffentlichtes ist auch den Klassen 304 und 316 überlegen.

AnwendungenDie Daten in 3 zeigen, dass die Legierung 310 für sehr gut geeignet sein kannder Wärmerückgewinnungsabschnitt vorausgesetzt, dass die Säurekonzentration istläuft mit 98% oder mehr. In einigen Betrieben jedoch Ausflüge nachniedrige Säurekonzentrationen sind üblich und dann die proprietärensiliciumhaltige Legierungen sind innerhalb ihrer Verwendungsgrenzen zuverlässiger.Alle drei siliciumhaltigen Legierungen wurden für Türme verwendet.Tanks, Rohre, Formstücke, Siebe, Trogverteiler, WärmeAustauscher und Nebelabscheider, wo die Bedingungen warenzu lästig für 3105,6. Die Legierung 310 wird immer noch häufig in starken Säuren verwendet.insbesondere dort, wo Oleum hergestellt werden kann. In Wärmetauschern,316L-Röhrchen (häufig mit Mo ≥ 2,5%) werden häufig mit Anoden verwendetSchutz, um sie passiv zu halten.Die obigen Daten zeigen deutlich die gute Korrosionsbeständigkeit vonZERON 100 in konzentrierter Schwefelsäure bei Temperaturen bis zu200 ° C. Es kann besonders effektiv bei der Hochtemperaturwärme seinRückgewinnungsabschnitt von Schwefelsäureanlagen. PCS-Phosphate in derDie USA haben 18 Monate lang eine NPS1-Spule mit ZERON 100 ausgesetztkonzentrierte Säure bei 200 ° C. Die Korrosionsrate betrug< 0,2="" mm="">PCS hat außerdem einen ZERON 100-Filter vor einer Schwefelsäure eingebautSäurepumpe bei hohen Temperaturen (~ 200 ° C). Nach 18Monate im Betrieb war der Filter in ausgezeichnetem Zustand. Das war einwesentliche Verbesserung gegenüber dem verwendeten Edelstahlfilter 310vorher.ZERON 100 wurde auch von einem der wichtigsten Schwefelsäuren verwendetKonstruktionsunternehmen für Säureanlagen für Messblenden (Abbildung 7).

Diese sindwird verwendet, um den Durchfluss in Anwendungen wie Trogverteilern zu steuern.Dies nutzt die gute Erosionskorrosionsbeständigkeit von ZERON aus100. ZERON 100 ist auch als nahtgeschweißter Wärmetauscher erhältlichSchlauch. Dies macht es ideal für Säurekühler geeignet, bei denen dieKühlwasser ist Brack- oder Meerwasser, da ZERON 100 eine hatnachgewiesene Geschichte der ausgezeichneten Beständigkeit gegen diese Umgebung7.

VerfügbarkeitDie Verwendung dieser Legierungen für neue Projekte ist im Allgemeinen kein ProblemB. eine Mühlenlaufmenge erforderlich ist. Für spätes HinzufügenBei Reparaturen, Reparaturen oder Anlagenmodifikationen handelt es sich in der Regel um kleinere Mengenerforderlich. Die proprietären siliciumhaltigen Legierungen werden von nicht gehaltenEdelstahl-Aktionäre in erheblichen Mengen für solcheAnwendungen. Die großen OEMs halten in einigen Ländern begrenzte LagerbeständeProduktformulare zur Unterstützung ihrer Kunden. Legierung 310 ist weit verbreitetals Platte erhältlich, aber nicht so leicht erhältlich wie Rohre, Formstückeund Flansche.
ZERON 100 istalso ein nützlicherLegierung für Anwendungen, bei denen eine schnelle Lieferung wichtig oder gering istMengen werden benötigt.ZERON 100 ist durch alle gängigen Lichtbogenschweißungen vollständig schweißbarTechniken und die breite Verwendung der Legierung in der Öl- und Gasindustriebedeutet, dass es viele qualifizierte Verarbeiter gibt. Legierung 310 istschweißbar, vorausgesetzt, der Kohlenstoff ist angemessen niedrig; 0,04% ist aangemessenes Maximum. Dies muss speziell als UNS spezifiziert werdenS31000 hat ein Kohlenstoffmaximum von 0,08% und einen niedrigen KohlenstoffgehaltVersion (UNS S31002) ist nicht ohne weiteres verfügbar. Das hohe SiliziumAustenitische Legierungen sind auch relativ einfach herzustellen und alle kommenmit einem Kohlenstoffgehalt von maximal 0,03%, um sicherzustellen, dass sich keine Carbide bildenbeim Schweißen.

Schlussfolgerungen
1. Legierung 310 hat eine gute Beständigkeit gegen konzentrierte Schwefelsäurebei erhöhten Temperaturen ist es aber nicht so beständig wie die SäureKonzentration nimmt von 98% ab. Die Legierung ist nicht leichterhältlich in anderer als Plattenform.
2. Die austenitischen rostfreien Stähle mit hohem Siliziumgehalt weisen eine gute Korrosion aufBeständigkeit in heißer konzentrierter Schwefelsäure und sind besserals 310 in schwächerer Säure. Das Silizium gibt diesen Legierungen gutBeständigkeit gegen Schwefelsäure bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten. Diese Legierungensind in Oleum im Vergleich zu Legierung 310 weniger beständig.
3. ZERON 100 hat eine nützliche Beständigkeit gegen heißes KonzentrierenSchwefelsäure, Zwischenprodukt der Legierung 310 und deraustenitische Legierungen mit hohem Siliziumgehalt. Seine sofortige Verfügbarkeit in einem weitenDie Produktpalette macht es für beide neuen Anlagen geeignetund Up-Grade.

Verweise
1. CM Schillmoller, Technischer Bericht Nr. 10 057 des Nickel Institute.
2. DK Louie, Handbuch zur Herstellung von Schwefelsäure, 2 ..Ausgabe 2008, herausgegeben von DKL Engineering.
3. DG Silverman, Corrosion 44, 1 (1988) 42.
4. S. Clarke, „Saramet-Legierungen - Anwendungen in der NachfrageSchwefelsäureanwendungen “, AIChE Convention, Florida, USA,Juni 2003.
5. „Saramet Austentic Stainless Steel“, Aker SolutionsVeröffentlichung, 2009.
6. S. Richardson, M. Spence und J. Horne, „Engineered ZeCorAusrüstung für den Schwefelsäureservice “, AIChE-Übereinkommen,Florida, USA, Juni 2007.
7. R. Francis und G. Byrne, „Erfahrungen mit SuperduplexEdelstahl im Meerwasser ”Stainless Steel World, Vol 16,Juni 2004, KCI, Seite 53.® Eingetragene Marken

Der Artikel aus der EDELSTAHLWELT.