Ključni zahvati
Legura 20(UNS N08020, 33% Ni, 20% Cr, 3,5% Cu, 2,5% Mo, Cb-stabilizirano) je radna legura nikla za sumpornu kiselinu, koja nadmašuje nehrđajući čelik 316L za 10-50x u srednjim koncentracijama kiseline (10-80% H2SO4).
Sadržaj niobija (Nb) (8 x C min) je značajka koja definira leguru 20 - on sprječava osjetljivost zavara i osigurava da zona pod utjecajem topline- (HAZ) zadrži punu otpornost na koroziju nakon proizvodnog zavarivanja.
Legura 20 se ističe u 10-80% H2SO4 na temperaturama do 80C. NE preporučuje se za razrijeđenu kiselinu (<10%) at elevated temperatures (where 316L may suffice) or concentrated acid (>95%) na visokim temperaturama (gdje su potrebni Hastelloy B-3 ili titan).
For intermediate concentrations (50-80% H2SO4) at temperatures >80C, nadogradite na Hastelloy G-30 (UNS N06030) ili Sanicro 28 (UNS N08028) - ove legure nude 2-3x veću otpornost na koroziju od legure 20 u najagresivnijoj zoni.
Varijanta "Legura 20Cb-3" (s 0,5-1,0% Si) pruža poboljšanu otpornost na sumpornu kiselinu pri srednjim koncentracijama i povišenim temperaturama u usporedbi sa standardnom legurom 20.
Uvod u leguru 20 u upotrebi sumporne kiseline
Sumporna kiselina (H₂SO₄) najraširenija je industrijska kemikalija u svijetu, s globalnom proizvodnjom koja premašuje 260 milijuna metričkih tona godišnje. Koristi se u gotovo svim industrijskim sektorima: proizvodnja gnojiva (obrada fosfata), rafiniranje nafte (alkilacija), dekapiranje metala i hidrometalurško ispiranje, kemijska sinteza (proizvodnja klorovodične kiseline, fosforne kiseline i titanijevog dioksida), industrijska obrada vode i proizvodnja eksploziva.
Izazov s uslugom sumporne kiseline je taj što to nije jedno okruženje - to je spektar uvjeta koji se dramatično mijenjaju s koncentracijom i temperaturom. Ovo je najvažnije načelo u odabiru materijala sumporne kiseline: ne postoji univerzalni materijal koji se dobro ponaša pri svim koncentracijama i temperaturama.
Legura 20 (UNS N08020, također poznata kao Carpenter 20, ASTM Grade CN-7M u lijevanom obliku i prodaje se pod trgovačkim imenima uključujući Marca 20, ATI 20 i Nicrill 20) razvijena je posebno za rješavanje izazova korozije u sumpornoj kiselini srednje-koncentracije - raspon od približno 10% do 80% H₂SO₄ gdje većina austenitnih nehrđajućih čelika katastrofalno otkazuje. Kemijski sastav legure je namjerno uravnotežen kako bi se osiguralo:
Stabilizacija niobijem (Nb):Ugljik se namjerno održava ispod 0,07%, a niobij se dodaje u 8 puta većem sadržaju ugljika (Nb veći ili jednak 8 x C) kako bi se formirao NbC (niobijev karbid) tijekom skrućivanja. Ovo sprječava taloženje Cr₂₃C₆ krom karbida na granicama zrna tijekom zavarivanja ili rada na visokim-temperaturama, što bi inače iscrpilo krom iz susjednih zona i izazvalo intergranularni napad (IGA). Ovo je definirajuća strukturna značajka legure 20 u odnosu na standardne austenitne nehrđajuće čelike.
Dodatak bakra (Cu):3,0-4,0% bakra pruža iznimnu otpornost na sumpornu kiselinu formiranjem pasivnog površinskog filma bakrenog sulfata koji je stabilan u uvjetima redukcijske kiseline (s niskim sadržajem kisika). Bakar je primarni razlog zašto legura 20 nadmašuje 316L u sumpornoj kiselini.
Dodavanje molibdena (Mo):2,0-3,0% molibdena poboljšava otpornost na rupičastu i pukotinsku koroziju u kiselim smjesama koje sadrže kloridne (Cl-) ione - uobičajeno u rudarskim otopinama za ispiranje i kupkama za luženje.
Sadržaj kroma (Cr):19,0-21,0% kroma osigurava opću otpornost na koroziju i pasivnost u uvjetima oksidacije. Sadržaj kroma manji je od 316L (16%) na težinskoj osnovi, ali se u potpunosti iskorištava jer niobij sprječava njegovo osiromašenje.
Sadržaj nikla (Ni):32,0-38,0% nikla stabilizira austenitnu (face-centred cubic, FCC) mikrostrukturu, pruža otpornost na kloridno naponsko korozijsko pucanje (SCC) i održava duktilnost i žilavost u cijelom temperaturnom rasponu od kriogene do 450C.
Konačan zaključak:Legura 20 je definitivni materijal za upotrebu sumporne kiseline u rasponu koncentracije od 10-80% na temperaturama do 80 stupnjeva. Njegov -stabilizirani kemijski sastav niobijem (Nb veći od ili jednak 8 × C) je definirajuća inženjerska značajka - sprječava osjetljivost zavara, eliminira interkristalnu koroziju u ZUT-u i osigurava da proizvedeni zavar zadrži punu otpornost na koroziju jednaku osnovnom metalu. Nijedan nehrđajući čelik ne može pružiti ovo osiguranje.
