Perché le barre di zirconio sono selezionate per il servizio chimico
Nella maggior parte dei mezzi altamente corrosivi, lo zirconio resiste all'attacco meglio del titanio. Questo è il motivo per cui le attrezzature per lo zirconio costano di più ma trovano comunque la loro strada negli impianti chimici: dove il titanio raggiunge il suo limite, le barre e le parti fabbricate in zirconio continuano a sopravvivere. Lo zirconio è un metallo passivante e si combina facilmente con l'ossigeno per formare una pellicola superficiale densa e aderente, ed è proprio quella pellicola, piuttosto che il metallo sottostante, a fornire la resistenza alla corrosione.
Controllo dell'afnio e selezione dei materiali
Lo zirconio e l'afnio coesistono nei minerali di zirconio, dove il contenuto di afnio è circa dal 2% al 3% del contenuto di zirconio, e i due elementi si comportano in modo molto simile in termini fisici e chimici. Separarli completamente è difficile e costoso: produrre zirconio con un contenuto di afnio inferiore allo 0,01% costa molto di più, perché l'obbligo di separazione è severo. Per lo zirconio di grado chimico-, tale spesa non è giustificata. In pratica, il materiale di grado chimico- è accettato con contenuti di afnio fino a circa il 4,5% senza danni alle prestazioni di corrosione, mentre i compiti nucleari, dove l'afnio deve essere rimosso a causa del suo comportamento di assorbimento-di neutroni, utilizzano gradi di afnio a basso-grado.
Resistenza alla corrosione: dove funziona lo zirconio
Grazie alla sua pellicola passiva, lo zirconio resiste alla maggior parte degli acidi organici, degli acidi inorganici, degli alcali forti, dei sali fusi, dell'acqua ad alta-temperatura e dei metalli liquidi. I limiti pratici sono stabiliti dalla temperatura e dalla tendenza di alcuni mezzi a rompere la pellicola o a introdurre idrogeno.
| Medio o condizione | Comportamento dello zirconio |
|---|---|
| Acido cloridrico, tutte le concentrazioni al di sotto del punto di ebollizione atmosferica | Ottima resistenza; l'idrogenazione diventa possibile sopra i 149 gradi |
| Acido nitrico fino a 250 gradi, frazione di massa non superiore al 70% | Resistente alla corrosione; rischio di accensione in acido nitrico concentrato contenente pochissima acqua |
| Acidi organici | Generalmente resistente |
| Alcali forti, sali fusi, acqua ad alta-temperatura, metalli liquidi | Resistente in normali condizioni operative |
| Riduzione delle soluzioni di cloruro | Resistente |
| Acido fluoridrico, acido solforico concentrato, acido fosforico concentrato, acqua regia, acqua bromo, acido bromidrico, acido fluorosilicico, ipoclorito di calcio, acido fluoroborico | Non resistente perché il film passivo viene distrutto |
| Soluzioni ossidanti di cloruro come cloruro di rame e cloruro ferrico | Non resistente |
La progettazione dovrebbe quindi iniziare con una revisione medio-per-medio alla temperatura e alla concentrazione di funzionamento effettive, non con una dichiarazione generale di resistenza alla corrosione.
Ossidazione, azoto e idrogeno a temperatura elevata
Nell'aria, lo zirconio inizia a sbucciarsi gravemente a circa 425 gradi e forma ossido di zirconio bianco a circa 540 gradi.
Al di sopra dei 700 gradi circa assorbe ossigeno e diventa fragile; la ricottura sotto vuoto non può rimuovere quell'ossigeno.
Reagisce con l'azoto sopra i 400 gradi circa e la reazione diventa vigorosa intorno agli 800 gradi; Anche l'azoto assorbito in questo modo non può essere rimosso mediante ricottura sotto vuoto.
