I 50 % kaliumkarbonat (K2CO3) vid 110 grader bildas ett skyddande kaliumtitanat (K2TiO3)-skikt på titanytan. Upplöst syre (DO) är avgörande för titanatbildning. Vid låg DO (0,5 ppm) är titanatskiktet tunt (0,1–0,5 µm) och poröst, vilket ger dåligt skydd. Vid hög DO (5 ppm) är lagret tjockare (1–3 µm) och tätt, vilket minskar korrosionshastigheten med 5–10 gånger. Titanatskiktet bildas genom reaktionen TiO2 + K2O → K2TiO3, där K2O kommer från K2CO3-sönderdelning.

Mekanismen för inflytande av löst syre på titanatskiktsbildning

Syre krävs för att hålla titanytan i ett passivt tillstånd där TiO2 kan bildas. I närvaro av K2CO3 reagerar TiO2 för att bilda K2TiO3. Utan tillräckligt med syre är TiO2-skiktet tunt och defekt, och K2TiO3-skiktet som bildas är också defekt. Vid låg DO har lagret sprickor och porer som tillåter fortsatt korrosion. Vid hög DO växer lagret jämnt och blir skyddande. Korrosionshastigheten i det stabila regimen styrs av diffusionen av syre genom titanatskiktet.

Kvantitativa titanatskiktsegenskaper som en funktion av löst syre

Kontrollerad testning i 50 % K₂CO₃ vid 110 grader under 1 000 timmar har fastställt följande för grad 2 titan. Vid 0 ppm DO (avluftad) är titanatskiktets tjocklek 0,05–0,1 µm, korrosionshastigheten är 0,15–0,30 mm per år och ytan är mörk och porös. Vid 0,5 ppm DO är tjockleken 0,1–0,3 µm, korrosionshastigheten är 0,08–0,15 mm per år och ytan är grå med måttlig porositet. Vid 2 ppm DO är tjockleken 0,5–1,0 µm, korrosionshastigheten är 0,03–0,08 mm per år och ytan är ljusgrå. Vid 5 ppm DO är tjockleken 1,0–2,0 µm, korrosionshastigheten är 0,01–0,03 mm per år och ytan är ljus och skyddande. Vid 10 ppm DO är tjockleken 2,0–3,0 µm, korrosionshastigheten är 0,005–0,015 mm per år och ytan är ljus och stabil.

Temperaturens inverkan på behovet av löst syre

Den minsta DO som krävs för stabil passivering ökar med temperaturen. Vid 80 grader, minsta DO för ett stabilt passiveringsskikt (korrosionshastighet<0.02 mm per year) is 1 ppm. At 100°C, the minimum is 2 ppm. At 110°C, the minimum is 3 ppm. At 120°C, the minimum is 4 ppm. At 130°C, the minimum is 5 ppm. The recommended DO for a safety margin is 2–3 times the minimum.

Hanteringsguide för upplöst syre för kaliumkarbonatvärmare

Följande tabell ger rekommendationer för halter av löst syre i 50 % K₂CO₃ vid 110 grader för titanvärmare av grad 2 och grad 7.

Engineering bortom kontroll av upplöst syre

Titankvaliteten påverkar den nödvändiga DO. Grad 7 (palladium-stabiliserat) bildar ett stabilt titanatskikt vid lägre DO-nivåer (1–2 ppm vid 110 grader) på grund av palladium-katalyserad syrereduktion. Årskurs 12 erbjuder medel förbättring. Väggtjocklek ger ett korrosionstillägg; en 2,0 mm vägg med 0,03 mm per år korrosion håller i 60 år. K2CO3-koncentrationen påverkar passiveringen; vid 40 % K2CO3 är den erforderliga DO lägre. Närvaron av klorider i K₂CO₃-lösningen (från föroreningar) ökar DO-kravet med 1–2 ppm.

Att göra en informerad specifikation

För en värmestav av titan i 50 % K₂CO₃ vid 110 grader, håll upplöst syre över 5 ppm genom luftsprutning eller syreinjektion. Installera en DO-sond med ett larm inställt på 4 ppm och en förregling på 3 ppm. För befintliga system med DO under 3 ppm, lägg till en spridare eller öka luftningshastigheten. Om luftning inte är möjlig, späd ut K₂CO₃ till 40 % eller sänk temperaturen till 100 grader. Genom att kontrollera löst syre över 5 ppm främjar ingenjören ett stabilt, skyddande kaliumtitanatskikt och minimerar korrosion.