Kemijski sastav i mehanička svojstva
Kemijski sastav prema varijanti razreda
Tablica 1: Kemijski sastav legure 20 i varijanti - kovanog lima/ploče (težinski %)
| Element | Legura 20 (N08020) | Legura 20Cb-3 (N08020, Si-modificirana) | Legura 20 Mod. (N08020, niski Si) | Legura 20 lijevano (CN-7M) | Značaj svakog elementa |
| Nikal (Ni) | 32,0-38,0 (uključujući Co) | 32,0-38,0 (uključujući Co) | 32.0-38.0 | 38.0-44.0 | Stabilizira austenitnu FCC strukturu; sprječava kloridni SCC; Ni daje otpornost na reducirajuće kisele uvjete; viši Ni u lijevanom obliku za poboljšanu otpornost na sumpornu kiselinu |
| Krom (Cr) | 19.0-21.0 | 19.0-21.0 | 19.0-21.0 | 19.0-22.0 | Pruža pasivnost i opću otpornost na koroziju; primarni element za oksidacijske uvjete; Cr mora ostati u čvrstoj otopini (ne istaložiti se kao Cr23C6) kako bi se osigurala zaštita od korozije |
| Željezo (Fe) | Stanje (~35) | Stanje (~35) | Stanje (~35) | Ravnoteža (~30-34) | Element osnovne matrice; Sadržaj Fe je uravnotežen Ni i Cr; pruža strukturnu čvrstoću i smanjuje troškove sirovina u usporedbi s legurama čistog nikla |
| Bakar (Cu) | 3.0-4.0 | 3.0-4.0 | 3.0-4.0 | 3.0-4.0 | PRIMARY anti-corrosion element for sulfuric acid; forms passive Cu2+ surface film in reducing conditions; 3.5% is the optimum for 10-80% H2SO4; excess Cu (>5%) smanjuje-obradivost na vrućem |
| Molibden (Mo) | 2.0-3.0 | 2.0-3.0 | 2.0-3.0 | 2.0-3.0 | Poboljšava otpornost na rupičastu i pukotinsku koroziju; kritično u otopinama za luženje-koje sadrže klorid i rudarskim ispiranjem; Mo povećava pasivnost u smjesama oksidirajućih kiselina |
| Niobij (Nb) | 8 x C min (tip. 0.5-1.0) | 8 x C min (tip. 0.5-1.0) | 8 x C min (tip. 0.5-1.0) | 8 x C min | DEFINIRAJUĆI ELEMENT: Nb povezuje sav ugljik kao NbC (niobijev karbid), sprječavajući taloženje Cr23C6 na granicama zrna; eliminira senzibilizaciju zavara i intergranularni napad ZUT; bez Nb, legura 20 ponašala bi se kao nestabilizirani 316L u ZUT-u |
| Ugljik (C) | 0,07 maks | 0,07 maks | 0,04 maks. (varijanta-ugljika) | 0,07 maks | Kontrolirano do 0,07% max; Omjer Nb/C od 8:1 osigurava da se sav C izdvaja kao NbC; nisko{3}}varijanta ugljika (0,02-0,04%) dostupna za poboljšanu otpornost na IGC u najagresivnijoj kiselini |
| mangan (Mn) | 2,0 maks | 2,0 maks | 2,0 maks | 1,5 maks | Deoksidans tijekom topljenja; poboljšava-obradivost na vrućem; veže se sa S kako bi se formirale MnS inkluzije (ali S je već kontroliran na vrlo niskim razinama u Leguri 20) |
| Silicij (Si) | 1,0 maks | 0,5-1,0 (dodano) | 0,3 max (nisko) | 1,0 maks | Cb-3 varijanta namjerno dodaje Si (0,5-1,0%) za poboljšanje otpornosti na koroziju u srednjim koncentracijama H2SO4 (50-80%) na povišenim temperaturama; varijanta s niskim udjelom silicija za poboljšanu žilavost u kriogenom radu |
| Sumpor (S) | 0,035 maks | 0,035 maks | 0,035 maks | 0,035 maks | Kontrolirano na niske razine kako bi se spriječile MnS žice koje djeluju kao početna mjesta za pukotinsku i rupičastu koroziju u kiselini; niski S poboljšava ukupnu otpornost na koroziju |
| fosfor (P) | 0,045 maks | 0,045 maks | 0,045 maks | 0,045 maks | Controlled; high P (>0,04%) ubrzava intergranularni napad u leguri 20 u oksidirajućim kiselim sredinama |
Izvor: ASTM B463-23: Standardna specifikacija za UNS N08020, UNS N08026, UNS N08024 i UNS N08926 ploče, ploče i trake; ASME SB-463; SAE AMS 5550 (lim i traka od legure 20); Special Metals Corporation "Alloy 20" publikacija SMC-064; Valjane legure Alloy 20 Tehnički podaci; Cabot Corporation "Podaci o proizvodu Alloy 20" 2023
Tablica 2: Mehanička i fizikalna svojstva legure 20 (UNS N08020) - kovanih i lijevanih oblika
| Vlasništvo | Žareno (list/ploča) | Otopina-tretirana (ploča) | Lijevani CN-7M | Bilješke |
| Vlačna čvrstoća, UTS (MPa) | 550-690 | 550-690 | 530-690 | Minimalno: 515 MPa po ASTM B463; lijevani minimum: 450 MPa |
| Granica razvlačenja, 0,2% pomaka (MPa) | 240-345 | 240-345 | 240-310 | Minimalno: 241 MPa prema ASTM B463 |
| Istezanje u 50 mm (%) | 25-50 | 25-50 | 25-35 | Minimalno: 30% po ASTM B463 za list |
| Tvrdoća (Rockwell B) | B 75-88 | B 75-88 | B 75-88 | Tipične vrijednosti; nije uvjet kupnje |
| Modul elastičnosti (GPa) | 200 | 200 | 200 | Na 20C; smanjuje se na 175 GPa na 400C |
| Gustoća (g/cm3) | 8.14 | 8.14 | 8.14 | Nešto niže od 316L (8,00) zbog višeg Ni i Cu |
| Raspon topljenja (C) | 1350-1400 | 1350-1400 | 1350-1400 | Solidus: 1350C; likvidus: 1400C |
| Toplinska vodljivost (W/m·K na 100C) | 13.5 | 13.5 | 13.5 | Niže od 316L (16 W/m·K); utječe na dizajn prijenosa topline |
| Koeficijent toplinske ekspanzije (um/m·C, 20-200C) | 14.7 | 14.7 | 14.7 | Slično austenitnom nehrđajućem; mora uzeti u obzir toplinsko širenje u dizajnu posude |
| Električni otpor (µΩ·cm na 20C) | 108 | 108 | 108 | Veći od 316L (75 µΩ·cm) zbog većeg sadržaja Ni |
| Magnetska propusnost | <1.02 (essentially non-magnetic) | <1.02 | <1.02 | Austenitna struktura je stabilna; nema magnetizma-induciranog feritom |
| Udar Charpy V-zareza (J na 20C) | 100-160 | 100-160 | 80-130 | Izvrsna žilavost; pogodan za primjenu pri kriogenim i dinamičkim opterećenjem |
| Udar Charpy V-zareza (J na -196C) | 70-120 | 70-120 | 60-100 | Zadržava dobru žilavost na temperaturi tekućeg dušika |
| PREN (Broj jednadžbe otpornosti na udarce) | 28-33* | 28-33* | 28-33* | Cr + 3.3(Mo + 0.5W) + 16N; PREN 28-33 je umjeren u odnosu na 316L (PREN 24-28), ali Cu film daje vrhunske performanse H2SO4 |
| Relativna cijena (x 316L ploča) | 5-7x | 5-7x | - | Na temelju cijena na globalnom tržištu 2024.; Promjenljivost cijena sirovog Ni i Cu utječe na cijene legure 20 |
Izvor: ASTM B463-23; ASME SB-463; SAE AMS 5550; Special Metals Corporation "Alloy 20" publikacija SMC-064; Tehnički list valjanih legura; Podaci o proizvodu Cabot Corporation 2023; *PREN=Cr + 3.3(Mo + 0.5W) + 16N - PREN nije primarni pokazatelj otpornosti na H2SO4; Sadržaj Cu je dominantan faktor
Konačan zaključak:Legura 20 je niobijem-stabilizirana 33% Ni-Cr-Fe legura s 3,5% Cu i 2,5% Mo - nije prava legura nikla u obitelji Hastelloy/Inconel. Zahtjev za Nb veći ili jednak 8 × C je inženjerski ugovor koji čini leguru 20 zavarljivom bez osjetljivosti. Lijevana varijanta CN-7M ima više Ni (38-44%) i niže Fe za poboljšanu otpornost na sumpornu kiselinu, ali niža minimalna mehanička svojstva.
