인산(30-50%)을 100도에서 가열할 때 용존 철 오염이 허용 가능한 속도 이상으로 티타늄 부식을 가속화하는 이유는 무엇입니까?

인산 서비스의 티타늄 가열 장비는 모순된 동작을 나타냅니다. 100도에서 화학적으로 순수한 30-50% 인산의 티타늄 등급 2는 연간 0.05-0.10mm의 낮은 부식 속도를 가지며 이는 히터 튜브에 허용되는 한도 내에 있습니다. 그러나 인광석을 분해하여 얻은 공업용 습식법 인산(WPA)에는 불순물이 많이 포함되어 있으며, 그 중에서도 용존 철(Fe2+ 및 Fe3+)이 티타늄 내식성에 가장 치명적인 영향을 미칩니다. 0.5%의 철 오염이라도 티타늄 부식 속도를 10~50배 증가시켜 몇 년이 아닌 몇 달 안에 튜브 천공이 발생할 수 있습니다. 이 기사에서는 철로 인한 부식 가속화의 전기화학적 메커니즘을 설명하고 티타늄 히터 작동을 위한 철 함량의 안전한 한계를 결정합니다.

철을 통한 부식 가속 메커니즘
인산 내 티타늄의 부동태 피막은 주로 인산염 종이 통합된 TiO 2 로 구성됩니다. 필름은 다양한 전기화학적 전위 사이에서 안정적입니다. 주로 Fe3⁺인 용해된 철 이온은 티타늄 표면에서 Fe3⁺와 Fe2⁺ 사이를 순환하는 산화환원 셔틀입니다. 표면과 접촉하는 각 Fe3⁺ 이온은 티타늄에서 전자를 빼앗아 Fe²⁺로 환원된 다음 확산되어 용존 산소에 의해 Fe3⁺로 재산화됩니다. 이 일정한 산화환원 순환은 전자를 티타늄 금속에서 벌크 용액으로 성공적으로 전달하여 보호 수동 코팅을 우회합니다.

전기화학적 측정은 이 효과의 크기를 보여줍니다. 100도에서 순수 40% H₃PO₄에서 티타늄 등급 2의 부식 가능성은 수동 전류 밀도가 5μA/cm²인 SCE에 비해 +150~+250mV 사이에서 안정화됩니다. 0.5% Fe3+(인산철 형태)를 첨가하면 SCE에 비해 부식 전위가 +400에서 +550 mV로 증가하고 수동 전류 밀도가 50-100 µA/cm2로 증가합니다. 1.0% 철에서 전류 밀도는 200-300 µA/cm 2 이고 연간 부식 속도는 0.5-0.8 mm에 해당합니다. 철 2.0%에서는 비율이 1.5mm/년보다 높습니다.

**히터 서비스 중요 철 한도**
100도에서 인산에 2등급 티타늄을 장기간 노출시키는 테스트를 통해 철의 실질적인 한계가 발견되었습니다. 0.2% 미만의 용존 철에서 부식률은 0.10mm/년 미만이며, 벽 두께가 1.5mm인 히터 수명 10년에 충분합니다. 비율은 0.2~0.5% 철에서 0.15~0.30mm/년이며, 이는 일반적인 벽 두께를 기준으로 예상 수명을 3~5년으로 줄입니다. 0.5% 이상의 철분을 초과하는 부식률은 너무 높으며(연간 0.5mm 이상) 국부적인 구멍이 발생하여 추가적인 금속 손실이 발생합니다.

습식-인산은 일반적으로 인광석 불순물로부터 용해된 철분을 0.8-1.5% 함유합니다. WPA 증발기 및 농축기는 철 제거 전처리가 없거나 저항성이 더 높은 티타늄 합금으로 업그레이드되지 않으면 빠르게 부식되는 티타늄 히터를 사용합니다. 7등급 티타늄(Ti-0.15Pd)은 철 내성을 향상시켜 0.8% 철에서 연간 0.15mm 미만의 비율로 향상되지만 7등급 티타늄도 1.2% 철 이상에서는 실패합니다.

애플리케이션 매트릭스 및 완화 전략
인산 공급원전형적인 철 함량 권장 히터 재료 예상 부식률 서비스 수명(벽 1.65mm)
정제(열처리) 2등급 티타늄<0.05% 0.05-0.08 mm/year 15-20 years WPA, solvent-extracted Grade 2 titanium (1.65-2.0 mm) 0.2-0.4% 0.10-0.15 mm/year 8-12 years WPA, untreated (low iron rock) Grade 7 titanium (2.0 mm) 0.5-0.8% 0.12-0.20 mm/year 6-10 years WPA, untreated (high iron rock) Grade 7 + iron removal system 0.8-1.5% 0.20-0.40 mm/year 3-5 years
Superphosphoric acid (>70% P²O₅) 다양한 지르코늄 또는 탄탈륨 해당 없음 티타늄은 권장되지 않음
인산히터 사양 요약
100도에서 인산에 0.2% 이상 용해된 철 오염은 부동태 피막이 제공하는 보호 기능을 우회하는 산화환원 순환 메커니즘에 의해 티타늄의 부식을 촉진합니다. 일반적인 철 함량이 0.8~1.5%인 습식 공정 산의 경우 2등급 티타늄 히터는 2~3년 안에 고장납니다. 엔지니어는 7등급 티타늄(철 내성을 약 0.8%로 높임)을 지정하거나 히터 상류에 철 제거 단계(용매 추출, 이온 교환)를 추가하는 선택에 직면해 있습니다. 인산용 티타늄 히터를 구매할 때 항상 실제 공정 산에 노출된 부식 테스트 쿠폰을 요청하고, 철-함유 산에서 2등급의 경우 최소 벽 두께가 2.0mm, 7등급의 경우 1.65mm를 요구합니다.