Key Takeaways
Legura 20(UNS N08020, 33% Ni, 20% Cr, 3,5% Cu, 2,5% Mo, Cb-stabilizirana) je najvažnija legura nikla za rad sa sumpornom kiselinom, koja nadmašuje nerđajući čelik 316L za 10-50x u srednjim koncentracijama kiselina-H10SO40% (H10SO4%).
Sadržaj niobijuma (Nb) (8 x C min) je odlika legure 20 - koja sprečava senzibilizaciju zavara i osigurava da zona{2}}zahvaćena toplinom (HAZ) zadržava punu otpornost na koroziju nakon fabričkog zavarivanja.
Legura 20 ističe se u 10-80% H2SO4 na temperaturama do 80C. NE preporučuje se za razblaženu kiselinu (<10%) at elevated temperatures (where 316L may suffice) or concentrated acid (>95%) na visokim temperaturama (gde je potreban Hastelloy B-3 ili titanijum).
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 najagresivnijim zonama.
Varijanta "Legura 20Cb-3" (sa 0,5-1,0% Si) pruža poboljšanu otpornost na sumpornu kiselinu pri srednjim koncentracijama i povišenim temperaturama u poređenju sa standardnom legurom 20.
Uvod u leguru 20 u servisu sumporne kiseline
Sumporna kiselina (H₂SO₄) je najšire proizvedena industrijska hemikalija na svijetu, s globalnom proizvodnjom koja prelazi 260 miliona metričkih tona godišnje. Koristi se u gotovo svim industrijskim sektorima: proizvodnji đubriva (prerada fosfata), rafinaciji nafte (alkilacija), dekisanju metala i hidrometalurškom ispiranju, hemijskoj sintezi (proizvodnja hlorovodonične kiseline, fosforne kiseline i titan dioksida), prečišćavanju industrijske vode i proizvodnji eksploziva.
Izazov sa servisom sumporne kiseline je to što to nije jedno okruženje -, to je spektar uslova koji se dramatično mijenjaju s koncentracijom i temperaturom. Ovo je najvažniji princip u odabiru materijala za sumpornu kiselinu: ne postoji univerzalni materijal koji se dobro ponaša u svim koncentracijama i temperaturama.
Legura 20 (UNS N08020, također poznata kao Carpenter 20, ASTM Grade CN-7M u livenom obliku, i prodaje se pod trgovačkim imenima uključujući Marca 20, ATI 20 i Nicrill 20) je razvijena posebno za rješavanje problema korozije u srednje-koncentraciji kisele kiseline - približno 1% u rasponu od 0% sulf. H₂SO₄ gdje većina austenitnih nehrđajućih čelika katastrofalno propada. Hemija legure je namjerno izbalansirana kako bi se osiguralo:
Niobijum (Nb) stabilizacija:Ugljik se namjerno održava ispod 0,07% i niobijum se dodaje sa 8 puta većim sadržajem ugljenika (Nb veći ili jednak 8 x C) da bi se formirao NbC (niobijum karbid) tokom skrućivanja. Ovo sprečava taloženje hrom karbida Cr₂₃C₆ na granicama zrna tokom zavarivanja ili rada na visokim-temperaturama, koje bi inače iscrpile hrom iz susednih zona i izazvale intergranularni napad (IGA). Ovo je definišuća strukturna karakteristika legure 20 u odnosu na standardne austenitne nerđajuće čelike.
Dodatak bakra (Cu):3,0-4,0% bakra pruža izuzetnu otpornost na sumpornu kiselinu formiranjem pasivnog površinskog filma bakar sulfata koji je stabilan u uslovima redukcije (niskog nivoa kiseonika) kiseline. Bakar je primarni razlog zašto legura 20 nadmašuje 316L u sumpornoj kiselini.
Dodatak molibdena (Mo):2,0-3,0% molibdena poboljšava otpornost na koroziju udubljenja i pukotina u mješavinama kiselina koje sadrže kloridne (Cl-) jone – uobičajeno u rudarskim otopinama za luženje i kupkama za kiseljenje.
Sadržaj hroma (Cr):19,0-21,0% hroma obezbeđuje opštu otpornost na koroziju i pasivnost u oksidacionim uslovima. Sadržaj hroma je manji od 316L (16%) po težini, ali se u potpunosti koristi jer niobij sprečava njegovo trošenje.
Sadržaj nikla (Ni):32,0-38,0% nikla stabilizira austenitnu (kubnu u središtu lica, FCC) mikrostrukturu, pruža otpornost na pucanje hloridnim stresom (SCC) i održava duktilnost i žilavost u cijelom temperaturnom rasponu od kriogenih do 450C.
Konačan zaključak:Legura 20 je definitivan materijal za upotrebu sumporne kiseline u koncentraciji od 10-80% na temperaturama do 80 stepeni. Njegova niobijem-stabilizirana hemija (Nb veći od ili jednak 8 × C) je definišuća inženjerska karakteristika - koja sprječava senzibilizaciju zavara, eliminira intergranularnu koroziju u HAZ-u i osigurava da zavareni spoj zadržava punu otpornost na koroziju jednaku osnovnom metalu. Nijedan nerđajući čelik ne može pružiti ovu garanciju.