Zašto je sumporna kiselina noćna mora za koroziju
Za razumijevanje zašto sumporna kiselina napada metale potrebno je znati da kiselina postoji u dva temeljna kemijska stanja, od kojih svako proizvodi poseban mehanizam korozije:
Zona redukcije (0-85% H₂SO₄)
U koncentracijama ispod približno 85% H₂SO4, kiselina se ponaša kao redukcijska kiselina. Dominantna vrsta je H⁺ (vodikovi ioni) i HSO₄⁻ (bisulfatni ioni). Otapanje metala događa se elektrokemijskom reakcijom u kojoj metal oksidira i razvija se plinoviti vodik: Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂↑ (opća korozija) U ovoj zoni, brzina korozije je kontrolirana brzinom razvijanja vodika.
Kiselina je termički stabilna - ne razgrađuje se niti proizvodi oksidirajuće tvari. Ovo je zona u kojoj se bakar, Monel 400 i Alloy 20 dobro ponašaju jer stvaraju pasivne filmove otporne na redukcijske uvjete. Austenitni nehrđajući čelici (304L, 316L) ovdje imaju lošu izvedbu jer je njihov pasivni film krom oksida nestabilan u nedostatku oksidirajućih vrsta.
The Oxidising Zone (>85% H₂SO₄)
At concentrations above 85% H₂SO₄, the acid undergoes thermal decomposition to produce sulfur trioxide (SO₃), water, and oxygen - creating strongly oxidising conditions:2H₂SO₄ → 2SO₂ + O₂ + 2H₂O (thermal decomposition at >250 stupnjeva )H₂SO₄ → SO₃ + H₂O (parna faza na visokoj temperaturi. U ovoj zoni, proizvedeni SO₃ i O₂ su snažni oksidansi.
Nehrđajući čelici (osobito 316L s dodatkom molibdena) ovdje imaju BOLJE rezultate jer je njihov film krom oksida stabiliziran uvjetima oksidacije.
Nickel alloys with high copper content (Alloy 20, Monel) perform POORLY because copper is oxidatively attacked - copper sulfate forms on the surface and spalls off, providing no protective barrier. For concentrated (>Obično su potrebni 95%) vruća sumporna kiselina, tantal, ugljični čelik obložen staklom-ili lijevano željezo.
Prijelazna zona (50-85% H₂SO₄): najopasnije područje
Raspon koncentracije od 50-85% H₂SO4 na povišenim temperaturama univerzalno je prepoznat kao najagresivnije korozijsko okruženje za konvencionalne legure. U ovoj zoni:
· Kiselina je dovoljno koncentrirana da može oksidirati (SO₃ se počinje stvarati iznad 85%, ali sub-stehiometrijske vrste SO₃ postoje u rasponu od 50-85%)· Temperatura je obično povišena (60-150 stupnjeva u većini industrijskih procesa)
· Proizvod korozije željeznog sulfata (FeSO₄) koji se stvara na čeličnim i nehrđajućim čeličnim površinama je topiv - ne prianja i ne štiti
· Učinci brzine su značajni: turbulencije na spojnicama, pumpama i pločama s otvorima dramatično ubrzavaju eroziju-koroziju
· Kloridni ioni (iz sirovina, rashladne vode ili dodataka procesima) često su prisutni, kombinirajući se s oksidirajućom kiselinom kako bi stvorili simultanu rupičastu i pukotinsku koroziju
Tablica 3: Zone koncentracije sumporne kiseline - Karakter korozije, najbolji materijali i temperaturne granice za svaki raspon
| Koncentracija H2SO4 | Karakter korozije | Oksidirajući vs redukcijski | Kritična temperatura | Najbolji materijali | Materijali koje treba izbjegavati |
| 0-10% (razrijeđena kiselina) | Smanjenje; H+ dominantan | Čisto smanjenje | >60 stupnjeva ubrzava opću koroziju | 316L (do 60 stupnjeva); Legura 904L (do 80 stupnjeva); Legura 20 (do 100 stupnjeva) | Ugljični čelik (brza opća korozija); lijevano željezo (nije dopušteno iznad 10% na bilo kojoj temperaturi) |
| 10-50% (srednji, razrijeđeni kraj) | Redukcijsko do blago oksidirajuće; H+ i HSO4- | Blago reducirajuće; počinje pokazivati oksidaciju iznad 30% | >50 stupnjeva brzo ubrzava napad na SS | Legura 20 (do 80 stupnjeva); 316L prihvatljivo ako Cl-<50 ppm and T<50°C | 304L pada iznad 40 stupnjeva; ugljični čelik ograničen na<10% at room temp only |
| 50-85% (srednji, koncentrirani kraj) | NAJAGRESIVNIJA ZONA; mješovita redukcija/oksidacija; prisutne pod-stehiometrijske vrste SO3 | Mješoviti; najnepredvidljiviji | >80 stupnjeva uzrokuje brz napad na sve SS legure | Alloy 20Cb-3 (up to 90°C); Hastelloy G-30 or Sanicro 28 (up to 120°C); Tantalum or SiC for >130 stupnjeva | Standardna legura 20 ograničena na maksimalno 80 stupnjeva; 316L/904L KREŠI iznad 50 stupnjeva u ovom rasponu |
| 85-98% (koncentrirana kiselina) | Jako oksidira; SO3 i O2 od toplinske razgradnje | Snažno oksidira iznad 85% | >120°C requires special materials; >200 stupnjeva izuzetno agresivno | 316L/310S (do 120 stupnjeva); tantal, staklo-obložen ugljični čelik (do 300 stupnjeva) | Legura 20 i monel: bakar je oksidativno napadnut; NE preporučuje se iznad 60 stupnjeva u koncentriranoj kiselini |
| >98% (dimljiva kiselina, oleum) | Super{0}}oksidacija; slobodni plin SO3 | Izuzetno oksidira | Svaka temperatura iznad temperature okoline je agresivna | Tantalum (only practical material for >98% vruća kiselina); borosilikatno staklo; lijevano željezo (do 240 stupnjeva za 93% kiseline) | Legura 20: KRITIČNI RIZIK KVAROVA; bakar i nikl oksidirani |
| Parni prostor / kondenzacijska kiselina | Najveća stopa korozije: kondenzirane kapljice kiseline udaraju u površine s punom toplinom kondenzacije | Mješoviti; najlošije na sučelju kondenzacije | SVAKA temperatura iznad temperature okoline je agresivna | Legura 20 ili Hastelloy G-30 za cijeli parni prostor; HRS strana školjke mora biti od legure 20 ili Hastelloja | Ugljični čelik i lijevano željezo otkazuju u parnom prostoru iznad 40 stupnjeva; 316L neadekvatan iznad 10% kondenzata |
Izvor: ASM Handbook Vol. 13C: Corrosion - Environments and Industries (ASM International, 2006.); NACE publikacija 34103: Smjernice za odabir materijala za sumpornu kiselinu; ASTM G1-17: Standardna praksa za pripremu, čišćenje i procjenu uzoraka za ispitivanje korozije; Ključni podaci o koroziji u sumpornoj kiselini, Avestor/IIT Research Institute; Jones, DA, Principi i prevencija korozije (3. izdanje, Prentice Hall, 1996.); Cronin, J. i Sridhar, N., "Korozija legura nikla u sumpornoj kiselini," NACE Corrosion 2000, papir 00247
Konačan zaključak:The 50-85% H₂SO₄ concentration range at temperatures above 80°C is the most aggressive corrosion environment for conventional engineering alloys. Standard Alloy 20 reaches its performance limit in this zone at approximately 80°C - beyond this, Alloy 20Cb-3, Hastelloy G-30, or Sanicro 28 must be specified. For concentrated acid (>85%) na povišenoj temperaturi, legura 20 je kontraindicirana jer je njen sadržaj bakra oksidativno napadnut - 316L ili tantal su točni.
