สารละลายนิกเกิลซัลฟาเมตเข้มข้น (60–80 กรัม/ลิตร Ni) ที่ 50–70 องศา จะเปลี่ยนความหนาของผนังเปลือกควอตซ์ที่จำเป็นสำหรับการขึ้นรูปด้วยไฟฟ้าและเครื่องทำความร้อนแบบชุบความเร็วสูง-ได้อย่างไร

สภาพแวดล้อมเกลือที่เป็นกลาง-ใกล้และมีการโจมตีของควอตซ์น้อยที่สุด

นิกเกิลซัลฟาเมต (Ni(SO₃NH₂)₂) เป็นอิเล็กโทรไลต์ที่ต้องการสำหรับการขึ้นรูปด้วยไฟฟ้า (การผลิตแม่พิมพ์ การคัดกรอง และส่วนประกอบที่มีความแม่นยำ) และการชุบนิกเกิลความเร็วสูง-เนื่องมาจากความสามารถในการสร้างการสะสมตัวของความเค้นต่ำ-ที่ความหนาแน่นกระแสสูง สารละลายทั่วไปประกอบด้วยนิกเกิลเป็นซัลเฟต 60–80 กรัม/ลิตร พร้อมด้วยกรดบอริก (30–40 กรัม/ลิตร) เป็นบัฟเฟอร์ pH และสารทำให้เปียกเพื่อลดการเกิดรูพรุน อุณหภูมิในการทำงานอยู่ระหว่าง 50–70 องศา และค่า pH ยังคงอยู่ที่ 3.5–4.5 เพื่อป้องกันการไฮโดรไลซิสของไอออนนิกเกิล เครื่องทำความร้อนแบบแช่ควอตซ์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอ่างนิกเกิลซัลเฟต เนื่องจากซิลิกาที่หลอมละลายมีความต้านทานที่ดีเยี่ยมต่อสารละลายเกลือที่เกือบ-เป็นกลางและไม่-ออกซิไดซ์ ซัลฟาเมตไอออน (H₂NSO₃⁻) เป็นเบสอ่อน (กรดคอนจูเกต ซัลฟามิกมี pKa ความเข้มข้น 1.0) และการไฮโดรไลซิสทำให้เกิดสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ไม่เหมือนกับเกลือคลอไรด์หรือฟลูออไรด์ ซัลฟาเมตไม่ก่อให้เกิดสารเชิงซ้อนที่มีฤทธิ์รุนแรงกับซิลิคอน ข้อกังวลหลักในการกัดกร่อนไม่ได้มาจากตัวซัลฟาเมต แต่มาจากสารปนเปื้อน (คลอไรด์ ไนเตรต) ที่อาจมีอยู่ในเกลือเกรดทางเทคนิค- และจากความร้อนสูงเกินไปเฉพาะจุดที่สามารถสลายซัลเฟตให้กลายเป็นแอมโมเนียมไบซัลเฟต นอกจากนี้กรดบอริก (ปัจจุบันเป็นบัฟเฟอร์) มีฤทธิ์อ่อนมากต่อควอตซ์ การวิเคราะห์นี้จะวัดปริมาณว่าความเข้มข้นของนิกเกิลซัลเฟต อุณหภูมิ (50–70 องศา ) และความบริสุทธิ์ของอ่างส่งผลต่ออัตราการกัดกร่อนที่สม่ำเสมอของซิลิกาที่หลอมละลายอย่างไร ความหนาของผนังเปลือกควอทซ์ที่ต้องการเพื่อให้บรรลุระยะเวลาการใช้งานจริง (5,000–20,000 ชั่วโมง) ในเครื่องทำความร้อนด้วยไฟฟ้าและการชุบนั้นได้มา พร้อมกับค่าปรับความร้อนของผนังที่หนาขึ้นในอิเล็กโทรไลต์ความหนาแน่นปานกลาง-นี้

จลนพลศาสตร์การกัดกร่อนของซิลิกาที่หลอมละลายในนิกเกิลซัลเฟตร้อน: การโจมตีเล็กน้อย

สารละลายนิกเกิลซัลฟาเมตมีความอ่อนโยนต่อซิลิกาหลอมละลายอย่างน่าทึ่ง ค่า pH ของสารละลายที่เตรียมสดใหม่คือ 3.5–4.5 ควบคุมด้วยกรดบอริก ที่ pH 3.5–4.5 ความเข้มข้นของ H⁺ อิสระคือ 3×10⁻⁵ ถึง 3×10⁻⁴ M ซึ่งต่ำเกินไปที่จะทำให้กรดที่วัดได้โจมตีควอตซ์ ไอออนซัลฟาเมตไม่ได้คีเลตซิลิคอนหรือมีส่วนร่วมในการโจมตีแบบนิวคลีโอฟิลิก นิกเกิลไอออน (Ni²⁺) จะไม่ไฮโดรไลซ์อย่างมีนัยสำคัญที่ pH 3.5–4.5 ดังนั้นจึงไม่มีการโจมตีจากไฮดรอกไซด์-เกิดขึ้น ด้วยเหตุนี้ อัตราการกัดกร่อนที่สม่ำเสมอของควอตซ์ในนิกเกิลซัลฟาเมตที่ 60 องศาจึงต่ำกว่า 0.00002 มิลลิเมตร/ชั่วโมง-โดยพื้นฐานแล้วไม่สามารถวัดได้ตลอดกรอบเวลาในทางปฏิบัติ

