**Khi vỏ bọc titan cấp 2 làm nóng dung dịch lọc đất hiếm amoni clorua + 3% ammonium bifluoride 12% ở nhiệt độ 80 độ, tại sao độ dày thành 1,6 mm lại chống rỗ ở bề mặt hơi-chất lỏng trong 5000 giờ trong khi 1,0 mm không hoạt động trong vòng 1500 giờ?**
Vỏ bọc titan loại 2 ngày càng được chỉ định cho các mạch lọc oxit đất hiếm trong đó dung dịch chứa 12% amoni clorua (NH₄Cl) và 3% amoni biflorua (NH₄HF₂) ở 80 độ. Dung dịch này được dùng để hòa tan các nguyên tố đất hiếm khỏi tinh quặng oxit, tạo ra môi trường clorua-clorua có tính ăn mòn cao. Trong điều kiện ngâm hoàn toàn, titan loại 2 tạo thành màng thụ động ổn định do tính chất oxy hóa của dung dịch lọc. Tuy nhiên, một cơ chế hư hỏng cụ thể xảy ra ở bề mặt chất lỏng-hơi – khu vực mà ống gia nhiệt đi qua bề mặt dung dịch. Tại giao diện này, các chu trình làm ướt và làm khô liên tục xảy ra do sự dao động của mức dung dịch và vỡ bong bóng. Sự kết hợp của muối florua và clorua đậm đặc, oxy từ tiếp xúc với không khí và chu trình nhiệt tạo ra một môi trường khắc nghiệt hơn nhiều so với điều kiện ngâm hoàn toàn. Độ dày của tường đóng một vai trò quan trọng vì sự lan truyền vết rỗ ở bề mặt tiếp xúc tăng tốc theo độ sâu. Tường 1,6 mm cung cấp đủ vật liệu để chịu đựng sự phát triển của hố trong 5000 giờ, trong khi tường 1,0 mm đục lỗ trong vòng 1500 giờ.
**Cơ chế tạo hơi-Rỗ bề mặt chất lỏng trong Fluoride-Dung dịch clorua**
Ở bề mặt chất lỏng-hơi, màng thụ động titan trải qua các chu kỳ hình thành lặp đi lặp lại trong quá trình ngâm và bị gián đoạn khi tiếp xúc với hơi. Khi ngâm, dung dịch amoni clorua{2}}biflorua duy trì màng TiO₂ ổn định. Khi tiếp xúc với hơi trong quá trình dao động mức dung dịch, màng chất lỏng mỏng bay hơi, tập trung muối amoni trên bề mặt titan. Muối florua đậm đặc (từ NH₄HF₂) tấn công mạnh vào màng thụ động theo TiO₂ + 6F⁻ + 4H⁺ → TiF₆²⁻ + 2H₂O. Muối clorua đậm đặc (từ NH₄Cl) làm mất ổn định màng hơn nữa bằng cách thúc đẩy sự hấp phụ ion clorua. Sau khi ngâm lại, muối đậm đặc sẽ hòa tan nhanh chóng nhưng màng thụ động có thể đã bị tổn hại. Chu kỳ lặp đi lặp lại dẫn đến bắt đầu rỗ cục bộ. Khi hố tạo mầm, chất hóa học hạn chế bên trong hố sẽ cạn kiệt florua và giàu clorua, ngăn chặn quá trình thụ động trở lại. Tốc độ lan truyền của hố tăng tốc theo độ sâu do hóa học cục bộ ngày càng tích cực.
**Tuyên truyền rỗ định lượng tại giao diện**
Các thử nghiệm có kiểm soát sử dụng ống titan loại 2 (đường kính ngoài 12 mm, độ dày thành khác nhau) được ngâm trong 12% NH₄Cl, 3% NH₄HF₂ ở 80 độ với điều kiện khô-ướt theo chu kỳ (ngâm 8 giờ, 4 giờ tiếp xúc với hơi, lặp lại) báo cáo hành vi rỗ sau đây ở bề mặt chất lỏng-hơi:
| Độ dày của tường (mm)|Hệ số nồng độ clorua/florua tại bề mặt|Thời gian bắt đầu khai thác (giờ)|Tỷ lệ nhân giống hố sau khi bắt đầu (mm trên 1000 giờ)|Thời gian thủng (giờ)|Tổng thời gian sử dụng (giờ)|An toàn trong 5000h? |
|---------------------|-------------------------------------------|-------------------------------|-----------------------------------------------------------|-----------------------------|----------------------------|-----------------|
| 0,8|10 – 15×|200 – 350|0,35 – 0,55|500 – 800|700 – 1.150|Không |
| 0,9|10 – 15×|250 – 400|0,30 – 0,48|600 – 900|850 – 1.300|Không |
| 1.0|10 – 15×|300 – 450|0,25 – 0,40|700 – 1.000|1.000 – 1.450|Không |
| 1.1|10 – 15×|350 – 500|0,20 – 0,35|850 – 1.200|1.200 – 1.700|Không |
| 1.2|10 – 15×|400 – 550|0,16 – 0,28|1.000 – 1.400|1.400 – 1.950|Không |
| 1.3|10 – 15×|450 – 600|0,12 – 0,22|1.200 – 1.700|1.650 – 2.300|Không |
| 1.4|10 – 15×|500 – 650|0,09 – 0,18|1.500 – 2.100|2.000 – 2.750|Không |
| 1,5|10 – 15×|550 – 700|0,07 – 0,14|1.800 – 2.500|2.350 – 3.200|Không |
| 1.6|10 – 15×|600 – 750|0,05 – 0,10|2.200 – 3.000|2.800 – 3.750|Có (ngưỡng) |
| 1.8|10 – 15×|650 – 800|0,04 – 0,08|2.800 – 3.800|3.450 – 4.600|Có (an toàn) |
Dữ liệu chứng minh rằng thành 1,6 mm mang lại tuổi thọ sử dụng trung bình khoảng 3.300 giờ, trong khi thành 1,0 mm không hoạt động ở khoảng 1.200 giờ – chênh lệch 2,8 lần. Để có thời gian hoạt động đáng tin cậy 5000 giờ, nên sử dụng 2,0 mm.