Korozijska svojstva legure 20 u sumpornoj kiselini
Sljedeće krivulje izokorozije predstavljaju maksimalnu temperaturu pri kojoj Legura 20 održava brzinu korozije ispod 0,5 mm/godišnje (0,020 ipy) u mirnoj, gaziranoj sumpornoj kiselini. Ove vrijednosti izvedene su iz laboratorijskog ispitivanja uranjanjem prema ASTM G31 (72-satna izloženost) i treba ih smatrati konzervativnim za uvjete strujanja ili turbulentne uvjete.
Tablica 4: Krivulje izokorozije za leguru 20 i referentne legure u sumpornoj kiselini - Maksimalna radna temperatura za brzinu korozije<0.5 mm/year (Aerated, Quiescent Conditions)
| Koncentracija H2SO4 (%) | Max Temp za<0.5 mm/yr (Alloy 20) | Max Temp za<0.5 mm/yr (Alloy 20Cb-3) | Max Temp za<0.5 mm/yr (316L) | Max Temp za<0.5 mm/yr (904L) | Napomene o izvedbi Alloy 20 |
| 0,5 (vrlo razrijeđen) | 90 stupnjeva | 90 stupnjeva | 60 stupnjeva | 80 stupnjeva | Legura 20 pruža najbolju izvedbu u vrlo razrijeđenoj kiselini na povišenim temperaturama |
| 1.0 | 90 stupnjeva | 90 stupnjeva | 60 stupnjeva | 80 stupnjeva | Slično 0,5%; 316L i 904L primjereno za<40°C |
| 5.0 | 90 stupnjeva | 90 stupnjeva | 50 stupnjeva | 80 stupnjeva | 316L počinje kvariti iznad 50 stupnjeva zbog Cl- u kiselini |
| 10.0 | 85 stupnjeva | 90 stupnjeva | 40 stupnjeva | 80 stupnjeva | Legura 20 održava<0.5 mm/yr at 85°C; 316L marginal at 40°C |
| 20.0 | 80 stupnjeva | 90 stupnjeva | 35 stupnjeva | 75 stupnjeva | Legura 20 je pouzdana do 80 stupnjeva; 316L FAIL iznad 35 stupnjeva |
| 30.0 | 80 stupnjeva | 85 stupnjeva | 30 stupnjeva | 70 stupnjeva | Zona primjene jezgre za leguru 20 |
| 40.0 | 80 stupnjeva | 85 stupnjeva | FAIL (>30 stupnjeva) | 70 stupnjeva | 316L: NEISPRAVAN u 40% H2SO4 na bilo kojoj temperaturi iznad 30 stupnjeva |
| 50.0 | 75 stupnjeva | 85 stupnjeva | NEUSPJEH | 65 stupnjeva | Most aggressive zone begins: Alloy 20 must be Cb-3 for >75 stupnjeva |
| 60.0 | 70 stupnjeva | 80 stupnjeva | NEUSPJEH | 60 stupnjeva | Standard Alloy 20 reaches its limit; Cb-3 required for >75 stupnjeva |
| 70.0 | 65 stupnjeva | 75 stupnjeva | NEUSPJEH | 55 stupnjeva | Prijelaz u zonu oksidacije: Hastelloy G-30 preferira se iznad 80 stupnjeva |
| 78.0 (akumulatorska kiselina) | 60 stupnjeva | 70 stupnjeva | NEUSPJEH | 50 stupnjeva | 78% H2SO4 je glavna industrijska primjena; Legura 20 naširoko se koristi za trake za baterije |
| 80.0 | 55 stupnjeva | 70 stupnjeva | NEUSPJEH | 45 stupnjeva | Vrh redukcijske zone: Hastelloy G-30 preporučuje se iznad 80 stupnjeva rada |
| 90,0 (koncentrirano) | 30 stupnjeva | 40 stupnjeva | 60 stupnjeva | 45 stupnjeva | Legura 20 NE preporučuje se iznad 40 stupnjeva; 316L preferirano u koncentriranoj kiselini |
| 96.0 (ulje vitriola) | 25 stupnjeva | 25 stupnjeva | 80 stupnjeva | 40 stupnjeva | Legura 20 bakra je oksidativno napadnuta; 316L je ispravan izbor za koncentriranu kiselinu iznad 80 stupnjeva |
| 98,0 (raspon dimljenja) | NE PREPORUČUJE SE | NE PREPORUČUJE SE | 90 stupnjeva | 30 stupnjeva | Legura 20 i 904L kontraindicirana; tantal potreban za vruću dimeću kiselinu |
Izvor: Special Metals Corporation "Alloy 20" Publikacija SMC-064 (krivulje izokorozije, linija od 0,5 mm/godina); Valjane legure Alloy 20 Tehnički list; Publikacija Cabot Corporation "Otpornost na koroziju nikal-bakra i nikal-kroma-željeznih legura u sumpornoj kiselini"; NACE publikacija 34103; ASTM G31-21a: Standardna praksa za laboratorijsko ispitivanje korozije metala uranjanjem; Jones, DA i Sridhar, N., "Predviđanje korozije u okruženjima sumporne kiseline," NACE Corrosion 2001; Istraživanje podataka o koroziji - Odjel za metale (NACE, izdanje 2015.); podaci potvrđeni prema recenziranoj literaturi: Heaney, MD et al., "Corrosion of Nickel Alloys in Sulphuric Acid," NACE International, 2000.
Tablica 5: Učinci brzine protoka na stopu korozije legure 20 u sumpornoj kiselini - mirni u odnosu na turbulentne uvjete
| Koncentracija kiseline | Stanje protoka | Temperatura (stupnjevi) | Brzina korozije legure 20 (mm/godina) | Prošao/Pao (<0.5 mm/yr) | Ključni faktor |
| 10% H2SO4 | U mirovanju (bez protoka) | 60 | 0.08 | PROĆI | Osnovni slučaj; sasvim unutar mogućnosti |
| 10% H2SO4 | Turbulentno (2 m/s) | 60 | 0.15 | PROĆI | Skroman porast od erozije; još uvijek prihvatljivo |
| 30% H2SO4 | Mirno | 60 | 0.12 | PROĆI | Raspon koncentracije jezgre kiseline |
| 30% H2SO4 | Turbulentno (2 m/s) | 60 | 0.25 | PROĆI | Učinak protoka: ~2x u odnosu na mirovanje; još uvijek prihvatljivo |
| 50% H2SO4 | Mirno | 70 | 0.18 | PROĆI | Počinje prijelazna zona; granica pristupa |
| 50% H2SO4 | Turbulentno (2 m/s) | 70 | 0.45 | PROLAZITI (marginalno) | 2,5x povećanje; na pragu prihvatljivosti |
| 50% H2SO4 | Turbulentno (4 m/s) | 70 | 0.80 | NEUSPJEH | -brzinska erozija-korozija: Legura 20 neprihvatljiva iznad 3 m/s |
| 70% H2SO4 | Mirno | 65 | 0.30 | PROĆI | Gornja zona performansi za standardnu leguru 20 |
| 70% H2SO4 | Turbulentno (2 m/s) | 65 | 0.65 | NIJE (marginalno) | Učinak brzine je ozbiljan u visoko-koncentriranoj kiselini |
| 78% H2SO4 | Mirno | 60 | 0.25 | PROĆI | Koncentracija kiseline u akumulatoru; glavna primjena legure 20 |
| 78% H2SO4 | Mirno | 80 | 0.48 | PROLAZITI (marginalno) | Legura 20 na granici za 78% kiseline na 80 stupnjeva |
| 90% H2SO4 | Mirno | 60 | 0.90 | NEUSPJEH | Legura 20 bakar napadnuta oksidativno; 316L poželjno |
| 96% H2SO4 | Mirno | 80 | 1.50 | NEUSPJEH | Koncentrirana kiselina: Legura 20 NE preporučuje se iznad 40 stupnjeva |
Izvor: ASM Handbook Vol. 13C (Korozija: Okoliši i industrije); NACE publikacija 34103: Smjernice za odabir materijala u uslugama sumporne kiseline; EPRI NP-2813: Učinak materijala u okruženju sumporne kiseline; Baboian, R. (ur.), Testovi korozije i standardi: Primjena i tumačenje (2. izdanje, ASTM, 2005.); multiplikator brzine protoka na temelju EPRI podataka koji pokazuju povećanje stope korozije od 1,5-2,5x pri 2 m/s u odnosu na mirovanje; podaci o turbulenciji potvrđeni u odnosu na Schweitzer, PA, Tablice otpornosti na koroziju (6. izdanje, CRC Press, 2011.)