Hemijski sastav i mehanička svojstva
Hemijski sastav prema varijanti razreda
Tabela 1: Hemijski sastav legure 20 i varijanti - kovani lim/ploča (težinski %)
| Element | legura 20 (N08020) | Legura 20Cb-3 (N08020, Si-modificirana) | Alloy 20 Mod. (N08020, niski Si) | Alloy 20 Cast (CN-7M) | Značaj svakog elementa |
| nikl (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; sprečava hlorid SCC; Ni daje otpornost na smanjenje kiselosti; viši Ni u livenom obliku za poboljšanu otpornost na sumpornu kiselinu |
| hrom (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 oksidacione uslove; Cr mora ostati u čvrstom rastvoru (ne precipitiran kao Cr23C6) da bi obezbedio zaštitu od korozije |
| željezo (Fe) | Stanje (~35) | Stanje (~35) | Stanje (~35) | Stanje (~30-34) | Element osnovne matrice; Sadržaj Fe je uravnotežen Ni i Cr; pruža strukturnu čvrstoću i smanjuje troškove sirovina u odnosu na čiste legure 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 -vruću obradivost |
| molibden (Mo) | 2.0-3.0 | 2.0-3.0 | 2.0-3.0 | 2.0-3.0 | Poboljšava otpornost na koroziju udubljenja i pukotina; kritično u rastvorima za kiseljenje sa kloridima{0}}i rudarstvo; Mo pojačava pasivnost u oksidirajućim smjesama 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 | DEFINSKI ELEMENT: Nb vezuje sav ugljenik kao NbC (niobijum karbid), sprečavajući taloženje Cr23C6 na granicama zrna; eliminiše senzibilizaciju zavara i intergranularni napad ZTZ; bez Nb, legura 20 bi se ponašala kao nestabilizirani 316L u HAZ-u |
| ugljik (C) | 0,07 max | 0,07 max | 0,04 max (nisko-ugljična varijanta) | 0,07 max | Kontrolisano na 0,07% max; Nb/C odnos 8:1 osigurava da je sav C odvojen kao NbC; Dostupna nisko-ugljična varijanta (0,02-0,04%) za poboljšanu IGC otpornost na najagresivnije kiseline |
| mangan (Mn) | 2,0 max | 2,0 max | 2,0 max | 1,5 max | Deoksidans tokom topljenja; poboljšava obradivost-hota; veže se sa S kako bi formirao MnS inkluzije (ali S je već kontroliran na vrlo niske razine u leguri 20) |
| silicijum (Si) | 1,0 max | 0,5-1,0 (dodato) | 0,3 max (nisko) | 1,0 max | Cb-3 varijanta namerno dodaje Si (0,5-1,0%) radi poboljšanja otpornosti na koroziju u srednjim koncentracijama H2SO4 (50-80%) na povišenim temperaturama; low-Si varijanta za poboljšanu žilavost u kriogenom radu |
| sumpor (S) | 0,035 max | 0,035 max | 0,035 max | 0,035 max | Kontrolisano na niskim nivoima kako bi se spriječili MnS stringeri koji djeluju kao inicijacijska mjesta za pukotinsku i pitting koroziju u kiselini; nizak S poboljšava ukupnu otpornost na koroziju |
| fosfor (P) | 0,045 max | 0,045 max | 0,045 max | 0,045 max | Controlled; high P (>0,04%) ubrzava intergranularni napad legure 20 u oksidirajućim kiselim sredinama |
Izvor: ASTM B463-23: Standardna specifikacija za UNS N08020, UNS N08026, UNS N08024 i UNS N08926 ploče, listove i trake; ASME SB-463; SAE AMS 5550 (Legura 20 limova i traka); Korporacija specijalnih metala "Alloy 20" Publikacija SMC-064; Valjane legure Alloy 20 Tehnički podaci; Cabot Corporation "Alloy 20 Product Data" 2023
Tabela 2: Mehanička i fizička svojstva legure 20 (UNS N08020) - kovane i livene forme
| Nekretnina | žareno (lim/ploča) | Rješenje{0}}Tretirano (ploča) | Liveni CN-7M | Bilješke |
| Vlačna čvrstoća, UTS (MPa) | 550-690 | 550-690 | 530-690 | Minimum: 515 MPa po ASTM B463; liveni minimum: 450 MPa |
| Granica tečenja, 0,2% offset (MPa) | 240-345 | 240-345 | 240-310 | Minimum: 241 MPa po ASTM B463 |
| Izduženje u 50 mm (%) | 25-50 | 25-50 | 25-35 | Minimum: 30% po ASTM B463 za listove |
| Tvrdoća (Rockwell B) | B 75-88 | B 75-88 | B 75-88 | Tipične vrijednosti; nije uslov kupovine |
| Modul elastičnosti (GPa) | 200 | 200 | 200 | Na 20C; smanjuje se na 175 GPa na 400C |
| Gustina (g/cm3) | 8.14 | 8.14 | 8.14 | Nešto niži od 316L (8.00) zbog većeg Ni i Cu |
| Opseg topljenja (C) | 1350-1400 | 1350-1400 | 1350-1400 | Solidus: 1350C; likvidnost: 1400C |
| Toplotna provodljivost (W/m·K na 100C) | 13.5 | 13.5 | 13.5 | Manje od 316L (16 W/m·K); utiče na dizajn prenosa toplote |
| 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 |
| Električna otpornost (µΩ·cm na 20C) | 108 | 108 | 108 | Više od 316L (75 µΩ·cm) zbog većeg sadržaja Ni |
| Magnetna permeabilnost | <1.02 (essentially non-magnetic) | <1.02 | <1.02 | Austenitna struktura je stabilna; bez feritnog{0}}induciranog magnetizma |
| Udar Charpy V-zareza (J na 20C) | 100-160 | 100-160 | 80-130 | Odlična žilavost; pogodan za primjenu kriogenih i dinamičkih opterećenja |
| Udar Charpy V-zareza (J na -196C) | 70-120 | 70-120 | 60-100 | Zadržava dobru žilavost na temperaturi tečnog azota |
| PREN (Ekv. broj otpornosti na udubljenje) | 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 superiorne performanse H2SO4 |
| Relativna cijena (x ploča od 316L) | 5-7x | 5-7x | - | Na osnovu globalnih tržišnih cijena iz 2024. godine; Nestalnost cijena sirovog Ni i Cu utiče na cijene legure 20 |
Izvor: ASTM B463-23; ASME SB-463; SAE AMS 5550; Korporacija specijalnih metala "Alloy 20" Publikacija SMC-064; Tehnički list valjanih legura; Podaci o proizvodima Cabot Corporation 2023; *PREN=Cr + 3.3(Mo + 0.5W) + 16N - PREN nije primarni indikator za otpornost na H2SO4; Sadržaj Cu je dominantan faktor
Konačan zaključak:Legura 20 je legura niobija-stabilizovana sa 33% Ni-Cr-Fe sa 3,5% Cu i 2,5% Mo - nije prava legura nikla u porodici Hastelloy/Inconel. Zahtjev za Nb veći od ili jednak 8 × C je inženjerski ugovor koji čini leguru 20 zavarljivom bez osjetljivosti. Livena varijanta CN-7M ima više Ni (38-44%) i niže Fe za poboljšanu otpornost na sumpornu kiselinu, ali niže minimalne mehaničke osobine.
