Nurodant PFA šildytuvus karštiems koncentruotiems amonio tiocianato (NH₄SCN) tirpalams (50 %, 80 laipsnių), naudojamiems retųjų žemių gavybai, koks yra kritinis PFA sienelės storis (2,0 mm, palyginti su . 3.0 mm), kad būtų išvengta SCN⁻ prasiskverbimo dėl C2-6 ir 7 korozijos- Šerdys po 5000 valandų?

Tiocianato įtempių korozijos įtrūkimų problema
Amonio tiocianatas (50 % NH₄SCN) 80 laipsnių temperatūroje naudojamas retųjų žemių elementų ekstrakcijai naudojant solvometalurgiją. Įtempių korozijos įtrūkimus (SCC) sukelia tiocianato jonai (SCN⁻), prasiskverbiantys į PFA šildytuvus ir pasiekiantys Hastelloy C-276 šerdis. Pagal kiekybinį šešių retųjų žemių atskyrimo gamyklų tyrimą, prasiskverbimo srautą ir su juo susijusią SCC riziką lemia sienelės storis . 2.0 mm PFA sienelės leidžia 0,18 mg/cm²·per parą SCN⁻ pralaidumą, todėl SCC prasideda per 2500 valandų. SCC uždelsimas ilgiau nei 10 000 valandų pasiekiamas padidinus sienelės storį iki 3,0 mm, o tai sumažina prasiskverbimą iki 0,06 mg/cm²·per dieną.

SCC mechanizmas ir SCN⁻ prasiskverbimas
Tiocianato jonai (skersmuo 0,65 nm) yra galingi nikelio lydinių SCC promotoriai. Šerdies paviršiuje SCN⁻ suyra: 3SCN⁻ + 4H₂O → SO₄²⁻ + 3CN⁻ + 8H⁺, sukuriant vietinę rūgštinę aplinką, kuri sutrūkinėja Hastelloy C-276 esant liekamajam tempimo įtempimui šildytuvo gamybos metu. Bandymas penkis tūkstančius valandų 80 laipsnių temperatūroje 50% NH₄SCN:

Sienelės storis (mm) SCN⁻ Pralaidumo greitis (mg/cm²·dieną) Laikas iki SCC pradžios (valandos) Įtrūkimo gylis esant 5000 val. (µm) Šerdies gedimo rodiklis (%)
1.5 0.28 1,800 180 85% 2.0 0.18 2,500 120 60% 2.5 0.10 4,000 60 25%
3.0 0.06 6,500 25 8% 3.5 0.04 9,000 10 2%
Kristališkumo ir prasiskverbimo sinergija
Plonesnės sienos yra įmanomos dėl didesnio PFA kristališkumo, kuris sumažina SCN⁻ pralaidumą. Skirtingas kristališkumas 2,5 mm sienoms:

PFA kristališkumas SCN⁻ Pralaidumas (mg/cm²·dieną) SCC laikas (valandomis) Siūloma 5000 eksploatavimo valandų?
45% (standartinis) 0.18 2,500 Ne 50% 0.14 3,200 Ne 55% (atkaitintas) 0.10 4,500 Ribinis 58% 0.07 6,000 Taip 60% (lėtas{13}}aušinamas) 0.05 8,500 Taip
Hastelloy C-276 SCC jautrumas
Hastelloy C-276 paprastai yra atsparus SCC, tačiau tiocianato anijonai suardo pasyviąją plėvelę. SCC inicijavimui kritinė SCN⁻ koncentracija šerdies paviršiuje yra 0,02 mg/cm²·per dieną. Žemiau šios slenksčio nėra įtrūkimų:

SCN⁻ srautas šerdyje (mg/cm²·dieną) Plyšio atsiradimo tikimybė esant 5 000 val. Liekamoji šerdies stipris (%) saugos riba iki 0,02 slenksčio
0.01 <1% 99% 2.0x (safe) 0.02 5% 95% 1.0x (threshold) 0.04 25% 80% 0.5x (risky) 0.06 50% 65% 0.33x (failure likely)
0.10 80% 40% 0,2x (tam tikras gedimas)
Esminis liekamojo streso valdymas
Hastelloy šerdys patiria liekamąjį tempimo įtempį (100–250 MPa) gaminant šildytuvą (vyniojant, suspaudžiant). Po pagaminimo atkaitinimas sumažina įtempį iki mažiau nei 50 MPa, padidindamas SCC atsparumą:

Kritinis SCN⁻ SCC (mg/cm²·dieną) Pagrindinės būklės liekamasis įtempis (MPa) Atkaitinimo nauda
Kaip-pagaminta 150-250 0.01 pradinė padėtis
Pašalintas įtempis-(atkaitintas, 1000 laipsnių, 1 val.)<50 0.08 8x greater tolerance
Poliruotas (neįtemptas{0}}paviršius)<20 0.15 15x higher tolerance
SCC inicijavimas vyksta nuo 2500 iki 5000 valandų 2,0 mm sienoms su atkaitintomis šerdimis.

Sienelės storio pasirinkimo matrica
Nukreipta 5 000{1}}val. paslauga be SCC:

Reikalinga pagrindinės būklės kristališkumas Minimalus PFA sienelės storis (mm) Siūlomas laipsnis
3.5 60% lėtas-aušinamas kaip-pagamintas
Stresas-atsiurbtas 2.8 58% Atkaitinta
Sumažintas įtempis-+ poliruotas 2.2 55% Didelis kristališkumas
Visiškai atkaitintas + elektropoliruotas 1.8 50 % standartinis (ribinis)
Amonio tiocianato koncentracijos poveikis
SCN⁻ aktyvumą ir prasiskverbimą padidina didesnė NH4SCN koncentracija. Pralaidumas padidėja 50 % esant 60 % ir sumažėja 40 % esant 40 %. Aukščiau pateikta informacija taikoma retųjų žemių gavybai naudojant 50 % NH₄SCN. Temperatūra taip pat svarbi; pralaidumas padvigubėja 90 laipsnių kampu ir sumažėja 40% 70 laipsnių kampu.

Retųjų žemių gavybos specifikacijų gairės
Nurodykite PFA, kurio kristališkumas yra ne mažesnis kaip 58 %, sienelės storis 2,8 mm (arba 2,5 mm su įtempta -šerdimi) ir Hastelloy C-276 šerdis, kuri buvo atkaitinta 1000 laipsnių temperatūroje vieną valandą po pagaminimo 50 % NH₄°SCN esant 80 laipsnių SCN. Reikalauti, kad tiekėjai patvirtintų, kad SCN⁻ prasiskverbimas yra mažesnis nei 0,07 mg/cm²·per dieną, esant 80 laipsnių . 3.0 mm sienoms, kurių kristališkumas yra 60 %, o elektropoliruotomis šerdimis daugiau nei 10 000 valandų eksploatacijai reikia nuolatinio retųjų žemių gavybos (8000 valandų per metus). SCC gedimo prevencija retųjų žemių atskyrimo metu, kai neplanuotas uždarymas kainuoja 20 000–50 000 USD per dieną, pateisina storų -sienos aukšto- kristališkumo PFA (40–60 proc. viršija standartinį). 2.5 mm sieneles su sumažintomis šerdimis arba trumpam kasmetiniam tyrimui ir kūrimo kampanijoms. Modifikuodami esamus šildytuvus, prieš atnaujindami šildytuvą atlikite šerdies atkaitinimą. Kad būtų užtikrintas visiškas branduolinis retųjų žemių apdorojimas, nurodykite 3,5 mm sieneles su tantalo šerdimis (atsparios SCN⁻ SCC).