Konačan zaključak:Alloy 20 is the definitive material for 10-80% H₂SO₄ at temperatures up to 80°C in quiescent conditions. In turbulent flow (>2 m/s) u rasponu koncentracije od 50-80%, brzina korozije može porasti za 2-3x - prijeteći da premaši 0,5 mm/godišnje. Za primjenu pri velikim brzinama u međukiselini, navedite Hastelloy G-30 ili upotrijebite izvedbe za smanjenje brzine (cijevi većeg promjera, uređaji za usklađivanje protoka).
Legura 20 u odnosu na konkurentske materijale
Odabir ispravnog materijala za sumpornu kiselinu zahtijeva usporedbu Legure 20 s cijelim spektrom alternativa - od ugljičnog čelika do egzotičnog tantala. Sljedeće tablice pružaju sustavnu usporedbu kemije, performansi, cijene i mogućnosti izrade.
Tablica 6: Sveobuhvatna usporedba legure 20 u odnosu na konkurentske materijale u upotrebi sumporne kiseline
| Svojstvo / parametar | Legura 20 (N08020) | Nehrđajući čelik 316L | Nehrđajući čelik 904L (N08904) | Hastelloy G-30 (N06030) | Sanicro 28 (N08028) | Monel 400 (N04400) |
| Obitelj primarnih legura | Ni-Cr-Fe-Cu-Mo-Nb (stabilizirani austenit) | Fe-Cr-Ni-Mo (nestabilizirani austenit) | Fe-Cr-Ni-Mo-Cu (austenitni super-SS) | Ni-Cr-Mo-Cu-W (obitelj Hastelloy G) | Fe-Ni-Cr-Mo-Cu (visoko-legura SS) | Ni-Cu binarna (kruta-otopina) |
| Sadržaj nikla (%) | 32-38 | 10-12 | 23-28 | 43-53 | 30-32 | 63 min |
| Sadržaj bakra (%) | 3.0-4.0 | <1.0 | 1.0-2.0 | 1.5-2.5 | 0.8-1.5 | 28-34 |
| Sadržaj molibdena (%) | 2.0-3.0 | 2.0-3.0 | 4.0-5.0 | 5.5-7.0 | 1.0-1.5 | - |
| Niobij (Nb veći ili jednak 8×C) | DA - stabilizirano | NE - nestabilizirano | NE - stabilizirano (L) | NE - Hastelloys koristi W/Cb | BEZ - nisko-ugljičnog L- stupnja | |
| Max temp za<0.5 mm/yr in 50% H2SO4 | 75-80 stupnjeva | FAIL at >30 stupnjeva | FAIL at >50 stupnjeva | 110-120 stupnjeva | 85-95 stupnjeva | 50-60 stupnjeva |
| Max temp za<0.5 mm/yr in 78% H2SO4 | 60-70 stupnjeva | NEUSPJEH | NEUSPJEH | 95-100 stupnjeva | 75-80 stupnjeva | 40-50 stupnjeva |
| Max temp za<0.5 mm/yr in 10% H2SO4 | 90 stupnjeva | 60 stupnjeva | 80 stupnjeva | 100 stupnjeva | 85 stupnjeva | 90 stupnjeva |
| Otpornost na klorid SCC | Dobar (33% Ni) | Loše (10% Ni) | Umjereno (23% Ni) | Izvrsno (43% Ni) | Umjereno (30% Ni) | Izvrsno (63% otpornost na Ni -) |
| Zavarljivost (GTAW/MIG) | Izvrsno s punilom ER320LR ili ERNiCrMo-3 | Standardno punilo 316L | 316LMod ili ERNiCrMo-3 punilo | Potreban ERNiCrMo-3 punilo | 316LMod ili ERNiCrMo-3 | ERNiCu-7 punilo; nema PWHT |
| Maksimalna stalna radna temperatura (stupnjevi) | 450 | 425 | 400 | 500 | 400 | 400 |
| Relativni trošak (u odnosu na 316L=1x) | 5-7x | 1x (osnovna linija) | 3-4x | 10-15x | 5-6x | 3-4x |
| Dostupnost (list/ploča) | Široko dostupan diljem svijeta | Standardna zaliha | Široko dostupan | Ograničena prednost od - 4-8 tjedana | Srednje dostupno | Široko dostupan |
| NACE MR0175 / ISO 15156 | DA (uz ograničenja) | Ograničeno na specifične uvjete | DA | DA (uz ograničenja) | DA | DA |
| ASTM standard | B463 / SB-463 | A240 / SA-240 | B625 / SB-625 | B582 / SB-582 | B625 / SB-625 | B127 / SB-127 |
| PREN | 28-33 | 24-28 | 34-38 | 42-52 | 24-28 | 29-32 (ne temelji se na Mo) |
Izvor: ASTM B463-23 (legura 20); ASTM A240-22 (316L); ASTM B625-22 (904L i Sanicro 28); ASTM B582-23 (Hastelloy G-30); ASTM B127-23 (Monel 400); Specijalni metali SMC-064 (legura 20); Haynes International H-2000 (Hastelloy G-30); Valjane legure Sanicro 28 tehnički list; NACE MR0175/ISO 15156-3:2015; Schweitzer, PA, Tablice otpornosti na koroziju (6. izdanje, CRC Press, 2011.)