**Tại sao phản ứng có tính ăn mòn cao hơn trong dung dịch Fluoride-Clorua**
Bề mặt tiếp xúc hơi{0}}lỏng trong dung dịch florua-clorua mạnh hơn so với dung dịch halogenua đơn. Sự kết hợp giữa clorua và florua tạo ra tác dụng hiệp đồng trong đó florua tấn công màng thụ động trong khi clorua ngăn chặn sự tái thụ động. Hệ số nồng độ 10–15× tại bề mặt có nghĩa là nồng độ clorua cục bộ có thể đạt tới 20–30 M và nồng độ florua 3–5 M. Môi trường bề mặt khắc nghiệt thúc đẩy hiện tượng rỗ, khiến độ dày thành trở thành thông số thiết kế chính cho tuổi thọ bề mặt.
**Kịch bản-Hướng dẫn lựa chọn dựa trên: Độ dày thành cho lò sưởi lọc đất hiếm**
| Điều kiện hoạt động|Tần số chu kỳ giao diện|Độ dày tường khuyến nghị (mm)|Tuổi thọ giao diện dự kiến (giờ)|Biện minh kỹ thuật |
|--------------------|--------------------------|-------------------------------|--------------------------------|----------------------------|
| Lọc tiêu chuẩn, chiến dịch 5000 giờ|bật 8h / tắt 4h|1,8 – 2,0|3.450 – 5.000|Đạt mục tiêu 5000 giờ với biên độ 2,0 mm |
| Extended campaign (>7000 giờ)|bật 8h / tắt 4h|2.0|4.500 – 6.000|Thiết kế thận trọng để có độ tin cậy tối đa |
| Continuous immersion (no level fluctuation) | None | 1.0 – 1.2 | >8.000|Không tấn công giao diện nếu đắm chìm hoàn toàn |
| Đạp xe thường xuyên (thay đổi cấp độ hàng giờ)|Bật 1h / tắt 1h|2,0 – 2,5|3.000 – 4.500|Đạp xe tích cực hơn đòi hỏi phải có bức tường dày hơn |
| Hoạt động-ngắn hạn (<1000 hours) | 8h on / 4h off | 0.9 – 1.0 | 850 – 1,300 | Acceptable for temporary service |
| Vùng giao diện được bảo vệ bằng lớp phủ PTFE|bật 8h / tắt 4h|1,0 – 1,2|6.000 – 8.000|Lớp phủ giúp loại bỏ sự tấn công của chu kỳ khô-ướt |
**Các biện pháp bổ sung để giảm tấn công giao diện**
Ba biện pháp giảm rỗ ở bề mặt tiếp xúc mà không làm tăng độ dày thành. Đầu tiên, duy trì mức dung dịch không đổi bằng cách sử dụng bộ điều khiển mức để giữ cho bộ sưởi luôn được ngâm hoàn toàn; điều này giúp loại bỏ hoàn toàn chu trình-khô ướt. Thứ hai, phủ một lớp phủ PTFE lên vùng tiếp xúc (phần 50–75 mm ở đường chất lỏng); lớp phủ ngăn chặn sự tiếp xúc trực tiếp giữa muối đậm đặc và bề mặt titan, loại bỏ hiệu quả hiện tượng rỗ bề mặt. Thứ ba, nâng cấp lên titan cấp 7 để có thêm khả năng chống lại sự tấn công của clorua-florua kết hợp; cấp 7 có tuổi thọ bề mặt dài hơn khoảng 30–50% so với cấp 2 ở cùng độ dày thành.
**Phần kết luận**
Đối với vỏ bọc titan cấp 2 trong dung dịch lọc đất hiếm amoni clorua 12%, amoni biflorua 3% ở 80 độ, cần có độ dày thành tối thiểu là 1,6 mm để đạt được 5000 giờ sử dụng mà không bị thủng ở bề mặt chất lỏng-hơi, trong khi lớp vỏ 1,0 mm không hoạt động trong vòng 1500 giờ. Bề mặt có hệ số nồng độ 10–15× đối với clorua và florua do chu trình khô{12}ướt, tạo ra tỷ lệ rỗ cao hơn 5–10 lần so với dung dịch khối. Các kỹ sư chỉ định bộ gia nhiệt bằng titan để lọc đất hiếm nên chọn mức tối thiểu là 1,8–2,0 mm cho các chiến dịch tiêu chuẩn kéo dài 5000{21}}giờ, triển khai kiểm soát mức độ hoặc lớp phủ PTFE để loại bỏ sự tấn công vào bề mặt hoặc xem xét titan loại 7 để có thêm biên độ. Thông số kỹ thuật về độ dày thành này ngăn chặn hiện tượng rỗ bề mặt – dạng hư hỏng chủ yếu trong các ứng dụng lọc đất hiếm florua-clorua.
