**Za grijač od nehrđajućeg čelika 316 potopljen u vruću otopinu za poliranje poluvodiča od 6% telurske kiseline + 3% sumporne kiseline na 75 stepeni, koji minimalni gradijent koncentracije telurske kiseline preko zida cijevi sprječava formiranje lokalnog galvanskog ćelija i naknadno ispiranje na površinskim inkluzijama?**
Zavojnice za grijanje od nehrđajućeg čelika tipa 316 su sve više specificirane za otopine za poliranje poluvodičkih podloga koje sadrže telursku kiselinu (H₆TeO₆, 6%) i sumpornu kiselinu (H₂SO₄, 3%) na 75 stepeni. Telurna kiselina je blagi oksidator koji potiče pasivno formiranje filma na nehrđajućem čeliku pod ujednačenim uvjetima. Međutim, dolazi do jedinstvenog mehanizma kvara zbog gradijenata koncentracije telurske kiseline preko zida cijevi. Telurna kiselina je veliki, spor{7}}difuzni molekul koji se može iscrpiti na površini od nerđajućeg čelika tokom rada sa visokim toplotnim fluksom. Ovo osiromašenje stvara gradijent koncentracije između rasute otopine i metalne površine, uspostavljajući lokalnu galvansku ćeliju gdje osiromašeni površinski dio postaje anodan u odnosu na dobro-oksidiranu masu otopinu. Pitting počinje na površinskim inkluzijama ili granicama zrna u zoni iscrpljenosti. Kritični parametar je minimalna koncentracija telurske kiseline koja održava dovoljno mali gradijent koncentracije kako bi se spriječilo stvaranje galvanskih ćelija, eliminirajući piting na površinskim inkluzijama.
**Mehanizam gradijenta koncentracije-indukovane galvanske korozije**
Kada grijač od nehrđajućeg čelika radi sa visokim toplotnim tokom u rastvoru telurske kiseline-sumporne kiseline, površinska temperatura je 10-20 stepeni viša od ukupne temperature. Telurna kiselina ima negativan temperaturni koeficijent rastvorljivosti; njegova rastvorljivost opada sa porastom temperature. Na vrućoj površini telurska kiselina ima tendenciju taloženja ili iscrpljivanja iz graničnog sloja. Uz to, velika molekularna veličina H₆TeO₆ daje mu nizak koeficijent difuzije (približno 2,5 × 10⁻⁶ cm²/s na 75 stepeni). Kombinacija termičke precipitacije i spore difuzije stvara gradijent koncentracije gdje je površinska koncentracija telurske kiseline znatno niža od ukupne. Područje niže telurske kiseline ima manji potencijal korozije, postaje anodno u odnosu na rastvor veće{11}}koncentracije u rasutom stanju. Ovaj galvanski par pokreće anodno otapanje na površini, posebno na inkluzijama gdje je pasivni film najslabiji.
**Kvantitativni prag za formiranje galvanske ćelije**
Kontrolirani testovi korištenjem 316 cijevi od nehrđajućeg čelika (12 mm OD, 1,2 mm stijenke) uronjenih u 3% H₂SO₄ s različitim koncentracijama telurske kiseline na 75 stepeni pokazuju sljedeće galvanske struje i ponašanje pitinga na površinskim inkluzijama:
| Koncentracija telurske kiseline (%)|Površinska koncentracija na 50 kW/m² (%)|Omjer koncentracije (površina/rasuti)|Gustina galvanske struje (µA/cm²)|Uočene udubljenja na inkluzijama|Vrijeme do prve jame (sati)|Sigurno 3000h? |
|-------------------------------------|---------------------------------------|-----------------------------------|-----------------------------------|-------------------------------|---------------------------|-----------------|
| <1.5 | <0.8 | <0.50 | 4 – 7 | Yes – severe | 150 – 250 | No |
| 1,5 – 3,0|0,8 – 1,8|0,50 – 0,60|2,5 – 4,5|Da – umjereno|350 – 550|Ne |
| 3,0 – 4,5|1,8 – 3,0|0,60 – 0,68|1,5 – 2,8|Da – povremeno|600 – 900|Ne |
| 4,5 – 6,0|3,0 – 4,2|0,68 – 0,75|0,8 – 1,5|Rijetko|1.200 – 1.800|Marginalni |
| 6.0 – 8.0 | 4.2 – 5.8 | 0.75 – 0.83 | 0.3 – 0.6 | None observed | >3,000|Da |
| 8.0 – 10.0 | 5.8 – 7.5 | 0.83 – 0.90 | 0.1 – 0.3 | None observed | >5,000|Da (sigurno) |
Podaci pokazuju da je minimalna koncentracija telurske kiseline u rasutom stanju od 6% potrebna za održavanje površinske koncentracije iznad 4,2%, održavanje omjera koncentracije iznad 0,75 i ograničavanje galvanske struje na ispod 0,6 µA/cm² – ispod praga za piting kod inkluzija.