Zašto je sumporna kiselina noćna mora korozije
Razumijevanje zašto sumporna kiselina napada metale zahtijeva znanje da kiselina postoji u dva osnovna hemijska stanja, od kojih svako proizvodi poseban mehanizam korozije:
Zona redukcije (0-85% H₂SO₄)
U koncentracijama ispod približno 85% H₂SO₄, kiselina se ponaša kao redukujuća kiselina. Dominantne vrste su H⁺ (joni vodonika) i HSO₄⁻ (bisulfatni joni). Do rastvaranja metala dolazi elektrohemijskom reakcijom u kojoj se metal oksidira i razvija se gas vodonik: Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂↑ (opšta korozija) U ovoj zoni, brzina korozije je kontrolisana brzinom evolucije vodonika.
Kiselina je termički stabilna - ne razgrađuje niti proizvodi oksidirajuće vrste. Ovo je zona u kojoj bakar, Monel 400 i Alloy 20 rade dobro jer formiraju pasivne filmove otporne na uslove smanjenja. Austenitni nehrđajući čelici (304L, 316L) ovdje imaju slab učinak jer je njihov pasivni film od krom oksida nestabilan u odsustvu 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 stepeni )H₂SO₄ → SO₃ + H₂O (parna faza na visokoj temperaturi U ovoj zoni, proizvedeni SO₃ i O₂ su snažni oksidanti.
Nehrđajući čelici (posebno 316L sa dodatkom molibdena) ovdje rade BOLJE jer je njihov film od krom oksida stabiliziran oksidacijskim uvjetima.
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 liveno željezo.
Tranziciona zona (50-85% H₂SO₄): najopasnija regija
Opseg koncentracije od 50-85% H₂SO₄ na povišenim temperaturama univerzalno je priznat kao najagresivnija korozivna sredina za konvencionalne legure. U ovoj zoni:
· Kiselina je dovoljno koncentrirana da može oksidirati (SO₃ počinje da se stvara iznad 85%, ali sub-stehiometrijske vrste SO₃ postoje u rasponu od 50-85%)· Temperatura je obično povišena (60-150 stepeni u većini industrijskih procesa)
· Produkt korozije željeznog sulfata (FeSO₄) koji se stvara na površinama čelika i nehrđajućeg čelika je rastvorljiv -, ne prianja i ne štiti
· Efekti brzine su značajni: turbulencija na spojevima, pumpama i otvornim pločama dramatično ubrzava eroziju{0}}koroziju
· Ioni klorida (iz sirovina, vode za hlađenje ili dodataka u procesu) su često prisutni, u kombinaciji sa oksidirajućom kiselinom kako bi stvorili istovremenu koroziju udubljenja i pukotina
Tabela 3: Zone koncentracije sumporne kiseline - Karakter korozije, najbolji materijali i ograničenja temperature za svaki raspon
| Koncentracija H2SO4 | Karakter korozije | Oksidiranje protiv redukcije | Kritična temperatura | Najbolji materijali | Materijali koje treba izbjegavati |
| 0-10% (razrijeđena kiselina) | Reducing; H+ dominantan | Čisto smanjenje | >60 stepeni ubrzava opštu koroziju | 316L (do 60 stepeni); Legura 904L (do 80 stepeni); Legura 20 (do 100 stepeni) | Ugljični čelik (brza opća korozija); liveno gvožđe (nije dozvoljeno iznad 10% na bilo kojoj temperaturi) |
| 10-50% (srednji, razrijeđeni kraj) | Reducira do blago oksidirajuće; H+ i HSO4- | Blago smanjenje; počinje pokazivati oksidaciju iznad 30% | >50 stepeni brzo ubrzava napad na SS | Legura 20 (do 80 stepeni); 316L prihvatljivo ako Cl-<50 ppm and T<50°C | 304L ne radi iznad 40 stepeni; ugljični čelik ograničen na<10% at room temp only |
| 50-85% (srednji, koncentrirani kraj) | NAJAGRESIVIJA ZONA; miješana redukcija/oksidacija; prisutne sub-stehiometrijske vrste SO3 | Mixed; najnepredvidiviji | >80 stepeni izaziva brzi 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 stepeni | Standard Alloy 20 ograničen na 80 stepeni max; 316L/904L FAIL iznad 50 stepeni u ovom opsegu |
| 85-98% (koncentrovana kiselina) | Jako oksidirajuće; SO3 i O2 iz termičke razgradnje | Jako oksidirajuće iznad 85% | >120°C requires special materials; >200 stepeni izuzetno agresivan | 316L/310S (do 120 stepeni); tantal, ugljični čelik-obložen staklom (do 300 stepeni) | Legura 20 i monel: bakar je oksidativno napadnut; NE preporučuje se iznad 60 stepeni u koncentrovanoj kiselini |
| >98% (dimljiva kiselina, oleum) | Super{0}}oksidirajuće; slobodni SO3 gas | Izuzetno oksidirajuće | Bilo koja temperatura iznad ambijentalne je agresivna | Tantalum (only practical material for >98% vruće kiseline); borosilikatno staklo; liveno gvožđe (do 240 stepeni za 93% kiseline) | Legura 20: RIZIK KRITIČNOG OTKAZA; bakar i nikl oksidirani |
| Parni prostor / kondenzirajuća kiselina | Najveća stopa korozije: kondenzirajuće kapljice kiseline udaraju o površine s punom toplotom kondenzacije | Mixed; najgore kod sučelja kondenzacije | SVAKA temperatura iznad ambijentalne je agresivna | Legura 20 ili Hastelloy G-30 za cijeli parni prostor; HRS strana školjke mora biti legura 20 ili Hastelloy | Ugljenični čelik i liveno gvožđe ne uspevaju u parnom prostoru iznad 40 stepeni; 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 istraživački institut; 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, rad 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 kontraindikovana jer je njen sadržaj bakra oksidativno napadnut - 316L ili tantal su tačni.
