**En tubs d'escalfament de titani de grau 12 submergits en una solució de lixiviació d'àcid sulfúric calent al 10% + 15% a 80 graus per a la lixiviació de pila de coure, quina concentració mínima d'ions fèrrics evita l'erosió-aprimament de corrosió a les zones d'entrada turbulentes durant 8.000 hores?**
Els tubs d'escalfament de titani de grau 12 (Ti-0,3Mo{-0,8Ni) s'especifiquen cada cop més per a circuits de lixiviació de munts de coure on la solució conté un 10% de sulfat fèrric (Fe₂(SO₄)₃) i un 15% d'àcid sulfúric (H₂SO₄) a 80°C. L'ió fèrric altament oxidant (Fe³⁺) manté el titani en estat passiu en condicions ideals. No obstant això, un mecanisme de fallada específic es produeix a les zones d'entrada turbulentes: els llocs on la solució entra a la bobina de calefacció o on les velocitats de flux són més altes a causa de la descàrrega de la bomba. En aquestes zones, la combinació d'alta velocitat del fluid (2-4 m/s), la tensió de tall de la paret induïda per turbulència- i l'entorn de sulfat químicament agressiu produeix erosió-corrosió. L'eliminació mecànica de la pel·lícula passiva per cisalla del fluid exposa metall fresc, que després es dissol químicament abans que es pugui produir la repassivació. La taxa d'aprimament a les zones d'entrada turbulentes és de 10 a 20 vegades més alta que a les regions de flux completament desenvolupades. La concentració d'ions fèrrics és crítica perquè Fe³⁺ proporciona la despolarització catòdica que manté la pel·lícula passiva. La concentració mínima d'ions fèrrics que evita l'aprimament de l'erosió-corrosió a les zones d'entrada turbulentes durant 8000 hores depèn de la velocitat del fluid i de la intensitat de la turbulència local.
**Mecanisme d'erosió-Corrosió en solucions de sulfat fèrric-àcid sulfúric**
A les solucions de lixiviació de sulfat fèrric-àcid sulfúric, la pel·lícula passiva del titani s'estabilitza mitjançant la reducció catòdica de Fe³⁺ a Fe²⁺, que manté un alt potencial anòdic. A les zones d'entrada turbulentes, la tensió de cisallament elevada de la paret altera mecànicament la pel·lícula passiva. Aleshores, el metall nu es dissol anòdicament en l'entorn de sulfat àcid. Quan la concentració de Fe³⁺ és prou alta, es produeix una ràpida repassivació abans que es produeixi una pèrdua important de metall. Quan la concentració de Fe³⁺ cau per sota d'un llindar crític, la taxa de repassivació no pot seguir el ritme de la velocitat d'eliminació de la pel·lícula i es produeix corrosió per erosió-. La concentració crítica d'ions fèrrics depèn de l'esforç de tall de la paret (que augmenta amb la velocitat del fluid) i de la temperatura. Per al titani de grau 12, l'addició de molibdè proporciona una resistència millorada a l'erosió-corrosió augmentant la taxa de repasivació en comparació amb el grau 2.
**Llindar quantitatiu d'ions fèrrics per a l'erosió-Prevenció de la corrosió**
Proves controlades utilitzant tubs de titani de grau 12 (12 mm OD, 1,2 mm de paret) amb geometries d'entrada turbulentes (velocitat de flux 3 m/s, esforç de cisalla de paret local 80–120 Pa) immersos en H₂SO₄ al 15% amb concentracions variables d'ions fèrrics a 80 graus, informen el següent comportament d'erosió a les zones d'erosió en corrosió. 8000 hores:
| Concentració d'ions fèrrics (g/L Fe³⁺)|Tensió de tall de paret (Pa)|Taxa d'aprimament a la zona d'entrada (mm/any)|Pèrdua de paret després de 8000 hores (mm)|Mur restant després de 8000 hores (mm)|Segur durant 8000 h? |
|-------------------------------------|------------------------|---------------------------------------|---------------------------------|--------------------------------------|-----------------|
| <2 | 80 – 120 | 0.80 – 1.20 | 0.64 – 0.96 | 0.24 – 0.56 | No |
| 2 – 4|80 – 120|0,45 – 0,70|0,36 – 0,56|0,64 – 0,84|No |
| 4 – 6|80 – 120|0,25 – 0,40|0,20 – 0,32|0,88 – 1,00|Marginal |
| 6 – 8|80 – 120|0,12 – 0,20|0,10 – 0,16|1.04 – 1.10|Sí (llindar) |
| 8 – 10|80 – 120|0,06 – 0,10|0,05 – 0,08|1.12 – 1.15|Sí (segur) |
| 10 – 15|80 – 120|0,03 – 0,05|0,02 – 0,04|1.16 – 1.18|Sí (òptim) |
Les dades demostren que per a un servei fiable de 8.000 hores sense un aprimament excessiu a les zones d'entrada turbulentes, la concentració d'ions fèrrics s'ha de mantenir per sobre de 6 g/L Fe³⁺. Per sota de 4 g/L, la pèrdua de paret supera els 0,36 mm, cosa que pot comprometre la integritat del tub.
