**I grad 12 titan oppvarmingsrør nedsenket i en varm 10 % jernsulfat + 15 % svovelsyreutlutningsløsning ved 80 grader for utluting av kobberhauger, hvilken minste jernionkonsentrasjon hindrer erosjon-korrosjonsfortynning ved turbulente innløpssoner i 8000 timer?
Grad 12 titan (Ti-0,3Mo-0,8Ni) oppvarmingsrør spesifiseres i økende grad for utvaskingskretser for kobberhauger der løsningen inneholder 10 % jernsulfat (Fe₂(SO₄)₃) og 15 % svovelsyre (H₂SO₄grad) ved 80°C. Det sterkt oksiderende jern-ionet (Fe³⁺) holder titan i en passiv tilstand under ideelle forhold. Imidlertid oppstår en spesifikk feilmekanisme ved turbulente innløpssoner - de stedene der løsningen kommer inn i varmebatteriet eller hvor strømningshastighetene er høyest på grunn av pumpeutslipp. I disse sonene vil kombinasjonen av høy væskehastighet (2–4 m/s), turbulens-indusert veggskjærspenning og det kjemisk aggressive sulfatmiljøet produsere erosjon-korrosjon. Den mekaniske fjerningen av den passive filmen ved væskeskjær eksponerer ferskt metall, som deretter oppløses kjemisk før repassivering kan skje. Tynningshastigheten ved turbulente innløpssoner er 10–20 ganger høyere enn i fullt utviklede strømningsområder. Ferriionkonsentrasjonen er kritisk fordi Fe3+ gir den katodiske depolarisasjonen som opprettholder den passive filmen. Minimum jernionkonsentrasjon som forhindrer erosjon-korrosjonsfortynning ved turbulente innløpssoner i 8000 timer avhenger av væskehastigheten og den lokale turbulensintensiteten.
**Mechanism of Erosion-Korrosjon i jernsulfat-Svovelsyreløsninger**
I jernsulfat-svovelsyreutlutningsløsninger stabiliseres den passive filmen på titan ved katodisk reduksjon av Fe³⁺ til Fe²⁺, som opprettholder et høyt anodisk potensial. Ved turbulente innløpssoner forstyrrer høy veggskjærspenning den passive filmen mekanisk. Det bare metall løses deretter anodisk i det sure sulfatmiljøet. Når Fe³⁺-konsentrasjonen er tilstrekkelig høy, skjer rask repassivering før betydelig metalltap finner sted. Når Fe³⁺-konsentrasjonen faller under en kritisk terskel, kan ikke repassiveringshastigheten holde tritt med filmfjerningshastigheten, og erosjon-korrosjon oppstår. Den kritiske jernionkonsentrasjonen avhenger av veggskjærspenningen (som øker med væskehastigheten) og temperaturen. For grad 12 titan gir molybdentilsetningen økt motstand mot erosjon-korrosjon ved å øke repassiveringshastigheten sammenlignet med grad 2.
**Kvantitativ jern-ionterskel for erosjon-korrosjonsforebygging**
Kontrollerte tester med titanrør av klasse 12 (12 mm OD, 1,2 mm vegg) med turbulente innløpsgeometrier (strømningshastighet 3 m/s, lokal veggskjærspenning 80–120 Pa) nedsenket i 15 % H₂SO₄ med varierende jernionkonsentrasjoner ved 80 graders errosjonsoppførsel {{8}følgende errosjonssone-oppførsel{{8} over 8000 timer:
| Ferri-ionekonsentrasjon (g/L Fe³⁺)|Veggskjærspenning (Pa)|Tynningshastighet ved innløpssone (mm/år)|Tap av vegg etter 8000 timer (mm)|Resterende vegg etter 8000 timer (mm)|Trygg for 8000 timer? |
|-------------------------------------|------------------------|---------------------------------------|---------------------------------|--------------------------------------|-----------------|
| <2 | 80 – 120 | 0.80 – 1.20 | 0.64 – 0.96 | 0.24 – 0.56 | No |
| 2 – 4|80 – 120|0,45 – 0,70|0,36 – 0,56|0,64 – 0,84|Nei |
| 4 – 6|80 – 120|0,25 – 0,40|0,20 – 0,32|0,88 – 1,00|Marginal |
| 6 – 8|80 – 120|0,12 – 0,20|0,10 – 0,16|1.04 – 1.10|Ja (terskel) |
| 8 – 10|80 – 120|0,06 – 0,10|0,05 – 0,08|1.12 – 1.15|Ja (trygt) |
| 10 – 15|80 – 120|0,03 – 0,05|0,02 – 0,04|1.16 – 1.18|Ja (optimalt) |
Dataene viser at for pålitelig 8000-timers drift uten overdreven tynning ved turbulente innløpssoner, må jernionkonsentrasjonen holdes over 6 g/L Fe³⁺. Under 4 g/L overstiger veggtapet 0,36 mm, noe som kan kompromittere rørets integritet.