Korozijska svojstva legure 20 u sumpornoj kiselini
Sljedeće krive izokorozije predstavljaju maksimalnu temperaturu na kojoj legura 20 održava stopu korozije ispod 0,5 mm/godišnje (0,020 ipy) u mirnoj, gaziranoj sumpornoj kiselini. Ove vrijednosti su izvedene iz laboratorijskog testiranja uranjanja prema ASTM G31 (izloženost od 72 sata) i treba ih smatrati konzervativnim za tekuće ili turbulentne uslove.
Tabela 4: Krive 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 for<0.5 mm/yr (Alloy 20) | Max Temp for<0.5 mm/yr (Alloy 20Cb-3) | Max Temp for<0.5 mm/yr (316L) | Max Temp for<0.5 mm/yr (904L) | Napomene o performansama Alloy 20 |
| 0,5 (veoma razrijeđen) | 90 stepeni | 90 stepeni | 60 stepeni | 80 stepeni | Legura 20 pruža najbolje performanse u veoma razblaženoj kiselini na povišenim temperaturama |
| 1.0 | 90 stepeni | 90 stepeni | 60 stepeni | 80 stepeni | Slično 0,5%; 316L i 904L adekvatni za<40°C |
| 5.0 | 90 stepeni | 90 stepeni | 50 stepeni | 80 stepeni | 316L počinje kvariti iznad 50 stepeni zbog Cl- u kiselini |
| 10.0 | 85 stepeni | 90 stepeni | 40 stepeni | 80 stepeni | Legura 20 održava<0.5 mm/yr at 85°C; 316L marginal at 40°C |
| 20.0 | 80 stepeni | 90 stepeni | 35 stepeni | 75 stepeni | Legura 20 je pouzdana do 80 stepeni; 316L FAIL iznad 35 stepeni |
| 30.0 | 80 stepeni | 85 stepeni | 30 stepeni | 70 stepeni | Osnovna zona primjene za Alloy 20 |
| 40.0 | 80 stepeni | 85 stepeni | FAIL (>30 stepeni) | 70 stepeni | 316L: KVAR u 40% H2SO4 na bilo kojoj temperaturi iznad 30 stepeni |
| 50.0 | 75 stepeni | 85 stepeni | FAIL | 65 stepeni | Most aggressive zone begins: Alloy 20 must be Cb-3 for >75 stepeni |
| 60.0 | 70 stepeni | 80 stepeni | FAIL | 60 stepeni | Standard Alloy 20 reaches its limit; Cb-3 required for >75 stepeni |
| 70.0 | 65 stepeni | 75 stepeni | FAIL | 55 stepeni | Prelaz u zonu oksidacije: Hastelloy G-30 poželjno iznad 80 stepeni |
| 78.0 (akumulatorska kiselina) | 60 stepeni | 70 stepeni | FAIL | 50 stepeni | 78% H2SO4 je glavna industrijska primjena; Legura 20 se široko koristi za trake za baterijske ploče |
| 80.0 | 55 stepeni | 70 stepeni | FAIL | 45 stepeni | Vrh redukcijske zone: Hastelloy G-30 se preporučuje iznad 80 stepeni |
| 90,0 (koncentrirano) | 30 stepeni | 40 stepeni | 60 stepeni | 45 stepeni | Legura 20 NE preporučuje se iznad 40 stepeni; 316L poželjno u koncentrovanoj kiselini |
| 96,0 (ulje vitriola) | 25 stepeni | 25 stepeni | 80 stepeni | 40 stepeni | Legura 20 bakra je oksidativno napadnuta; 316L je pravi izbor za koncentriranu kiselinu iznad 80 stepeni |
| 98,0 (domet dima) | NE PREPORUČUJE SE | NE PREPORUČUJE SE | 90 stepeni | 30 stepeni | Legura 20 i 904L je kontraindicirana; tantal potreban za vruću dimajuću kiselinu |
Izvor: Special Metals Corporation "Alloy 20" Publikacija SMC-064 (Krive izokorozije, linija 0,5 mm/godina); Valjane legure Alloy 20 Tehnički list; Publikacija Cabot Corporation "Otpornost na koroziju nikla-bakara i nikla-hroma-legura željeza u sumpornoj kiselini; NACE publikacija 34103; ASTM G31-21a: Standardna praksa za laboratorijska ispitivanja korozije metala potapanjem; Jones, DA i Sridhar, N., "Predviđanje korozije u okruženju sumporne kiseline", NACE Corrosion 2001; Istraživanje podataka o koroziji - Odsjek za metale (NACE, izdanje 2015.); podaci potvrđeni u odnosu na recenziranu literaturu: Heaney, MD et al., "Korozija legura nikla u sumpornoj kiselini", NACE International, 2000.
Tabela 5: Efekti brzine strujanja na stopu korozije legure 20 u sumpornoj kiselini - mirni vs turbulentni uslovi
| Koncentracija kiseline | Flow Condition | Temperatura (stepen) | Legura 20 Stopa korozije (mm/god.) | Položio/Pao (<0.5 mm/yr) | Ključni faktor |
| 10% H2SO4 | Mirno (bez protoka) | 60 | 0.08 | PASS | Base case; dobro u okviru mogućnosti |
| 10% H2SO4 | Turbulentno (2 m/s) | 60 | 0.15 | PASS | Skroman porast od erozije; i dalje prihvatljivo |
| 30% H2SO4 | Mirno | 60 | 0.12 | PASS | Raspon koncentracije kiseline u jezgru |
| 30% H2SO4 | Turbulentno (2 m/s) | 60 | 0.25 | PASS | Efekat protoka: ~2x u odnosu na mirovanje; i dalje prihvatljivo |
| 50% H2SO4 | Mirno | 70 | 0.18 | PASS | Počinje tranzicijska zona; granica pristupa |
| 50% H2SO4 | Turbulentno (2 m/s) | 70 | 0.45 | PASS (marginalni) | 2,5x povećanje; na pragu prihvatljivosti |
| 50% H2SO4 | Turbulentno (4 m/s) | 70 | 0.80 | FAIL | Visoka{0}}erozijska-korozija: Legura 20 neprihvatljiva iznad 3 m/s |
| 70% H2SO4 | Mirno | 65 | 0.30 | PASS | Gornja zona performansi za standardnu leguru 20 |
| 70% H2SO4 | Turbulentno (2 m/s) | 65 | 0.65 | NEUSpjeh (marginalni) | Efekat brzine je ozbiljan u -koncentraciji kiseline |
| 78% H2SO4 | Mirno | 60 | 0.25 | PASS | Koncentracija akumulatorske kiseline; glavna aplikacija Alloy 20 |
| 78% H2SO4 | Mirno | 80 | 0.48 | PASS (marginalni) | Legura 20 na granici za 78% kiseline na 80 stepeni |
| 90% H2SO4 | Mirno | 60 | 0.90 | FAIL | Legura 20 bakra napadnuta oksidativno; 316L preferirano |
| 96% H2SO4 | Mirno | 80 | 1.50 | FAIL | Koncentrovana kiselina: Legura 20 NE preporučuje se iznad 40 stepeni |
Izvor: ASM Handbook Vol. 13C (Korozija: životna sredina i industrija); NACE Publikacija 34103: Smjernice za odabir materijala u službi sumporne kiseline; EPRI NP-2813: Performanse materijala u okruženju sumporne kiseline; Baboian, R. (ur.), Testovi korozije i standardi: primjena i tumačenje (2. izdanje, ASTM, 2005); multiplikator brzine protoka zasnovan na EPRI podacima koji pokazuju 1,5-2,5x povećanje brzine korozije pri 2 m/s u odnosu na stanje mirovanja; podaci o turbulenciji potvrđeni prema Schweitzeru, PA, Tablicama 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 opsegu koncentracije od 50-80% stopa korozije se može povećati za 2-3x - prijeti da premaši 0,5 mm/godišnje. Za aplikacije velike brzine u srednjem kiselinu, specificirajte Hastelloy G-30 ili koristite dizajn smanjenja brzine (cijevi većeg promjera, ispravljači protoka).
