Чому щільність катодного струму на поверхні трубки є ключовим обмеженням конструкції для нагрівача з титанової оболонки в резервуарі для обробки металу із сумішами з високим вмістом хлориду та цинку?

РЕЗЕРВУАРИ ДЛЯ ГАЛЬВАНІЧНОГО ПОКРИВАННЯ, ЦИНКУВАННЯ АБО ОСАДЖЕННЯ СПЛАВУ ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ ДЛЯ ОБРОБКИ МЕТАЛІВ І МІСТЯТЬ СКЛАДНІ СУМІШІ ЕЛЕКТРОЛІТІВ. Типові склади складаються з 50-100 г/л хлориду цинку (ZnCl2), хлориду амонію (NH4Cl) як електропровідної солі, хлориду калію (KCl), а також кілька органічних відбілювачів. Ванна має температуру 30-50 градусів і pH 4,5-6,0. Корозійну стійкість часто визначають за допомогою нагрівачів титанової оболонки. Ці ванни, однак, створюють ненавмисну ​​електрохімічну ситуацію, коли титанова трубка діє як катод для осадження цинку. Іони цинку в розчині наносяться на поверхню титану під дією електричної системи самого нагрівача або блукаючими струмами від випрямляча покриття. Якщо відкладення цинку залишається тонким і рівномірним, трубка захищена, але якщо вона розширюється до шорсткої, вузликової структури, трубка перегрівається і передчасно виходить з ладу. Визначальним фактором є швидкість перенесення електронів, що сприяє відновленню цинку, тобто щільність катодного струму на поверхні трубки.

Механізм катодного осадження цинку на титанових нагрівачах

The usual cathodic reaction happens on the work to be plated in a zinc plating bath. Any conductive surface that contacts the electrolyte, including the titanium heater sheath, can also operate as a cathode if an electrical channel exists. The wire of internal resistance of the heater is electrically insulated from the sheath. However, stray currents from the plating rectifier may pass through the bath, especially if the tank grounding is inadequate or if the heater mounting is in cathodic contact with the tank. When the titanium surface becomes cathodic, zinc ions are reduced to metallic zinc. Zn2+ + 2e- = Zn0. The rate of zinc deposition is proportional to cathodic current density (i_cathode). At low current densities (below 2 mA/cm²) zinc is deposited as a smooth adherent layer which actually shields the titanium. At moderate current densities (2–10 mA/cm2) the deposit becomes rough and porous, trapping electrolyte and leading to small hot spots. At high current densities (>10 мА/см2), швидкий розвиток цинку створює дендритні структури, які контактують з іншими частинами бака, що призводить до короткого замикання та місцевого перегріву.

Режим відмови нагрівача від щільності струму: кількісна кореляція

На основі контрольованих випробувань у імітованій ванні з хлоридом цинку (80 г/л ZnCl2, 100 г/л KCl, 50 градусів) для титанових нагрівачів класу 2 було виявлено наступні моделі несправностей:

Щільність катодного струму нижче 1 мА/см²: швидкість осадження цинку 0,1-0,3 мм/місяць. Адгезія, гладка та дрібнозерниста. Температура нагрівача постійна. Кислотне очищення можна використовувати для видалення відкладень без пошкодження основного металу.

Щільність катодного струму 1–3 мА/см2 Швидкість осадження цинку 0,5–1,0 мм/міс. Поклади вузлуваті з пористістю від 20 до 30%. Локалізований перегрів на піках відкладень підвищує температуру поверхні титану на 10–15 градусів вище заданого значення. Надто часто працює обігрівач.

Щільність катодного струму 3-8 мА/см2 Швидкість осадження цинку 1,5-3,0 мм на місяць Протягом 2-4 тижнів розвиток дендритів становить 5-10 мм в довжину. Дендрити перекривають стінки резервуара або інші нагрівачі, коротке замикання. Несправність нагрівача є результатом локального плавлення в місцях контакту.

