Коли електричний нагрівач із титановою оболонкою використовується в маломасштабному-процесі елюювання золота (розчин ціаніду при 110 градусах, 3 бари), як товщина стінки пов’язана з ризиком поглинання водню та подальшого окрихчення?

Фундаментальний компроміс-у дизайні титанових нагрівачів для елюції ціанідного золота
Процедури елюції золота включають використання розчинів ціаніду (0,5–2% NaCN) при 110 градусах і тиску 3 бари для видалення золота з активованого вугілля. Для ціанідних середовищ вибирають нагрівачі з титановим корпусом через їх стійкість до корозії. Але в ціанідних розчинах при підвищених температурах титан може приймати водень. У ціаніді катодна реакція дає водень: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH- (за відсутності кисню). Атомарний водень може проникати в решітку титану. Коли концентрація водню досягає 200-300 частин на мільйон, утворюється крихкий гідрид титану (TiH 2 ), що призводить до крихкості та руйнування. Товщина стінки визначає градієнт концентрації водню та час досягнення критичних рівнів крихкості. Товсті стінки мають більше місця для поглинання водню до досягнення критичної концентрації, але також довші шляхи дифузії. У цьому дослідженні оцінюється зв’язок між товщиною стінки та ризиком водневої крихкості при високій температурі ціаніду.

Вплив на механічну цілісність: дифузія водню та утворення гідридів
Пасивація призводить до надзвичайно низької швидкості корозії (<0.01 mm/y) of Grade 2 titanium in cyanide solutions at 110°C and 3 bar. However, the cathodic process generates atomic hydrogen, which can be absorbed to the lattice of titanium. The pace at which hydrogen is taken up depends on the concentration of cyanide, temperature and the presence of oxidising chemicals. The rate of absorption in deaerated cyanide (used in the pressurized elution columns) is 10-30 ppm/month. At this rate critical concentration (250 ppm) is achieved in 8-25 months. Titanium loses its ductility and may crack under residual loads from bending or welding when hydrides occur.

Другий закон дифузії Фіка пов'язує товщину стінки з часом досягнення критичної концентрації водню. Для наближення плоскої пластини (консервативно для труб) час досягнення певної концентрації водню на середній-товщині пов’язаний із квадратом товщини: t_critical ∝ t². Збільшення товщини стінки вдвічі збільшує час для досягнення критичної крихкості на центральній лінії. Більш товсті стінки забезпечують значну перевагу з точки зору стійкості до водневої крихкості.

Вплив на теплові характеристики Температурний градієнт і дифузія
На дифузію водню впливає градієнт тепла на стінці титану. Коефіцієнт дифузії водню в титані визначається законом Арреніуса D=D_0 exp(-E_a/RT). D=2.5 × 10⁻¹¹ м²/с при 110 градусах. Втрата температури на стінці товщиною 1,0 мм при 2,0 Вт/см 2 становить приблизно 1,2 °C. На стінці товщиною 2,0 мм вона становить 2,4 °C. Внутрішня стінка (що контактує з ізоляцією MgO) є більш гарячою та має дещо більший коефіцієнт дифузії (порядку 5% на градус). Цей градієнт дещо збільшує поглинання водню для більш товстих стінок, що частково компенсує посилення t2. Але загальний зв’язок полягає в тому, що більші стіни забезпечують набагато довший термін служби-без крихкості.

Синтез компромісу-: товщина стінки проти часу до крихкості
Товщина стінки (мм) Швидкість поглинання водню (ppm на місяць, концентрація на поверхні 300 ppm) Час до 250 ppm при середній товщині (місяці) 5-річний термін служби Ризик крихкості Рекомендований елюювання золота для?
0,8 мм 20 ppm/місяць 12 місяців ВИСОКА (виходить з ладу через 1-2 роки) Ні 1,0 мм 20 ppm/місяць 20 місяців Висока (зникає через 2-3 роки) Гранична 1,2 мм 20 ppm/місяць 30 місяців Помірна (зникає через 3-4 роки) Бічна лінія 2.
1,5 мм 20 ppm/місяць 48 місяців Середній (близько 5 років) Прийнятний
1,8 мм 20 ppm/місяць 70 місяців Низький (понад 5 років) Так
2,0 мм 20 ppm/місяць 85 місяців Низький (запас міцності) Так (рекомендовано)
Для забезпечення 5--річного розрахункового терміну служби необхідна товщина стінки 1,8–2,0 мм, щоб утримувати концентрацію водню в середній товщині нижче 250 частин на мільйон.

Інженерія поза стіною: модернізація сплаву та контроль кисню
Поглинання водню в ціаніді значно зменшується за наявності кисню. Якщо є газований ціанід (кисень > 1 ppm), катодна реакція змінюється від відновлення води до відновлення кисню, водень не утворюється. Завдяки використанню повітря як газу, що створює тиск для елююючої колони, замість азоту або барботування повітря через розчин, повністю уникають водневої крихкості. Аерована стандартна стіна товщиною 1,2 мм має термін служби 10+ років. Перехід до рівня титану 7 (Ti-0,15% Pd) значно знижує поглинання водню, оскільки паладій каталізує рекомбінацію атомарного водню в молекулярний H 2 , який не входить у решітку. Клас 7 зі стінкою 1,2 мм кращий за клас 2 зі стінкою 2,0 мм щодо стійкості до водневої крихкості.

Висновок Для служби деаерованого ціаніду потрібна стінка від 1,8 до 2,0 мм
Для невеликого -процесу елюції золота, де використовується електричний нагрівач із титановою оболонкою, а розчин ціаніду нагрівається до 110 градусів і 3 бар, товщина стінки безпосередньо пов’язана з небезпекою поглинання водню та крихкості. Поглинання водню в деаерованому ціаніді становить 10-30 ppm на кожен місяць, а тривалість досягнення критичної крихкості в лусках середньої товщини як квадрат товщини стінки. Титан 2 класу повинен мати мінімальну товщину стінки 1,8–2,0 мм для 5-річного терміну служби. Більш тонкі стінки (1,0-1,2 мм) стають крихкими через 2-3 роки. Запропонована специфікація — це титанова оболонка класу 2 із товщиною стінки 2,0 мм, яка працюватиме з барботуванням повітря, щоб утримувати вміст кисню > 1 ppm. Розбризкування повітря усуває поглинання водню та робить стінки тоншими. Повідомте виробнику, яку концентрацію кисню ви очікуєте та як часто ви будете їздити на велосипеді. Якщо аерація неможлива, вкажіть стінку 2,0 мм і ступінь 2 або стінку 1,2 мм і ступінь 7. Товщина стінки є важливим фактором для запобігання водневій крихкості при роботі з деаерованим ціанідом.