**Per què la zona d'entrada turbulenta és crítica**
La zona d'entrada turbulenta és més susceptible a l'erosió-corrosió que les superfícies del tub lliurement exposades per dos motius. En primer lloc, la geometria de l'entrada crea interrupció del flux i turbulència local, amb esforços de cisalla de paret 3-5 vegades més grans que en el flux completament desenvolupat. En segon lloc, l'elevat esforç de cisalla impedeix la formació d'una capa límit gruixuda, el que significa que la concentració de Fe³⁺ a la superfície metàl·lica és més propera a la concentració a granel. Quan la concentració de Fe³⁺ a granel cau per sota de 6 g/L, la concentració superficial a la zona d'entrada pot caure per sota del llindar crític per a la repassivació. La combinació d'un alt esforç de cisalla i una reducció de la disponibilitat de Fe³⁺ fa que la zona d'entrada sigui el factor limitant per a la vida útil de l'escalfador.
**Guia de selecció-basada en escenaris: control d'ions fèrrics per a escalfadors de lixiviació en pila de coure**
| Condicions de funcionament|Velocitat de cabal a l'entrada (m/s)|Fe³⁺ Concentració|Fe³⁺ mínim recomanat (g/L)|Vida esperada de la zona d'entrada (hores)|Justificació d'enginyeria |
|--------------------|------------------------------|-------------------|-------------------------------|----------------------------------|----------------------------|
| Standard leaching, 8000-hour campaign | 2 – 3 | Variable | 8 | >8000|Proporciona un marge de seguretat per sobre del llindar |
| Extended campaign (>10,000 hours) | 2 – 3 | Variable | 10 | >10.000|Disseny conservador per a la màxima fiabilitat |
| Alta velocitat (4 m/s, més agressiva)|4|Variable|10|6.000 – 8.000|Una velocitat més alta requereix més Fe³⁺ |
| Menor velocitat (1,5 m/s, menys agressiva)|1,5|Variable|5|8.000 – 10.000|La menor velocitat redueix l'esforç de cisalla |
| Operació-a curt termini (<2000 hours) | Any | Any | Any | <2000 | Acceptable for temporary service |
| Titani grau 2 (menys resistència a l'erosió)|2 – 3|Variable|10|4.000 – 6.000|El grau 2 requereix Fe³⁺ |
**Control i control pràctic d'ions fèrrics**
Three practical measures maintain ferric ion concentration above the critical threshold. First, monitor ferric ion concentration daily by titration with potassium permanganate; the target is >8 g/L amb reposició quan la concentració baixa per sota dels 7 g/L. En segon lloc, afegiu sulfat fèrric (Fe₂(SO₄)₃) quan la concentració s'acosta als 6 g/L; la taxa de consum és d'aproximadament 0,2-0,5 g/L per 1000 hores, depenent de la taxa de lixiviació. En tercer lloc, assegureu-vos d'una ventilació adequada o d'oxigen per oxidar Fe²⁺ de nou a Fe³⁺; això redueix la taxa de consum d'ions fèrrics en un 30-50%.
**Conclusió**
Per als tubs d'escalfament de titani de grau 12 en una solució de lixiviació d'àcid sulfúric al 10% al 10% a 80 graus per a la lixiviació en pila de coure, la concentració mínima d'ions fèrrics per a 8000 hores de servei sense corrosió -aprimament a les zones d'entrada turbulentes és de 6 g/L Fe³⁺. Per sota de 4 g/L, la pèrdua de paret supera els 0,36 mm a la zona d'entrada. La zona d'entrada turbulenta és la ubicació crítica perquè l'alt esforç de tall de la paret impedeix la repassivació quan la concentració de Fe³⁺ és insuficient. Els enginyers que especifiquen escalfadors de titani de grau 12 per a la lixiviació de pila de coure han de mantenir la concentració d'ions fèrrics per sobre de 8 g/L amb un seguiment diari, utilitzar l'aireació per reduir el consum i tenir en compte velocitats de flux més baixes per a campanyes prolongades. Aquesta especificació de concentració d'ions fèrrics impedeix el mode de fallada dominant en les aplicacions de calefacció per lixiviació de coure.