L'assorbimento dell'idrogeno inizia al di sopra di circa 300 gradi e provoca infragilimento da idrogeno, ma l'idrogeno può essere rimosso mediante ricottura sotto vuoto a circa 1000 gradi.
Queste cifre spiegano perché le apparecchiature in zirconio sono protette durante la saldatura e il trattamento termico e perché la cattura di idrogeno, piuttosto che la perdita uniforme delle pareti, spesso determina la durata di servizio di un componente.
Applicazioni tipiche nell'industria chimica
Scambiatori di calore a fascio tubiero-e-a baionetta che gestiscono flussi di processo contenenti acido cloridrico caldo e cloruro-.
Reattori, autoclavi e recipienti a pressione per chimica organica e inorganica aggressiva.
Colonne di distillazione, interni, vassoi e supporti di imballaggio.
Tubazioni, raccordi, valvole, alberi di pompe e agitatori in cui il titanio si corrode troppo rapidamente.
Servizio di urea, acido acetico e perossido di idrogeno e apparecchiature esposte a soluzioni di cloruro esenti da cloruro di idrogeno e ipoclorito-.
Punti di fabbricazione e qualità per barre di zirconio
Acquista una bacchetta chimicamente certificata e tracciabile in base al suo calore, con il contenuto di afnio dichiarato, in modo che il grado sia noto prima dell'inizio della fabbricazione.
Fabbricare in un'area pulita e dedicata; la contaminazione di ferro e rame sulla superficie può compromettere il film passivo.
Saldare sotto gas inerte con adeguata protezione e successivamente decapare, poiché la contaminazione durante la saldatura è una causa comune di guasto prematuro.
Evitare condizioni di servizio che combinino la generazione di idrogeno con temperature elevate o che specifichino la ricottura sotto vuoto a circa 1000 gradi per rimuovere l'idrogeno assorbito.
Mantenere l'esposizione all'ossigeno e all'azoto durante la formatura a caldo entro i limiti sopra indicati; se il metallo deve essere lavorato a caldo utilizzare l'atmosfera protettiva.
Domande frequenti
D: Perché lo zirconio è più costoso del titanio ma viene ancora utilizzato negli impianti chimici?
Perché nella maggior parte dei mezzi altamente corrosivi resiste agli attacchi meglio del titanio. Laddove il titanio si corroderebbe troppo rapidamente, lo zirconio conferisce alle apparecchiature una durata utile che giustifica il prezzo di acquisto più elevato.
D: Quanto afnio è accettabile nello zirconio-di grado chimico?
Il materiale di grado chimico- è generalmente accettato con un contenuto di afnio fino a circa il 4,5%. La riduzione dell'afnio al di sotto dello 0,01% è una fase di separazione costosa ed è riservata alle attività nucleari.
D: In quali acidi è opportuno evitare lo zirconio?
L'acido fluoridrico, l'acido solforico concentrato, l'acido fosforico concentrato, l'acqua regia, l'acido bromidrico, l'acido fluorosilicico, l'acido fluoroborico e l'acqua bromo distruggono tutti la pellicola passiva e devono essere evitati.
D: A quale temperatura lo zirconio assorbe l'idrogeno?
L'assorbimento dell'idrogeno inizia al di sopra dei 300 gradi circa e porta all'infragilimento. L'idrogeno assorbito può essere rimosso mediante ricottura sotto vuoto a circa 1000 gradi.
D: Cosa succede allo zirconio nell'aria ad alta temperatura?
Si sbuccia gravemente a circa 425 gradi, forma ossido bianco a circa 540 gradi e al di sopra di circa 700 gradi assorbe ossigeno e diventa fragile; l'ossigeno assorbito non può essere rimosso mediante ricottura sotto vuoto.
D: Lo zirconio può essere saldato normalmente?
Sì, purché il giunto sia protetto con gas inerte e la superficie sia pulita ed esente da contaminazioni di ferro e rame, seguite da decapaggio, poiché la contaminazione durante la saldatura provoca rotture precoci.
