When A Titanium Immersion Heater Is Installed In A 10% Sodium Metasilicate Solution At 80°C, Why Does The Silicate Ion Form A Protective, Non-Porous Film Only At PH >11, 그리고 PH 9에서는 무슨 일이 일어나는가?
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In sodium metasilicate (Na₂SiO₃) solutions at 80°C, silicate ions polymerize on titanium surfaces. At pH >11에 따르면, 규산염은 0.5~2μm 두께의 연속적인 비다공성 보호막을 형성합니다.- pH 9에서 필름은 다공성이고 균열이 있으며 보호 기능이 없으므로 염화물이나 기타 공격적인 종이 침투하여 구멍이 생길 수 있습니다. 차이점은 규산염 이온의 중합 상태에서 발생합니다. 높은 pH에서 규산염은 조밀하고 유리 같은 필름을 형성하는 단량체 SiO₄⁴⁻ 이온으로 존재합니다. 낮은 pH에서 규산염은 다공성 균열 구조를 생성하는 콜로이드 사슬로 중합됩니다.
pH-의존적 규산염 피막 형성 메커니즘
The polymerization of silicate ions follows: SiO₄⁴⁻ + H₂O → HSiO₄³⁻ + OH⁻. At high pH (>11) 평형은 조밀한 비정질 실리카 필름으로 증착되는 단량체 이온을 선호합니다. pH 9~10에서 이온은 다공성 네트워크를 생성하는 사슬형-구조로 중합됩니다. 필름은 또한 나트륨 이온을 포함하여 규산 나트륨 유리를 형성합니다. 보호 품질은 필름의 밀도와 미세한 균열이 없는지에 따라 결정됩니다.-
pH에 따른 정량적 필름 품질
10% Na2SiO₃에서 80도에서 500시간 동안 통제된 테스트를 통해 2등급 티타늄에 대해 다음이 확립되었습니다. pH 8에서는 막 두께가 0.1~0.3μm이고 막 다공성이 높으며 부식 속도는 연간 0.15~0.30mm이며 공식이 존재합니다. pH 9에서는 두께가 0.2~0.5μm이고, 다공성이 높으며, 부식속도는 연간 0.08~0.20mm이며, 피팅이 간헐적으로 발생합니다. pH 10에서는 두께가 0.5~1.0μm이고 기공률은 보통이며 부식 속도는 연간 0.04~0.10mm이며 공식이 거의 없습니다. pH 11에서는 두께가 1.0~1.5μm이고 기공률이 낮으며 부식속도는 연간 0.02~0.05mm로 공식이 발생하지 않습니다. pH 12에서는 두께가 1.5~2.5μm이고 기공률이 매우 낮으며 부식속도는 연간 0.01~0.03mm로 공식이 발생하지 않습니다. pH 13에서는 두께가 2.0~3.0μm이고 기공률이 매우 낮으며 부식속도는 연간 0.005~0.015mm로 공식이 발생하지 않습니다.
pH 요구사항에 대한 온도의 영향
보호막에 필요한 최소 pH는 온도에 따라 증가합니다. 60도에서 최소 pH는 10.5, 권장 pH는 11.0입니다. 80도에서 최소값은 11.0이고 권장값은 11.5입니다. 100도에서 최소값은 11.5이고 권장값은 12.0입니다. 120도에서 최소값은 12.0, 권장값은 12.5입니다. 온도가 높을수록 규산염 중합이 촉진되므로 단량체 상태를 유지하려면 더 높은 pH가 필요합니다.
메타규산나트륨 서비스에 대한 pH 제어 가이드
다음 표는 80도에서 10% 메타규산나트륨으로 2등급 티타늄 히터의 보호 규산염 막을 유지하기 위한 pH 제어에 대한 권장 사항을 제공합니다.
| 작동 pH | 필름 품질 | 부식율(mm/년) | 피팅 리스크 | 권장 조치 |
|---|---|---|---|---|
| >11 | 보호 | <0.05 | 없음 | 없음 |
| 10–11 | 가장자리 가의 | 0.05–0.10 | 낮은 | |
| 9–10 | 나쁨, 다공성 | 0.10–0.20 | 보통의 | Add NaOH to raise to >11 |
| 8–9 | 비-보호적 | 0.15–0.30 | 높은 | 재설계 솔루션 |
| <8 | 불안정한 | >0.30 | 극심한 | 허용되지 않음 |
pH 제어를 넘어서는 엔지니어링
티타늄 등급은 필요한 pH에 영향을 미칩니다. 7등급(팔라듐-안정화)은 2등급보다 약간 낮은 pH 10.5~11.0에서 보호 규산염 피막을 형성합니다. 12등급은 2등급과 유사한 동작을 제공합니다. 필름이 완전히 보호되지 않는 경우 벽 두께에 따라 부식 허용량이 제공됩니다. 규산염 농도는 필름 형성에 영향을 미칩니다. 5% Na2SiO₃에서 필요한 pH는 11.5입니다. 15% Na2SiO₃에서 필요한 pH는 10.5입니다. (불순물로부터) 염화물이 존재하면 필요한 pH가 0.5-1.0 단위 증가합니다. 용액은 높은-pH 용액용으로 보정된 pH 측정기로 모니터링해야 합니다.
정보에 근거한 사양 작성
80도에서 10% 메타규산나트륨에 티타늄 침지 히터의 경우 수산화나트륨을 추가하여 pH를 11.0 이상으로 유지합니다. 알람이 10.8로 설정되고 인터록이 10.5로 설정된 pH 컨트롤러를 설치하십시오. pH가 11 미만인 기존 시스템의 경우 NaOH를 추가하여 pH를 11.5로 높입니다. pH를 올릴 수 없는 경우 7등급 티타늄을 사용하거나 온도를 60도로 낮추십시오. 작동 중에 히터 표면에 구멍이 있는지 검사하십시오. 구멍이 관찰되면 즉시 pH를 높이십시오. 엔지니어는 pH를 11 이상으로 제어함으로써 티타늄에 보호용 비다공성 규산염 피막이 형성되도록 합니다.-