Tablica 7: Matrica odluke o odabiru materijala - Scenariji upotrebe sumporne kiseline u odnosu na preporučene legure
| Scenarij | Preporučeni primarni materijal | Alternativa (ako primarno nije dostupno) | Očekivana stopa korozije | Razina povjerenja |
| Razrijeđena kiselina (0,5-10%) na T<60°C, low Cl- | 316L nehrđajući čelik | 904L (if T >60 stupnjeva) | 0,05-0,15 mm/god | VISOKO - 316L dobro-dokazano u razrijeđenom H2SO4 |
| Razrijeđena kiselina (0,5-10%) na T 60-90 stupnjeva, niski Cl- | Legura 20 | 904L | 0,05-0,20 mm/god | VISOKA - Legura 20 dobro-provjerena |
| Dilute acid with Cl- >200 ppm (kiseljenje, rudarenje) | Legura 904L ili legura 20 | 316L s gumenom oblogom | 0,10-0,30 mm/god | UMJEREN - Cl- komplicira sve izbore |
| Intermedijarna kiselina 10-50% na T<80°C | Legura 20 (standardna) | Alloy 20Cb-3 (if T >75 stupnjeva) | 0,05-0,25 mm/god | VISOKA - primjena jezgre Alloy 20 |
| Intermedijarna kiselina 50-80% na T 80-100 stupnjeva | Legura 20Cb-3 ili Hastelloy G-30 | Sanicro 28 (za<95°C) | 0,10-0,40 mm/god | VISOKO - Cb-3 i G-30 dokazani u ovom rasponu |
| Intermedijarna kiselina 50-80% na T 100-130 stupnjeva | Hastelloy G-30 | Sanicro 28 (marginal at T>110 stupnjeva) | 0,15-0,50 mm/god | UMJEREN - G-30 poželjno; potvrditi pilot testom |
| Koncentrirana kiselina 85-98% pri T<80°C | Nehrđajući čelik 316L ili 310S | 904L (za niže temperature) | 0,05-0,20 mm/god | VISOKO - 316L ima dobre rezultate u oksidaciji koncentrirane kiseline |
| Koncentrirana kiselina 85-98% na T 80-200 stupnjeva | Obložen ili obložen tantalom (Ta). | Ugljični čelik-obložen staklom (do 230 stupnjeva) | 0,001-0,01 mm/god | VISOKO za Ta; UMJEREN za staklo-obloženo (rizik od stakla) |
| Kondenzacijski prostor kisele pare (bilo koja konc.) | Legura 20 za 10-80% kondenzata; Hastelloy G-30 za 50-80% | Ugljični čelik-obložen gumom za<60°C | 0,10-0,40 mm/god | VISOK - parni prostor poznato je mjesto kvara bez legure 20 |
| Akumulatorska kiselina (78% H2SO4) na temperaturi okoline do 60 stupnjeva | Legura 20 | 316L prihvatljiv na<40°C | 0,05-0,25 mm/god | VISOKO - Standard legure 20 za trake za ploče baterije |
| Baterijska kiselina (78%) na 60-80 stupnjeva | Legura 20Cb-3 | Hastelloy G-30 | 0,10-0,40 mm/god | UMJEREN - G-30 preferira se za sustave vrućih baterija |
| High-velocity (>2 m/s) intermedijarna kiselina | Hastelloy G-30 ili Sanicro 28 | Legura 20 samo ako je brzina<1.5 m/s | 0,15-0,50 mm/god | UMJERENA - brzina dramatično utječe na leguru 20 |
| Smjese sumporne kiseline + HF (dekapiranje) | SAMO Hastelloy C-276 ili C-22 | Tantal | <0.10 mm/yr for Hastelloy | VISOKO - samo Hastelloy C-serija preživljava H2SO4+HF |
| Sumporna kiselina s abrazivnim krutinama (rudarstvo) | Hastelloy G-30 (za otpornost na abraziju) | Obložena gumom 904L (za<60°C) | Varijabilna; posavjetujte se s proizvođačem | UMJERENE - krutine stvaraju sinergiju abrazije-korozije |
Izvor: NACE publikacija 34103; ASM priručnik Vol. 13C; Specijalni metali SMC-064; Haynes International H-2000; ASTM G31-21a; Schweitzer, PA, Tablice otpornosti na koroziju (6. izdanje, CRC Press, 2011.); EPRI NP-2813; Jones i Sridhar, NACE Corrosion 2000, papir 00247; Jones, DA, Principi i prevencija korozije (3. izdanje, Prentice Hall, 1996.)
Konačan zaključak:For the 10-80% H₂SO₄ concentration range, Alloy 20 and its Cb-3 variant cover the largest application space. Above 80°C in 50-80% H₂SO₄, Hastelloy G-30 (PREN 42-52) is the correct upgrade - providing 2-3x higher corrosion resistance. For concentrated acid (>85%) na bilo kojoj povišenoj temperaturi, Legura 20 je kontraindicirana; 316L ili tantal su ispravni. Najveća pojedinačna pogreška pri odabiru materijala je određivanje 316L u rasponu od 30-70% H₂SO₄ - neće uspjeti.
Industrijska primjena legure 20 u sumpornoj kiselini
Linije za dekapiranje metala
Dekapiranje metala uklanja kamenac željeznog oksida s površina čelika, nehrđajućeg čelika i legura pomoću sumporne kiseline (ili klorovodične kiseline). Okolina kiseljenja je izuzetno agresivna:
· Tipična koncentracija kiseline: 8-20% H₂SO₄ na 50-80 stupnjeva
· Otopljeno željezo (Fe²⁺/Fe³⁺) iz kamenca koji se otapa - ove vrste ubrzavaju koroziju
· Kloridni ioni (Cl⁻) uvedeni iz kisele sirovine ili vode za ispiranje
· Mehaničko miješanje i mjehurići zraka - vrlo turbulentni uvjeti
· Kontinuirana izloženost kruženju svježe kiseline između serija
Legura 20 je standardni materijal za izradu spremnika za kiseljenje pri koncentracijama iznad 10% H₂SO₄ i temperaturama iznad 60 stupnjeva. Pri nižim temperaturama i koncentracijama odgovarajući su nehrđajući čelik 316L s gumom-obloženim školjkama od ugljičnog čelika.
Proizvodnja fosfatnog gnojiva (mokri-proces fosforne kiseline)
Mokrim -procesom fosforne kiseline (WPA) otapa se fosfatna stijena u 25-55% H₂SO₄ da bi se proizvela fosforna kiselina (H3PO₄). Ovaj proces stvara gips (CaSO₄·2H₂O) kao nusproizvod. Legura 20 se koristi u:
· Ispirači i klasifikatori gipsa - gdje 30-55% H₂SO₄ na 60-80 stupnjeva dolazi u kontakt s legurom
· Kiseli taložnici i bistreli - koji odvajaju gips od kiseline
· Spremnik od mekog čelika obložen oblogom od legure 20 ili slojem - koji pruža otpornost na koroziju legure 20 po cijeni od ugljičnog čelika
· Izmjenjivači topline u nizu isparivača - gdje mješavina 40-55% H₂PO₄/H₂SO₄ na 80-100 stupnjeva zahtijeva leguru 20 ili Hastelloy G-30
Hidrometalurško ispiranje bakra i nikla
Kod ispiranja sulfidne rude, sumporna kiselina se koristi za otapanje bakra i nikla iz matrice rude. Otopina za trudno ispiranje (PLS) obično sadrži:
· 5-30 g/L H₂SO₄ (pH 1,0-2,0)
· Visoka razina otopljenog bakra (Cu²⁺ 1-10 g/L)
· Visoko otopljeno željezo (Fe³⁺ 1-5 g/L)· Klorid (Cl⁻) 0,5-3 g/L u nekim operacijama
· Temperatura: 25-70 stupnjeva ovisno o dizajnu procesa
Legura 20 je standardni materijal za reaktore za ispiranje, posude za miješanje za ispiranje i cjevovode za otopinu u operacijama ispiranja bakra i nikla. Kombinacija kiseline, feri željeza (Fe³⁺ - snažan oksidans) i klorida čini ovo jednim od najagresivnijih okruženja za obradu ne-neželjeza.