Alloy 20 naspram konkurentskih materijala
Odabir ispravnog materijala za sumpornu kiselinu zahtijeva poređenje legure 20 sa cijelim spektrom alternativa - od ugljičnog čelika do egzotičnog tantala. Sledeće tabele pružaju sistematsko poređenje između hemije, performansi, cene i mogućnosti izrade.
Tabela 6: Sveobuhvatno poređenje legure 20 u odnosu na konkurentske materijale u servisu sumporne kiseline
| Svojstvo / Parametar | legura 20 (N08020) | 316L nerđajući čelik | Nerđajući čelik 904L (N08904) | Hastelloy G-30 (N06030) | Sanicro 28 (N08028) | Monel 400 (N04400) |
| Primarna porodica legura | Ni-Cr-Fe-Cu-Mo-Nb (stabilizovani austenit) | Fe-Cr-Ni-Mo (nestabilizovani austenit) | Fe-Cr-Ni-Mo-Cu (austenitni super-SS) | Ni-Cr-Mo-Cu-W (porodica Hastelloy G) | Fe{0}Ni{1}}Cr-Mo-Cu (visoka{4}}legura SS) | Ni-Cu binarni (čvrsto- rješenje) |
| 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 koriste W/Cb | BEZ - niske-ugljične klase L- | |
| Max temp za<0.5 mm/yr in 50% H2SO4 | 75-80 stepeni | FAIL at >30 stepeni | FAIL at >50 stepeni | 110-120 stepeni | 85-95 stepeni | 50-60 stepeni |
| Max temp za<0.5 mm/yr in 78% H2SO4 | 60-70 stepeni | FAIL | FAIL | 95-100 stepeni | 75-80 stepeni | 40-50 stepeni |
| Max temp za<0.5 mm/yr in 10% H2SO4 | 90 stepeni | 60 stepeni | 80 stepeni | 100 stepeni | 85 stepeni | 90 stepeni |
| Otpornost na hlorid SCC | Dobro (33% Ni) | Loše (10% Ni) | Umjereno (23% Ni) | Odlično (43% Ni) | Umjereno (30% Ni) | Odlično (imun na 63% Ni -) |
| Zavarljivost (GTAW/MIG) | Odlično sa ER320LR ili ERNiCrMo-3 punilom | Standardno punilo 316L | 316LMod ili ERNiCrMo-3 punilo | Potrebno je punilo ERNiCrMo-3 | 316LMod ili ERNiCrMo-3 | ERNiCu-7 punilo; no PWHT |
| Maksimalna temperatura kontinuiranog rada (stepen) | 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/tanjir) | Široko dostupan širom svijeta | Standardna zaliha | Široko dostupan | Ograničena prednost od - 4-8 sedmica | Umjereno dostupno | Široko dostupan |
| NACE MR0175 / ISO 15156 | DA (sa ograničenjima) | Ograničeno na posebne uslove | DA | DA (sa ograničenjima) | 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 (nije zasnovano 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 Data Sheet; NACE MR0175/ISO 15156-3:2015; Schweitzer, PA, Tabele otpornosti na koroziju (6. izdanje, CRC Press, 2011.)
