Prečo je hustota katódového prúdu na povrchu trubice kľúčovým konštrukčným obmedzením pre titánový ohrievač v kovovej nádrži na konečnú úpravu s vysokým obsahom chloridov/zinkových zmesí?

ZINKOVÉ ELEKTRICKÉ, GALVANIZAČNÉ ALEBO DEPOZIČNÉ NÁDRŽE ZLIATINY SA POUŽÍVAJÚ NA ÚPRAVU KOVOV A OBSAHUJÚ KOMPLEXNÉ ZMESI ELEKTROLYTOV Typické formulácie sa skladajú z 50-100 g/l chloridu zinočnatého (ZnCl2), chloridu amónneho (NH4Cl) ako organického chloridu draselného (NH4Cl). Kúpeľ má teplotu 30-50 stupňov s pH 4,5-6,0. Odolnosť proti korózii je často špecifikovaná pomocou titánových ohrievačov plášťa. Tieto kúpele však vytvárajú neúmyselnú elektrochemickú situáciu, keď titánová trubica pôsobí ako katóda na nanášanie zinku. Ióny zinku v roztoku sa nanášajú na povrch titánu pôsobením elektrického systému samotného ohrievača alebo bludnými prúdmi z pokovovacieho usmerňovača. Ak nános zinku zostane tenký a rovnomerný, trubica je chránená, ale ak sa rozšíri na hrubé, nodulárne štruktúry, trubica sa prehrieva a predčasne zlyhá. Určujúcim faktorom je rýchlosť prenosu elektrónov, ktorá riadi redukciu zinku, tj hustota katódového prúdu na povrchu trubice.

Mechanizmus katódového vylučovania zinku na titánových ohrievačoch

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 mA/cm2), rýchly vývoj zinku vytvára dendritické štruktúry, ktoré sa dotýkajú iných častí nádrže, čo vedie ku skratom a lokálnemu prehriatiu.

Režim zlyhania ohrievača vs. hustota prúdu: Kvantitatívna korelácia

Na základe kontrolovaného testovania v simulovanom kúpeli chloridu zinočnatého (80 g/l ZnCl2, 100 g/l KCl, 50 stupňov) boli pre titánové ohrievače 2. stupňa identifikované nasledujúce poruchy:

Hustota katódového prúdu nižšia ako 1 mA/cm²: Rýchlosť nanášania zinku 0,1-0,3 mm/mesiac. Priľnavý nános, hladký a jemne zrnitý. Teplota ohrievača je konštantná. Na odstránenie nánosu bez poškodenia základného kovu je možné použiť odstraňovanie kyseliny.

Hustota katódového prúdu 1–3 mA/cm2 Rýchlosť vylučovania zinku 0,5–1,0 mm/mesiac. Nános je nodulárny s pórovitosťou 20 až 30 %. Lokalizované prehriatie na vrcholoch nánosov zvyšuje povrchovú teplotu titánu o 10–15 stupňov nad nastavenú hodnotu. Ohrievač beží príliš často.

Hustota katódového prúdu 3-8 mA/cm2 Rýchlosť vylučovania zinku 1,5-3,0 mm za mesiac V priebehu 2-4 týždňov je dendritický vývoj dlhý 5-10 mm. Dendrity preklenú steny nádrže alebo iné ohrievače, skrat. Porucha ohrievača je výsledkom lokalizovaného roztavenia v miestach kontaktu.

Hustota katódového prúdu > 10 mA/cm2: Rýchlosť vylučovania zinku > 5 mm/mesiac. Nekontrolovaný rýchly dendritický rast. Ohrievač zvyčajne fúka za 1-2 týždne. Keď sa zinok odlupuje, základný kov titánu môže byť vystavený aktívnej korózii.

2.0 Stratégie riadenia prúdovej hustoty v nádržiach na konečnú úpravu kovov

Nasledujúca tabuľka uvádza rozhodovací strom na riadenie hustoty katódového prúdu na ohrievačoch s titánovým plášťom na základe konfigurácie nádrže a elektrického prostredia.

Nastavenie nádrže a elektrický stav Úprava návrhu a stratégia riadenia pre maximálnu povolenú hustotu katódového prúdu
Nádrž riadne uzemnená, Ohrievač elektricky izolovaný od nádrže, Žiadne bludné prúdy 2 mA/cm2 Prijateľné pre pravidelnú prevádzku. Mesačné sledovanie hrúbky nánosu. Vyčistite ohrievač každých 3-6 mesiacov.
Príruba ohrievača v elektrickom kontakte s nádržou (katóda, existuje elektrická cesta) 0,5 mA/cm² Vložte izolačné tesnenie (PTFE, 3 mm) medzi prírubu ohrievača a nádrž. "Znížte prúdovú hustotu na 25%."
Stray currents from rectifier (measured >0,5 V medzi ohrievačom a referenčnou elektródou) 0,2 mA/cm2Nainštalujte uzemňovaciu tyč ohrievačom. Ohrievač štítu s perforovanými PTFE hadicami na zlepšenie trasy elektrického odporu
High zinc content (>120 g/L Zn2+), high temperature (>50 stupňov ) 1 mA/cm2 Nižší obsah zinku alebo nižšia teplota kúpeľa. Vyšší Zn 2+ zvyšuje rýchlosť vylučovania pri podobnej prúdovej hustote.
Ohrievač prevádzkovaný v nádrži s pomocnými katódami (zlodejskými katódami) pre distribúciu prúdu 3 mA/cm^2 Zlodejské katódy odvádzajú prúd preč z ohrievača. Dobre, aby sa zlodeji čistili týždenne.
Technika nad rámec kontroly katódovej prúdovej hustoty

Povrchová úprava titánovej rúry má silný vplyv na priľnavosť zinku. Hladký elektrolyticky leštený povrch (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.

Napísanie informovanej špecifikácie

Napríklad, ak požadujete titánový ohrievač plášťa pre kovovú dokončovaciu nádrž s vysokými kombináciami chloridov a zinku, špecifikujte, že ohrievač musí byť elektricky izolovaný od nádrže pomocou PTFE tesnení a puzdier. Nastavte maximálnu povolenú hustotu katódového prúdu 1 mA/cm2 na základe plochy povrchu ohrievača a rozptylových prúdov zaznamenaných v nádrži. Požiadajte dodávateľa o poskytnutie ohrievača s elektrolyticky lešteným povrchom pre ľahké odstránenie zinkových usadenín. Pri existujúcich inštaláciách zmerajte napätie medzi plášťom ohrievača a referenčnou elektródou zo síranu meďnatého- počas pokovovania. Ak je hodnota väčšia ako 0,3 V, znamená to príliš veľkú katódovú polarizáciu a vyžaduje korekciu. K dispozícii je časovač-riadený systém spätného prúdu, ktorý poskytuje krátky anodický impulz (1 až 2 sekundy pri prúdovej hustote 2 až 3 mA/cm 2 ) každú hodinu na rozpustenie vznikajúcich usadenín zinku skôr, ako sa z nich vyvinú problémové uzliny. Inžinier obmedzuje hustotu katódového prúdu ako zásadné konštrukčné obmedzenie, aby sa zabránilo kaskádovému zlyhaniu vývoja dendritického zinku, prehriatiu a skratu-v titánových ohrievačoch používaných v aplikáciách galvanického pokovovania.