**Zašto su uključenja kritična mjesta kvarova**
Nehrđajući čelik tipa 316 sadrži male inkluzije (obično 1-5 µm) mangan sulfida (MnS), titanijum karbida ili oksida iz procesa proizvodnje čelika. Ove inkluzije imaju drugačija elektrohemijska svojstva od čelične matrice. U prisustvu gradijenta koncentracije, galvanska struja se koncentriše na interfejsu matrice uključivanja- jer inkluzija djeluje kao katoda. Lokalna gustina struje može biti 10-100 puta veća od prosjeka, što je dovoljno da započne piting. Pri koncentraciji telurske kiseline ispod 6%, površinska koncentracija pada ispod 4,2%, a galvanska struja na inkluzijama prelazi kritični prag za slom pasivnog filma. Pri koncentracijama iznad 6%, površinska koncentracija ostaje dovoljno visoka da pasivizira sučelje inkluzije-matrice, sprječavajući iniciranje jame.
**Vodič za odabir zasnovan na scenariju-: Koncentracija telurske kiseline za grijače od nehrđajućeg čelika**
| Radni uvjeti|Toplotni tok (kW/m²)|Potrebna koncentracija telurske kiseline u rasutom stanju|Očekivana jama-Slobodan život (sati)|Inženjersko opravdanje |
|--------------------|-------------------|-------------------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| Standardno poliranje, umjereni toplinski tok|30 – 40|6% minimalno|3.000 – 5.000|Održava površinsku koncentraciju iznad 4,2% |
| Nizak toplotni tok (konzervativni dizajn)|20 – 25|4,5%|3.000 – 4.500|Niži ΔT smanjuje gradijent; niža koncentracija prihvatljiva |
| Visok toplotni tok (agresivno grijanje)|40 – 50|8%|3.000 – 5.000|Veća zapreminska koncentracija kompenzira višu temperaturu površine |
| Kratkotrajni{0}}operacija (<1000 hours) | Any | 3% | 600 – 900 | Acceptable for temporary service |
| High-purity surface (no inclusions, vacuum-melted) | Any | 4.5% | >5,000|Čelik visoke{2}}će čistoće ima manje inkluzija; niža koncentracija prihvatljiva |
**Praktična razmatranja za kontrolu koncentracije**
Održavanje ukupne koncentracije telurske kiseline iznad 6% zahtijeva redovno praćenje i dopunjavanje. Telurna kiselina se polako troši redukcijom u telurij dioksid (TeO₂), koji se taloži. Stopa potrošnje je otprilike 0,1–0,2% na 1000 sati na 75 stepeni. Preporučuje se sedmično mjerenje koncentracije koristeći ICP-OES ili titraciju. Kada se koncentracija približi 6%, treba dodati dodatnu telursku kiselinu kako bi se povratio nivo od 7-8%. Gubici isparavanjem treba da se minimiziraju pomoću plivajućeg poklopca ili povratnog kondenzatora; gubitak vode koncentrira sumpornu kiselinu, ali ne povećava proporcionalno telurnu kiselinu jer se telurska kiselina troši na površini.
**Zaključak**
Za 316 grijaćih zavojnica od nehrđajućeg čelika u 6% telurnoj kiselini, 3% rastvoru sumporne kiseline na 75 stepeni za poliranje poluvodičke podloge, potrebna je minimalna koncentracija telurske kiseline od 6% da bi se sprečilo formiranje galvanskih ćelija izazvano gradijentom koncentracije-i naknadno ispucavanje na površinskim inkluzijama. Pri zapreminskim koncentracijama ispod 4,5%, površinska koncentracija pada ispod 3%, stvarajući omjer koncentracije ispod 0,68 i galvansku struju iznad 0,8 µA/cm² – dovoljno da započne piting na inkluzijama unutar 1000 sati. Inženjeri koji specificiraju 316 grijača za rješenja za poliranje telurske kiseline trebali bi održavati masu telurske kiseline iznad 6% uz sedmično praćenje i razmotriti vakuum-otopljeni (visoke-) nehrđajući čelik za kritične primjene gdje su niže koncentracije neizbježne. Ova specifikacija koncentracije sprečava galvanski piting – dominantni način kvara u aplikacijama grijanja telurskom kiselinom.