การทดสอบการจุ่มควอตซ์หลอมรวมที่มีความบริสุทธิ์สูง-ในอิเล็กโทรไลต์นิกเกิลซัลฟาเมตมาตรฐาน (75 กรัม/ลิตร Ni, 40 กรัม/ลิตร H₃BO₃, pH 4.0) ที่ 60 องศาเป็นเวลา 5,000 ชั่วโมง แสดงว่าไม่สามารถตรวจพบการสูญเสียน้ำหนักหรือการทำให้ผิวขรุขระได้ อัตราการกัดกร่อนต่ำมากจนไม่ส่งผลต่อการออกแบบเครื่องทำความร้อน ปลอกควอตซ์ขนาด 1.5 มม. ตามทฤษฎีแล้วสามารถให้บริการได้นับล้านชั่วโมงจากมุมมองของการกัดกร่อน กลไกความล้มเหลวในการให้บริการนิกเกิลซัลฟาเมตจึงไม่ใช่ทางเคมี แต่เป็นทางกายภาพ: ความเครียดจากความร้อนจากการหมุนเวียนด้วยความร้อน ความเสียหายทางกลจากการจัดการชิ้นส่วน และการก่อตัวของตะกอนจากผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวในอ่าง

การปนเปื้อนของคลอไรด์ (สิ่งเจือปนทั่วไปในนิกเกิลซัลเฟตเกรดทางเทคนิค{{0}) สามารถเปลี่ยนพฤติกรรมการกัดกร่อนได้ คลอไรด์ที่ความเข้มข้นสูงกว่า 50 ppm อาจทำให้เกิดรูพรุนในโลหะบางชนิดได้ แต่ควอตซ์สามารถทนต่อการโจมตีของคลอไรด์ที่ pH 3.5–4.5 อย่างไรก็ตาม หากระดับคลอไรด์เกิน 500 ppm และค่า pH ลดลงเนื่องจากการบำรุงรักษาอ่างน้ำที่ไม่ดีพอ อาจเกิดการโจมตีเฉพาะจุดได้ ในอ่างที่ได้รับการดูแลอย่างเหมาะสม (คลอไรด์<50 ppm), quartz corrosion is negligible.

การก่อตัวของตะกอนจากการสลายตัวของซัลฟาเมต

สาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของการเสื่อมสภาพของเครื่องทำความร้อนแบบควอตซ์ในบริการนิกเกิลซัลฟาเมตไม่ใช่การกัดกร่อน แต่เป็นการสะสมของผลิตภัณฑ์ที่สลายตัว ที่อุณหภูมิสูง (โดยเฉพาะที่สูงกว่า 70 องศา) ซัลฟาเมตไฮโดรไลซ์: H₂NSO₃⁻ + H₂O → HSO₄⁻ + NH₄⁺ แอมโมเนียมไบซัลเฟตที่ผลิตขึ้นนั้นมีสภาพเป็นกรดและสามารถลดค่า pH ในท้องถิ่นได้ ที่สำคัญกว่านั้น ไอออนของแอมโมเนียมสามารถรวมกับกรดบอริกเพื่อสร้างสารประกอบโบรอนที่ระเหยได้ซึ่งจะควบแน่นบนพื้นผิวที่เย็นกว่า ผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวสามารถสะสมตัวเป็นสีขาวบางๆ บนพื้นผิวควอตซ์ คราบสะสมนี้เป็นฉนวนเล็กน้อย แต่โดยทั่วไปแล้วจะไม่ทำให้เกิดจุดร้อนที่รุนแรงพอที่จะทำลายควอตซ์ ในกรณีร้ายแรง (การบำรุงรักษาอ่างอาบน้ำไม่ดี อุณหภูมิเกิน 80 องศา) คราบสกปรกอาจหนาพอที่จะลดการถ่ายเทความร้อนได้ การบำบัดด้วยคาร์บอนในอ่างอาบน้ำเป็นประจำจะช่วยขจัดผลิตภัณฑ์ที่สลายตัว