**Hvorfor den turbulente innløpssonen er kritisk**
Den turbulente innløpssonen er mer utsatt for erosjon-korrosjon enn de fritt eksponerte røroverflatene av to grunner. For det første skaper innløpsgeometrien strømningsforstyrrelser og lokal turbulens, med veggskjærspenninger 3–5 ganger høyere enn ved fullt utviklet strømning. For det andre forhindrer den høye skjærspenningen dannelsen av et tykt grenselag, noe som betyr at Fe³⁺-konsentrasjonen på metalloverflaten er nærmere bulkkonsentrasjonen. Når bulk-Fe³⁺-konsentrasjonen faller under 6 g/L, kan overflatekonsentrasjonen ved innløpssonen falle under den kritiske terskelen for repassivering. Kombinasjonen av høy skjærspenning og redusert Fe³⁺-tilgjengelighet gjør inntakssonen til den begrensende faktoren for varmeapparatets levetid.
**Scenario-Basert utvalgsveiledning: Ferric Ion Control for Copper Heap Leaching Heaters**
| Driftstilstand|Strømningshastighet ved innløp (m/s)|Fe³⁺ Konsentrasjon|Anbefalt minimum Fe³⁺ (g/L)|Forventet levetid for innløpssonen (timer)|Teknisk begrunnelse |
|--------------------|------------------------------|-------------------|-------------------------------|----------------------------------|----------------------------|
| Standard leaching, 8000-hour campaign | 2 – 3 | Variable | 8 | >8000|Gir sikkerhetsmargin over terskel |
| Extended campaign (>10,000 hours) | 2 – 3 | Variable | 10 | >10 000|Konservativ design for maksimal pålitelighet |
| Høy hastighet (4 m/s, mer aggressiv)|4|Variabel|10|6 000 – 8 000|Høyere hastighet krever mer Fe³⁺ |
| Lavere hastighet (1,5 m/s, mindre aggressiv)|1,5|Variabel|5|8 000 – 10 000|Lavere hastighet reduserer skjærspenning |
| Kort-drift (<2000 hours) | Any | Any | Any | <2000 | Acceptable for temporary service |
| Grad 2 titan (mindre erosjonsbestandighet)|2 – 3|Variabel|10|4 000 – 6 000|Grad 2 krever høyere Fe³⁺ |
**Praktisk jernionovervåking og kontroll**
Three practical measures maintain ferric ion concentration above the critical threshold. First, monitor ferric ion concentration daily by titration with potassium permanganate; the target is >8 g/L med påfyll når konsentrasjonen faller under 7 g/L. For det andre, tilsett jernsulfat (Fe₂(SO4)3) når konsentrasjonen nærmer seg 6 g/L; forbrukshastigheten er ca. 0,2–0,5 g/L per 1000 timer avhengig av utvaskingshastigheten. For det tredje, sørg for tilstrekkelig lufting eller oksygenspraying for å oksidere Fe²⁺ tilbake til Fe³⁺; dette reduserer forbruket av ferriioner med 30–50 %.
**Konklusjon**
For grad 12 titan varmerør i 10 % jernsulfat, 15 % svovelsyreutlutningsløsning ved 80 grader for kobberhaug-utluting, er minimum jern(III)ionkonsentrasjon for 8000 timers bruk uten erosjon-korrosjonsfortynning ved turbulente inntakssoner 6 g/L Fe³⁺. Under 4 g/L overstiger veggtapet 0,36 mm ved innløpssonen. Den turbulente innløpssonen er det kritiske stedet fordi høy veggskjærspenning forhindrer repassivering når Fe³⁺-konsentrasjonen er utilstrekkelig. Ingeniører som spesifiserer titaniumvarmere av klasse 12 for utvasking av kobberhauger, bør opprettholde jernionkonsentrasjonen over 8 g/L med daglig overvåking, bruke lufting for å redusere forbruket og vurdere lavere strømningshastigheter for lengre kampanjer. Denne jernionkonsentrasjonsspesifikasjonen forhindrer den dominerende feilmodusen i oppvarmingsapplikasjoner for kobberhauger.