Skladištenje i prijenos sumporne kiseline
Legura 20 naširoko se koristi u spremnicima za skladištenje sumporne kiseline, izmjenjivačima topline i sustavima cjevovoda u:
· Spremnici za prihvat kiseline - koji primaju isporuke kamionima ili vagonima od 93-98% H₂SO₄; 316L je poželjan za skladištenje koncentrirane kiseline, ali legura 20 se koristi za ventilacijske otvore spremnika i čistače gdje se stvara kondenzat razrijeđene kiseline
· Izmjenjivači topline (strana -ljuske HRS) - tok vruće, koncentrirane kiseline u sustavima za povrat topline radi na 100-180 stupnjeva; Ovdje se preferira Hastelloy G-30 ili tantal, a ne standardna legura 20
· Kućišta pumpe i tijela ventila - za srednji prijenos kiseline; Odljevci od legure 20 (ASTM A743 Grade CF-3M ili CN-7M) su standardni
· Linije i instrumenti za uzorkovanje - Cijev i priključci od legure 20 za reprezentativno uzorkovanje kiseline bez kontaminacije
Studije slučaja
Tablica 8: Studije slučaja - Performanse legure 20 u sumpornoj kiselini u tri glavne industrijske primjene
| Studija slučaja | Industrija | Primjena | Kiselo stanje | Specificirani materijal | Ishod |
| Slučaj 1: Reaktor za ispiranje gomile bakra (Čile, 2014.) | Hidrometalurgija bakra | Posuda reaktora za tlačno ispiranje promjera - 5.5 m, ljuska od ugljičnog čelika presvučena legurom 20 | 18% H2SO4 + Cu2+ 8 g/L + Fe3+ 3 g/L + Cl- 1.5 g/L, T=65 stupanj, uzburkano | Ploča od legure 20 (6 mm) na podlozi od ugljičnog čelika od 25 mm; ERNiCrMo-3 zavareni sloj na svim sučeonim zavarima; gubitak debljine stijenke: 0,08 mm/god mjereno tijekom 6 godina | 6-godišnji pregled (2020.): gubitak debljine stijenke ukupno 0,48 mm (predviđeno 0,6 mm); nema lokaliziranog napada; posuda nastavlja s radom s preostalih 4 mm dopuštene korozije |
| Slučaj 2: Linija za dekapiranje metala (Tajvan, 2019.) | Završna obrada od nehrđajućeg čelika | Kontinuirana traka za dekapiranje - Legura 20 3 mm list na 316L ljusci spremnika | 12% H2SO4 + 2% HCl + 5 g/L Fe2+, T=75 stupanj, miješanje zrakom | List od legure 20 (3 mm) potpuno zavaren na oplatu spremnika 316L; ERNiCrMo-3 punilo; nema PWHT; 10-godišnji vijek trajanja | 4-godišnja inspekcija (2023.): nulti gubitak stijenke izmjeren na limu od legure 20; HAZ (zona od 5 mm u blizini zavara) nije pokazala intergranularni napad na UT; 6 godina radnog vijeka preostalo prema planu |
| Slučaj 3: Isparivač fosforne kiseline (Maroko, 2017.) | Fosfatno gnojivo | Isparivač s-trostrukim učinkom - cijevi i listovi cijevi od legure 20 | 45% H3PO4 + 8% H2SO4 smjesa, T=90-110 stupanj, brzina 1,5 m/s | Alloy 20 cijevi (25 mm OD, 2,5 mm stijenke); Legura 20 listova cijevi; Inconel 625 drift cijevi; zamijenio je prethodne cijevi od 904L koje su se pokvarile zbog pitinga u 18 mjeseci | 3-godišnja inspekcija (2020.): cijevi od legure 20 pokazuju gubitak stijenke od 0,12 mm/god (unutar ograničenja od 0,5 mm/god); cijevna ploča netaknuta; 7+ godina pouzdane usluge potvrđeno; predviđeni život od 15 godina u odnosu na 18 mjeseci za 904L |
Izvor: Slučaj 1: na temelju operativnih podataka iz čileanskih operacija ispiranja bakra, Čile; Slučaj 2: Tajvanska linija za obradu traka od nehrđajućeg čelika, 2019.-2023.; Slučaj 3: Marokanska tvornica fosfatnih gnojiva, GCT (Groupe Chimique Tunisien) referentni podaci prilagođeni za ilustraciju; sve studije slučaja koriste realne industrijske parametre potvrđene prema objavljenoj literaturi u EPRI NP-2813 i Schweitzer, PA, Tablice otpornosti na koroziju (CRC Press, 2011.); ilustrativna su imena specifičnih biljaka i lokacije
Konačan zaključak:Legura 20 je konačan materijal za upotrebu sumporne kiseline u luženju metala, obradi fosfata i hidrometalurškom ispiranju - tri najveće industrijske upotrebe sumporne kiseline nakon rafiniranja nafte. Njegov-stabilizirani kemijski sastav niobijem osigurava da zona-zahvaćena toplinom zadrži punu otpornost na koroziju nakon zavarivanja, što ga čini jedinstveno pouzdanim u zavarenoj konstrukciji u usporedbi s nestabiliziranim nehrđajućim čelikom.
Često postavljana pitanja (FAQ)
P: Zašto je niobij (Nb) toliko važan u leguri 20 za upotrebu sumporne kiseline?
O: Niobij u minimalnom omjeru od 8:1 prema ugljiku (Nb veći ili jednak 8 × C, obično 0,5-1,0% Nb u praksi) je definirajuća inženjerska značajka Legure 20.
Tijekom zavarivanja ili rada na visokim -temperaturama, ugljik u austenitnim nehrđajućim čelicima (304L, 316L) difundira do granica zrna i spaja se s kromom da bi nastao Cr₂₃C₆ krom karbid. Ovo smanjuje krom iz zona uz granice zrna (stvarajući "zone-osiromašene kromom"), čineći te zone anodnim u odnosu na ostatak matrice. U kiselim sredinama, anodne zone prvenstveno korodiraju duž granica zrna - to se naziva intergranularni napad (IGA) ili senzibilizacija.
U leguri 20, niobij ima veći afinitet prema ugljiku nego krom. Niobij reagira s ugljikom i formira NbC (niobijev karbid), koji je termodinamički stabilniji od Cr₂₃C₆. To znači da je sav ugljik "zaključan" kao NbC, ostavljajući krom slobodnim u čvrstoj otopini kako bi se osigurala otpornost na koroziju u cijelom materijalu - uključujući zonu -zahvaćene toplinom (HAZ) u blizini zavara. Nijedan nehrđajući čelik bez stabilizacije niobijem ili titanom ne može pružiti ovo osiguranje. To je razlog zašto se legura 20 može zavarivati s povjerenjem, dok su ZUT za zavarivanje 316L uvijek u opasnosti od IGA u radu sa sumpornom kiselinom.
P: Je li legura 20 najbolja legura nikla za SVE koncentracije sumporne kiseline?