บริเวณวงเดือนมีความเสี่ยงต่อการตกผลึกของกรดบอริกและเกลือนิกเกิล กรดบอริกมีความสามารถในการละลายจำกัดในน้ำเย็น และอาจตกผลึกที่เปลือกด้านบนได้หากระดับของเหลวผันผวน ผลึกเหล่านี้ไม่มีฤทธิ์กัดกร่อนแต่สามารถกำจัดออกได้ยาก การรักษาระดับของเหลวให้คงที่หรือใช้แผงป้องกันไอจะป้องกันการตกผลึกของวงเดือน พื้นผิวควอตซ์ขัดเงาช่วยลดการยึดเกาะของคริสตัล

ความหนาของผนังปรับเปลี่ยนอายุการใช้งานในเครื่องทำความร้อนนิกเกิลซัลเฟตอย่างไร

เนื่องจากการกัดกร่อนของสารเคมีนั้นไม่สำคัญ ความหนาของผนังจึงไม่ถูกเลือกโดยพิจารณาจากค่าเผื่อการกัดกร่อน แต่จะเลือกความหนาสำหรับความแข็งแรงทางกล ความต้านทานต่อความเครียดจากความร้อนจากการหมุนเวียนด้วยความร้อน (อ่างชุบมักจะถูกให้ความร้อนระหว่างการทำงานและปล่อยให้เย็นในช่วงที่ไม่ได้ใช้งาน) และความสะดวกในการทำความสะอาด ความหนาของผนังเครื่องทำความร้อนแบบควอตซ์มาตรฐาน 1.5–2.0 มม. เพียงพอสำหรับการใช้งานกับนิกเกิลซัลเฟตส่วนใหญ่ ผนังที่หนาขึ้น (2.5–3.0 มม.) ให้ความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วหากเครื่องทำความร้อนมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว แต่ยังเพิ่มโทษทางความร้อนและทำให้เครื่องทำความร้อนมีน้ำหนักมากขึ้น สำหรับการขึ้นรูปด้วยไฟฟ้าซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งที่มีความแม่นยำสูงและอุณหภูมิสม่ำเสมอ ผนังบาง (1.5 มม.) เหมาะสำหรับการตอบสนองต่อความร้อนที่รวดเร็ว สำหรับสายการชุบความเร็วสูง-ที่เครื่องทำความร้อนทำงานอย่างต่อเนื่อง ผนัง 2.0 มม. ให้ความสมดุลระหว่างความทนทานและการถ่ายเทความร้อน

สำหรับอ่างอาบน้ำที่เครื่องทำความร้อนอยู่ภายใต้ความเครียดทางกล (เช่น จากชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวหรือการกวนที่รุนแรง) ผนังที่หนาขึ้น (2.5 มม.) ช่วยลดความเสี่ยงของการแตกหัก

โทษทางความร้อนของผนังหนาในสารละลายนิกเกิลซัลฟาเมต

สารละลายนิกเกิลซัลฟาเมตที่ 60 องศาและ 75 กรัม/ลิตร Ni มีค่าการนำความร้อนประมาณ 0.55–0.60 W/(m·K)-คล้ายกับน้ำ ความหนาแน่น 1.10–1.15 g/cm³ ความหนืด 1.0–1.5 cP ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อนในถังชุบแบบปั่นอยู่ระหว่าง 600 ถึง 1,200 W/(m²·K) สำหรับผนัง 1.5 มม. R_cond=0.00109 ตร.ม.·K/W; สำหรับผนัง 3.0 มม. R_cond=0.00217. ด้วย h=800 W/(m²·K), R_boundary=0.00125. ความต้านทานรวมสำหรับ 1.5 มม.=0.00234 → U=427 W/(m²·K); สำหรับ 3.0 มม.=0.00342 → U=292 W/(m²·K) ลดลง 32% บทลงโทษนี้มีสาระสำคัญ เนื่องจากการกัดกร่อนไม่มีนัยสำคัญ จึงควรเลือกผนังที่บางที่สุดในทางปฏิบัติซึ่งมีความแข็งแรงเชิงกลเพียงพอ-โดยทั่วไปคือ 1.5–2.0 มม.

สถานการณ์-เมทริกซ์การเลือกตามความหนาของผนังเปลือกควอตซ์ในบริการนิกเกิลซัลเฟตแบบร้อน

การปรับเปลี่ยนการออกแบบเสริม:การบำบัดด้วยคาร์บอนเป็นประจำจะขจัดผลิตภัณฑ์ที่สลายตัว การรักษา pH ไว้ที่ 3.8–4.2 ด้วยกรดซัลฟามิกหรือนิกเกิลคาร์บอเนตจะป้องกันการเบี่ยงเบนของค่า pH ความปั่นป่วนที่ดีจะช่วยป้องกันความร้อนสูงเกินไปเฉพาะที่ พื้นผิวควอตซ์ขัดเงาช่วยลดการยึดเกาะของคราบสะสม