Щільність катодного струму > 10 мА/см2: Швидкість осадження цинку > 5 мм/місяць. Неконтрольований швидкий ріст дендритів. Обігрівач зазвичай здуває через 1-2 тижні. Коли цинк відколюється, титановий основний метал може піддаватися активній корозії.

2.0 Стратегії контролю щільності струму в резервуарах для обробки металу

У наступній таблиці наведено дерево рішень для керування щільністю катодного струму на нагрівачах з титанової оболонки на основі конфігурації бака та електричного середовища.

Налаштування бака та електричний стан Модифікація конструкції та стратегія керування для максимально допустимої щільності катодного струму
Резервуар заземлений належним чином, нагрівач електрично ізольований від резервуара, відсутність блукаючих струмів 2 мА/см2 Прийнятно для нормальної роботи. Щомісячний моніторинг товщини наносу. Очищайте обігрівач кожні 3-6 місяців.
Фланець нагрівача в електричному контакті з баком (катодний, електричний шлях існує) 0,5 мА/см² Вставте ізоляційну прокладку (PTFE, 3 мм) між фланцем нагрівача та баком. «Знизьте щільність струму до 25%».
Stray currents from rectifier (measured >0,5 В між нагрівачем і електродом порівняння) 0,2 мА/см2 Встановіть стрижень заземлення біля нагрівача. Екранний нагрівач з перфорованою трубкою з PTFE для покращення шляху електричного опору
High zinc content (>120 g/L Zn2+), high temperature (>50 градусів ) 1 мА/см2 Менший вміст цинку або нижча температура ванни. Вищий Zn 2+ збільшує швидкість осадження за аналогічної густини струму.
Нагрівач працює в резервуарі з допоміжними катодами (катоди-злодії) для розподілу струму 3 мА/см^2 Катоди-злодії відводять струм від нагрівача. Добре, щоб злодіїв прибирали щотижня.
Техніка поза контролем щільності катодного струму

Оздоблення поверхні титанової трубки сильно впливає на адгезію цинку. Гладка електрополірована поверхня (Ra<0.3 µm) permits the zinc deposit to be removed more readily than on an as-drawn surface (Ra 1.0 µm) where zinc keys into surface troughs. The wall thickness does not matter for the cathodic deposition. But the wall thickness matters for the time the heater can survive a localized overheating after the dendrites are formed. Thick wall (1.5 mm) may tolerate numerous short-circuit events before perforation, thin wall (0.8 mm) fails instantly. Deposition efficiency is also a function of pH. Hydrogen evolution competes with zinc deposition below pH 4, reducing the cathodic current density available for zinc, but with the potential for hydrogen embrittlement.

Написання інформованої специфікації

Наприклад, якщо вам потрібен нагрівач із титанової оболонки для резервуара з металевою обробкою з високим вмістом хлоридів і цинку, вкажіть, щоб нагрівач був електрично ізольований від резервуара за допомогою прокладок і втулок із ПТФЕ. Встановіть максимально допустиму щільність катодного струму 1 мА/см2 на основі площі поверхні нагрівача та блукаючих струмів, зареєстрованих у баку. Попросіть постачальника надати нагрівач із електрополірованою поверхнею для легкого видалення відкладень цинку. Для існуючих установок виміряйте напругу між оболонкою нагрівача та мідним-електродом порівняння з сульфату міді під час процесів покриття. Якщо показник перевищує 0,3 В, це вказує на надто сильну катодну поляризацію та потребує корекції. Передбачено -контрольовану таймером систему зворотного струму, яка забезпечує короткий анодний імпульс (від 1 до 2 секунд при щільності струму від 2 до 3 мА/см 2 ) щогодини для розчинення початкових відкладень цинку до того, як вони перетворяться на конкреції. Інженер обмежує щільність катодного струму як важливе обмеження конструкції, щоб уникнути каскадної несправності дендритного цинку, перегріву та короткого-замикання в титанових нагрівачах, які використовуються для гальваніки.