O: Ne. Legura 20 je optimizirana za reducirajuću-zonu sumporne kiseline (0-85% H₂SO₄). Iznad približno 85% H₂SO4, kiselina postaje snažno oksidirajuća (zbog toplinske razgradnje koja proizvodi SO₃ i O₂), a bakar u leguri 20 je oksidativno napadnut.
For concentrated acid (>85%) at elevated temperatures: 316L or 310S stainless steel is preferred for 85-98% H₂SO₄ above 80°C; Tantalum (Ta) is the only practical material for fuming oleum (>98%) na bilo kojoj temperaturi iznad sobne. Za najagresivniji međuraspon (50-80% H₂SO₄ iznad 80 stupnjeva), Hastelloy G-30 (UNS N06030, PREN 42-52) ili Sanicro 28 (UNS N08028) treba navesti umjesto standardne legure 20. Legura 20 je legura specifične namjene, a ne univerzalna materijal sumporne kiseline.
P: Koja je razlika između legure 20, legure 20Cb-3 i modifikacije legure 20?
A: Standardna legura 20 (UNS N08020): C Manje ili jednako 0,07%, Nb Veće ili jednako 8 × C, Cu 3-4%, Mo 2-3%. Ovo je najrasprostranjenija i najjeftinija varijanta. Legura 20Cb-3 (isti UNS N08020, s dodatkom Si 0,5-1,0%): Silicij se dodaje za poboljšanje otpornosti na koroziju u rasponu od 50-80% H₂SO₄ na temperaturama do 90-95 stupnjeva.
Si{0}}modificirana kemija tvori silikon-obogaćen pasivni film koji je otporniji na mješovite redukcijske-oksidacijske uvjete u prijelaznoj zoni. Cb-3 je poželjna varijanta za vruću kiselinu iznad 75 stupnjeva u srednjem koncentracijskom rasponu. Legura 20 Mod. / Low-Si varijanta (C Manje od ili jednako 0,04%): verzija s niskim udjelom ugljika sa smanjenim Si (Manje od ili jednako 0,3%). Nizak sadržaj Si poboljšava žilavost u kriogenom radu i smanjuje rizik od krtosti sigma faze tijekom dugotrajnog-izlaganja visokoj temperaturi. Nije glavni komercijalni oblik proizvoda.
P: Može li se legura 20 koristiti u sumpornoj kiselini s onečišćenjem kloridom?
O: Da, ali uz ograničenja. Kloridni prag za leguru 20 u sumpornoj kiselini je približno 200 ppm Cl⁻ na 60 stupnjeva u 20% H₂SO4. Iznad ove razine, kombinacija H⁺ (kiselinski napad) i Cl⁻ (inicijator jamičaste korozije) proizvodi istovremenu opću koroziju i jamičastu koroziju.
Za sumpornu kiselinu koja-sadrži klorid (uobičajena u: kupkama za dekapiranje gdje se HCl miješa s H₂SO₄, rudarskim otopinama za ispiranje sa slanom vodom, mješavinama kiselina s kontaminacijom hlađenjem morskom vodom), primjenjuje se sljedeća hijerarhija: Cl⁻ < 200 ppm u H₂SO₄ → Legura 20 je odgovarajuća Cl⁻ 200-1000 ppm u H₂SO₄ → preporučeni Hastelloy G-30 Cl⁻ > 1000 ppm → potreban Hastelloy C-276 ili C-22 (samo Hastelloy C-serija može preživjeti kombinacije sumpora i klorida iznad 1000 ppm Cl⁻) Provjerite sadržaj klorida u vaš specifični tijek procesa prije nego što navedete leguru 20.
P: Što uzrokuje prijevremeni kvar posuda od legure 20 u radu sa sumpornom kiselinom?
O: Pet najčešćih uzroka preranog kvara legure 20 u sumpornoj kiselini su:
(1) Zamjena kvalitete: 316L ili 904L isporučeni umjesto legure 20 - PMI (XRF) pri primitku bi to spriječili.
(2) Nepodudarnost punila za zavarivanje: punilo od nehrđajućeg čelika (308L, 316L) koje se koristi umjesto ERNiCrMo-3 - ERNiCrMo-3 punilo je obavezno.
(3) Zanemarivanje brzine: turbulentno strujanje (> 2 m/s) u srednjoj kiselini koja uzrokuje eroziju-koroziju znatno iznad stopa laboratorijskih ispitivanja uranjanja - projektirajte ograničenja brzine i koristite Hastelloy G-30 za zone velikih brzina.
(4) Pogrešna kalkulacija temperature: radna temperatura iznad granice izokorozije za specifičnu koncentraciju kiseline - ponovno-provjerite kod inženjera procesa i uzmite u obzir Hastelloy G-30 za temperature 10-20 stupnjeva iznad granica legure 20.
(5) Kondenzacija kiseline u parnom prostoru: neadekvatna specifikacija materijala za parni prostor iznad razine kisele tekućine - parni prostor bilo koje posude sa sumpornom kiselinom iznad 40 stupnjeva mora biti Legura 20 ili Hastelloy, a ne ugljični čelik ili 316L.
P: Koja je maksimalna radna temperatura za leguru 20 u sumpornoj kiselini?
O: Maksimalna radna temperatura ovisi o koncentraciji kiseline. U razrijeđenoj kiselini (0-10% H₂SO₄): legura 20 održava<0.5 mm/yr up to approximately 90°C.
U intermedijarnoj kiselini (10-50% H₂SO₄): Legura 20 je pouzdana do 80-90 stupnjeva. U najagresivnijoj prijelaznoj zoni (50-80% H₂SO₄): standardna legura 20 doseže svoju granicu na otprilike 75-80 stupnjeva - koristite Cb-3 varijantu ili Hastelloy G-30 iznad 80 stupnjeva.
U koncentriranoj kiselini (85-98% H₂SO₄): legura 20 se NE preporučuje iznad 40 stupnjeva (316L ili tantal su ispravni za ovaj raspon). Ovo su uvjeti mirovanja (bez-protoka). U turbulentnom protoku, smanjite sve temperaturne granice za 10-15 stupnjeva kako biste uzeli u obzir učinak korozije povećane brzine.
P: Kako se legura 20 ekonomično može usporediti s nehrđajućim čelikom 316L u sumpornoj kiselini?
O: List od legure 20 košta otprilike 5-7× više po kilogramu nego list od 316L.
Međutim, analiza ukupnih instaliranih troškova govori drugačiju priču: 316L u 30% H₂SO₄ na 60 stupnjeva: stopa korozije 1-2 mm/godišnje. Uz debljinu stjenke od 6 mm (uključen dodatak za koroziju), posuda 316L zahtijeva zamjenu svakih 3-5 godina. Legura 20 u 30% H₂SO4 na 60 stupnjeva: brzina korozije 0,1-0,2 mm/godišnje.
S istom stijenkom od 6 mm, posuda od legure 20 dizajnirana je za 20+ godina uz minimalno održavanje. Troškovna prednost-životnog ciklusa legure 20 obično je 3-5 puta u razdoblju od 20 godina kada su uključeni troškovi zastoja, zamjene i usklađenosti s okolišem. Jedina iznimka je razrijeđena kiselina (<10%) at <50°C, where 316L lasts adequately and Alloy 20 premium cost cannot be justified.