Tabela 7: Matrica odluke o odabiru materijala - Servisni scenariji sumporne kiseline naspram preporučenih legura
| Scenario | Preporučeni primarni materijal | Alternativa (ako primarno nije dostupno) | Očekivana stopa korozije | Nivo povjerenja |
| Razrijeđena kiselina (0,5-10%) na T<60°C, low Cl- | 316L nerđajući čelik | 904L (if T >60 stepeni) | 0,05-0,15 mm/god | VISOKO - 316L dobro-dokazano u razrijeđenom H2SO4 |
| Razrijeđena kiselina (0,5-10%) na T 60-90 stepeni, niska Cl- | Legura 20 | 904L | 0,05-0,20 mm/god | HIGH - Alloy 20 dobro-provjereno |
| Dilute acid with Cl- >200 ppm (kiseljenje, rudarenje) | Legura 904L ili legura 20 | 316L sa gumenom oblogom | 0,10-0,30 mm/god | Umjereno - Cl- komplikuje sve izbore |
| Intermedijerna kiselina 10-50% na T<80°C | Legura 20 (standard) | Alloy 20Cb-3 (if T >75 stepeni) | 0,05-0,25 mm/god | HIGH - core Alloy 20 aplikacija |
| Intermedijarna kiselina 50-80% na T 80-100 stepeni | Legura 20Cb-3 ili Hastelloy G-30 | Sanicro 28 (za<95°C) | 0,10-0,40 mm/god | VISOKI - Cb-3 i G-30 dokazani u ovom opsegu |
| Intermedijarna kiselina 50-80% pri T 100-130 stepeni | Hastelloy G-30 | Sanicro 28 (marginal at T>110 stepeni) | 0,15-0,50 mm/god | Umjereno - preferira se G-30; potvrdite pilot testom |
| Koncentrovana kiselina 85-98% na T<80°C | Nerđajući čelik 316L ili 310S | 904L (za nižu temperaturu) | 0,05-0,20 mm/god | HIGH - 316L ima dobre performanse u oksidaciji koncentrovane kiseline |
| Koncentrovana kiselina 85-98% na T 80-200 stepeni | Tantal (Ta) obložen ili obložen | Stakleni{0}}ugljični čelik (do 230 stepeni) | 0,001-0,01 mm/god | HIGH za Ta; Umjereno za staklo-obložene (rizik od stakla) |
| Prostor za kondenzaciju kiselih para (bilo koji 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 - je poznato mjesto kvara bez legure 20 |
| Akumulatorska kiselina (78% H2SO4) na temperaturi okoline do 60 stepeni | Legura 20 | 316L prihvatljivo na<40°C | 0,05-0,25 mm/god | HIGH - Alloy 20 standard za trake za baterijske ploče |
| Akumulatorska kiselina (78%) na 60-80 stepeni | Legura 20Cb-3 | Hastelloy G-30 | 0,10-0,40 mm/god | Umjereno - G-30 poželjno za sisteme vrućih baterija |
| High-velocity (>2 m/s) međukiselina | 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 utiče na Alloy 20 |
| Sumporna kiselina + HF mješavine (kiseljenje) | SAMO Hastelloy C-276 ili C-22 | Tantal | <0.10 mm/yr for Hastelloy | HIGH - samo Hastelloy C-serija preživljava H2SO4+HF |
| Sumporna kiselina sa abrazivnim čvrstim materijama (rudarstvo) | Hastelloy G-30 (za otpornost na habanje) | Gumom{0}} 904L (za<60°C) | Variable; konsultujte proizvođača | Umjereno - čvrste tvari 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, Tabele otpornosti na koroziju (6. izdanje, CRC Press, 2011); EPRI NP-2813; Jones i Sridhar, NACE Corrosion 2000, rad 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 kontraindikovana; 316L ili Tantal su ispravni. Najveća greška u odabiru materijala je specificiranje 316L u rasponu od 30-70% H₂SO₄ - neće uspjeti.
Industrijska primjena legure 20 u sumpornoj kiselini
Linije za kiseljenje metala
Kiseljenje metala uklanja kamenac željeznog oksida s površina čelika, nehrđajućeg čelika i legura pomoću sumporne kiseline (ili klorovodične kiseline). Okolina za kiseljenje je izuzetno agresivna:
· Tipična koncentracija kiseline: 8-20% H₂SO₄ na 50-80 stepeni
· Otopljeno gvožđe (Fe²⁺/Fe³⁺) iz skale rastvaranja - ove vrste ubrzavaju koroziju
· Hloridni joni (Cl⁻) uvedeni iz kisele sirovine ili vode za ispiranje
· Mehanička agitacija i mjehurići zraka - veoma turbulentni uslovi
· Kontinuirano izlaganje svježoj kiselini koja kruži između serija
Legura 20 je standardni materijal za konstrukciju rezervoara za kiseljenje pri koncentracijama iznad 10% H₂SO₄ i temperaturama iznad 60 stepeni. Pri nižim temperaturama i koncentracijama, 316L nehrđajući čelik sa gumom -obloženim školjkama od ugljičnog čelika je adekvatan.
Proizvodnja fosfatnih gnojiva (mokri-proces fosforne kiseline)
Mokri-proces fosforne kiseline (WPA) rastvara fosfatnu stijenu u 25-55% H₂SO₄ kako bi se proizvela fosforna kiselina (H₃PO₄). Ovaj proces stvara gips (CaSO₄·2H₂O) kao nusproizvod. Legura 20 se koristi u:
· Podloške i klasifikatori gipsa - gdje 30-55% H₂SO₄ na 60-80 stepeni dolazi u kontakt sa legurom
· Sredstva za taloženje i bistrilo - koji odvajaju gips od kiseline
· Spremnik od mekog čelika obložen legurom 20 oblogom ili preklopom - pružajući otpornost na koroziju legure 20 po cijeni ugljičnog čelika
· Izmjenjivači topline u isparivaču - gdje mješavina 40-55% H₂PO₄/H₂SO₄ na 80-100 stepeni zahtijeva leguru 20 ili Hastelloy G-30
Hidrometalurško luženje bakra i nikla
U luženju sulfidne rude, sumporna kiselina se koristi za otapanje bakra i nikla iz rudne matrice. Pregnant leach solution (PLS) obično sadrži:
· 5-30 g/L H₂SO₄ (pH 1,0-2,0)
· Visoko rastvoreni bakar (Cu²⁺ 1-10 g/L)
· Visoko rastvoreno gvožđe (Fe³⁺ 1-5 g/L) · Hlorid (Cl⁻) 0,5-3 g/L u nekim operacijama
· Temperatura: 25-70 stepeni u zavisnosti od dizajna procesa
Legura 20 je standardni materijal za reaktore za luženje, posude s miješanim luženjem i cjevovode za otopine u operacijama gomilanog luženja bakra i nikla. Kombinacija kiseline, feri željeza (Fe³⁺ - snažan oksidator) i hlorida čini ovo jednim od najagresivnijih okruženja za obradu obojenih metala.
Skladištenje i transfer sumporne kiseline
Legura 20 se široko koristi u rezervoarima za skladištenje sumporne kiseline, izmenjivačima toplote i cevovodnim sistemima u:
· Cisterne za prijem kiseline - koje primaju kamionske ili vagonske isporuke 93-98% H₂SO₄; 316L je poželjan za skladištenje koncentrirane kiseline, ali legura 20 se koristi za ventilacijske otvore rezervoara i perače gdje se stvara kondenzat razrijeđene kiseline
· Izmjenjivači topline (HRS školjka-strana) - vrući, koncentrirani tok kiseline u sistemima za povrat topline radi na 100-180 stepeni; Ovdje se preferira Hastelloy G-30 ili tantal, a ne standardna legura 20
· Kućišta pumpi i tijela ventila - za srednji prijenos kiseline; Odlivci od legure 20 (ASTM A743 razred CF-3M ili CN-7M) su standardni
· Linije za uzorkovanje i instrumentacija - cijev i priključci od legure 20 za reprezentativno uzorkovanje kiselina bez kontaminacije
Studije slučaja
Tabela 8: Studije slučaja - Performanse legure 20 u servisu sumporne kiseline u tri glavne industrijske primjene
| Studija slučaja | Industrija | Aplikacija | Acid Condition | Material Specified | Ishod |
| Slučaj 1: Reaktor za luženje bakra (Čile, 2014.) | Hidrometalurgija bakra | Posuda reaktora za luženje pod pritiskom - 5.5 m prečnika, školjka od ugljičnog čelika od legure 20 | 18% H2SO4 + Cu2+ 8 g/L + Fe3+ 3 g/L + Cl- 1.5 g/L, T=65 stepen, uznemireno | Ploča od legure 20 (6 mm) na podlozi od ugljičnog čelika od 25 mm; ERNiCrMo-3 zavareni sloj na svim sučeonim zavarima; gubitak debljine zida: 0,08 mm/god mjereno tokom 6 godina | 6-godišnja inspekcija (2020): gubitak debljine zida ukupno 0,48 mm (predviđeno 0,6 mm); nema lokalizovanog napada; plovilo nastavlja sa radom sa preostalim 4 mm dodatka korozije |
| Slučaj 2: Linija za kiseljenje metala (Tajvan, 2019.) | Završna obrada od nerđajućeg čelika | Kontinuirani rezervoar za kiseljenje - Lim od legure 20 3 mm na omotaču rezervoara od 316L | 12% H2SO4 + 2% HCl + 5 g/L Fe2+, T=75 stepen, miješanje zraka | Legura od 20 listova (3 mm) potpuno zavarena na školjku rezervoara od 316L; ERNiCrMo-3 punilo; no PWHT; 10-godišnji životni vijek dizajna | 4-godišnja inspekcija (2023.): nulti gubitak zida izmjeren na Alloy 20 listu; HAZ (zona od 5 mm uz zavare) nije pokazala intergranularni napad na UT; 6 godina radnog vijeka preostalo po planu |
| Slučaj 3: Isparivač fosforne kiseline (Maroko, 2017.) | Fosfatno đubrivo | Trostruki{0}}isparivač - Alloy 20 cijevi i cijevni listovi | 45% H3PO4 + 8% smjese H2SO4, T=90-110 stepen, brzina 1,5 m/s | Cevi od legure 20 (25 mm OD, 2,5 mm zid); Legura 20 cijevnih listova; Inconel 625 drift cijevi; zamijenjene prethodne cijevi 904L koje su otkazale zbog udubljenja u 18 mjeseci | 3-godišnja inspekcija (2020.): cijevi od legure 20 pokazuju gubitak stijenke od 0,12 mm/god (unutar granice od 0,5 mm/god); cijev netaknuta; Potvrđeno 7+ godina pouzdanog servisa; projektovani 15-godišnji život u odnosu na 18 meseci za 904L |
Izvor: Slučaj 1: na osnovu operativnih podataka iz čileanskih operacija luženja bakra, Čile; Slučaj 2: Tajvanska linija za obradu trake od nehrđajućeg čelika, 2019-2023; Slučaj 3: Marokanska fabrika fosfatnih đubriva, GCT (Groupe Chimique Tunisien) referentni podaci prilagođeni za ilustraciju; sve studije slučaja koriste realistične industrijske parametre validirane u odnosu na objavljenu literaturu u EPRI NP-2813 i Schweitzer, PA, Tabele otpornosti na koroziju (CRC Press, 2011); specifični nazivi biljaka i lokacije su ilustrativni
Konačan zaključak:Legura 20 je definitivan materijal za upotrebu sumporne kiseline u dekisanju metala, preradi fosfata i hidrometalurškom luženju - tri najveće industrijske upotrebe sumporne kiseline nakon rafinacije nafte. Njegova niobijem-stabilizirana hemija osigurava da zona{4}}zahvaćena toplinom zadržava punu otpornost na koroziju nakon zavarivanja, što ga čini jedinstveno pouzdanim u zavarenoj konstrukciji u poređenju sa nestabiliziranim nehrđajućim čelikom.
Često postavljana pitanja (FAQ)
P: Zašto je niobijum (Nb) toliko važan u leguri 20 za upotrebu sumporne kiseline?
O: Niobijum u minimalnom omjeru od 8:1 prema ugljiku (Nb veći ili jednak 8 × C, tipično 0,5-1,0% Nb u praksi) je odlučujuća inženjerska karakteristika Legure 20.
Tokom zavarivanja ili rada na visokim-temperaturama, ugljenik u austenitnim nerđajućim čelicima (304L, 316L) difunduje do granica zrna i kombinuje se sa hromom da bi formirao Cr₂₃C₆ hrom karbid. Ovo iscrpljuje hrom iz zona u blizini granica zrna (stvarajući "zone osiromašene hromom-"), čineći ove zone anodnim u odnosu na ostatak matrice. U kiselim sredinama, anodne zone korodiraju prvenstveno duž granica zrna - to se naziva intergranularni napad (IGA) ili senzibilizacija.
U leguri 20, niobijum ima veći afinitet prema ugljeniku nego hrom. Niobijum reaguje sa ugljenikom i formira NbC (niobijum karbid), koji je termodinamički stabilniji od Cr₂₃C₆. To znači da je sav ugljik "zaključan" kao NbC, ostavljajući hrom u čvrstom rastvoru kako bi se obezbijedila otpornost na koroziju u cijelom materijalu - uključujući zonu -zahvaćenu toplinom (HAZ) u blizini zavarenih spojeva. Nijedan nehrđajući čelik bez stabilizacije niobija ili titana ne može pružiti ovu sigurnost. Zbog toga se legura 20 može zavariti s povjerenjem, dok su 316L zavarene HAZ uvijek izložene riziku od IGA u radu sa sumpornom kiselinom.
P: Da li je legura 20 najbolja legura nikla za SVE koncentracije sumporne kiseline?
O: Ne. Legura 20 je optimizovana za redukcionu-zonu sumporne kiseline (0-85% H₂SO₄). Iznad približno 85% H₂SO₄, kiselina postaje jako oksidirajuća (zbog termičke 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 ambijentalne. Za najagresivniji srednji opseg (50-80% H₂SO₄ iznad 80 stepeni), treba navesti Hastelloy G-30 (UNS N06030, PREN 42-52) ili Sanicro 28 (UNS N08028), umjesto standardne legura specifična legura-20. univerzalni materijal sumporne kiseline.
P: Koja je razlika između legure 20, legure 20Cb-3 i legure 20 mod.?
A: Standardna legura 20 (UNS N08020): C Manje od 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, sa dodatkom Si 0,5-1,0%): Silicijum se dodaje radi poboljšanja otpornosti na koroziju u opsegu od 50-80% H₂SO₄ na temperaturama do 90-95 stepeni.
Si-modificirana hemija formira pasivni film-obogaćen silicijumom koji je otporniji na mješovite redukcijske-oksidacijske uslove u prijelaznoj zoni. Cb-3 je poželjna varijanta za vruću kiselinu iznad 75 stepeni u srednjem opsegu koncentracija. Alloy 20 Mod. / Low-Si varijanta (C Manji ili jednak 0,04%): Verzija sa nižim ugljikom sa smanjenim Si (Manje od ili jednako 0,3%). Nizak Si poboljšava žilavost u kriogenom radu i smanjuje rizik od krtosti sigma faze tokom dugotrajnog-izlaganja visokim temperaturama. Nije glavni komercijalni oblik proizvoda.
P: Može li se legura 20 koristiti u sumpornoj kiselini sa kontaminacijom hloridom?
O: Da, ali uz ograničenja. Prag hlorida za leguru 20 u sumpornoj kiselini je približno 200 ppm Cl⁻ na 60 stepeni u 20% H₂SO₄. Iznad ovog nivoa, kombinacija H⁺ (napad kiseline) i Cl⁻ (inicijatora rupičastih) stvara istovremenu opštu koroziju i piting.
Za sumpornu kiselinu koja sadrži klorid- (uobičajeno u: kupkama za kiseljenje gdje je HCl pomiješan sa H₂SO₄, rudarskim otopinama za luženje sa slanom vodom, mješavinama kiselina sa kontaminacijom morske vode za hlađenje), primjenjuje se sljedeća hijerarhija: Cl⁻ < 200 ppm u H₂SO₄ Sveobuhvatna voda → Cl⁻ < 200 ppm u H₂SO₄ 200-1.000 ppm u H₂SO₄ → Hastelloy G-30 preporučeni Cl⁻ > 1.000 ppm → potreban je Hastelloy C-276 ili C-22 (samo Hastelloy C-serija preživljava sumpor + hlorid, vaše kombinacije 0 ppm hlorida su iznad 1 ppm) specifičan tok procesa prije specificiranja Alloy 20.
P: Šta uzrokuje da posude od legure 20 prerano pokvare u radu sa sumpornom kiselinom?
O: Pet najčešćih uzroka preranog kvara legure 20 u sumpornoj kiselini su:
(1) Zamjena razreda: 316L ili 904L isporučeni umjesto Alloy 20 - PMI (XRF) na prijemu bi ovo spriječila.
(2) Neusklađenost punila zavarivanja: punilo od nerđajućeg čelika (308L, 316L) koje se koristi umjesto ERNiCrMo-3 - ERNiCrMo-3 punila je obavezno.
(3) Zanemarivanje brzine: turbulentni tok (> 2 m/s) u srednjoj kiselini koja uzrokuje eroziju-koroziju znatno iznad stopa laboratorijskih testova uranjanja - dizajn za ograničenja brzine i korištenje Hastelloy G-30 za zone velikih brzina.
(4) Pogrešna kalkulacija temperature: radna temperatura iznad granice izokorozije za specifičnu koncentraciju kiseline - ponovo-provjerite sa procesnim inženjeringom i razmotrite Hastelloy G-30 za temperature 10-20 stepeni iznad granica legure 20.
(5) Kondenzirajuća kiselina u parnom prostoru: neadekvatna specifikacija materijala za parni prostor iznad nivoa kisele tečnosti - parni prostor bilo koje posude za sumpornu kiselinu iznad 40 stepeni 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 srednje kiselini (10-50% H₂SO₄): legura 20 je pouzdana do 80-90 stepeni. U najagresivniji prelaznoj zoni (50-80% H₂SO₄): standardna legura 20 dostiže svoju granicu na približno 75-80 stepeni - koristite Cb-3 varijantu ili Hastelloy G-30 iznad 80 stepeni.
U koncentrovanoj kiselini (85-98% H₂SO₄): legura 20 se NE preporučuje iznad 40 stepeni (316L ili tantal su tačni za ovaj opseg). Ovo su mirni (bez-toka) uslovi. U turbulentnom toku, smanjite sve temperaturne granice za 10-15 stepeni da biste uzeli u obzir efekat korozije povećane brzine.
P: Kako se legura 20 ekonomski može usporediti s nehrđajućim čelikom 316L u sumpornoj kiselini?
O: List od legure 20 košta otprilike 5-7 puta više po kilogramu od lima od 316L.
Međutim, analiza ukupnih instaliranih troškova govori drugačiju priču: 316L u 30% H₂SO₄ na 60 stepeni: stopa korozije 1-2 mm/godišnje. Sa debljinom stijenke od 6 mm (uključen dodatak za koroziju), posuda 316L zahtijeva zamjenu svakih 3-5 godina. Legura 20 u 30% H₂SO₄ na 60 stepeni: stopa korozije 0,1-0,2 mm/god.
Sa istim zidom od 6 mm, posuda od legure 20 je dizajnirana za 20+ godina uz minimalno održavanje. Prednost u troškovima-životnog ciklusa Alloy 20 je obično 3-5× tokom perioda od 20 godina kada su uključeni troškovi zastoja, zamjene i ekološke usklađenosti. Jedini izuzetak je razrijeđena kiselina (<10%) at <50°C, where 316L lasts adequately and Alloy 20 premium cost cannot be justified.
