Kaip karštas koncentruotas nikelio sulfamato tirpalas (60–80 g/l Ni), esant 50–70 laipsnių temperatūrai, pakeičia reikiamą kvarco apvalkalo sienelės storį elektroformavimo ir greitaeigiams dengimo šildytuvams?

Beveik{0}}neutrali druskos aplinka su minimaliu kvarco ataka

Nikelio sulfatas (Ni(SO₃NH₂)₂) yra tinkamiausias elektrolitas elektroformavimui (formų, ekranų ir tiksliųjų komponentų gamybai) ir greitam nikeliavimui, nes jis gali susidaryti mažo-įtempimo nuosėdoms esant dideliam srovės tankiui. Įprastuose tirpaluose yra 60–80 g/l nikelio kaip sulfamato, boro rūgšties (30–40 g/l) – pH buferio ir drėkinamųjų medžiagų, mažinančių duobių susidarymą. Darbinė temperatūra svyruoja nuo 50–70 laipsnių, o pH palaikomas 3,5–4,5, kad būtų išvengta nikelio jonų hidrolizės. Kvarciniai panardinamieji šildytuvai plačiai naudojami nikelio sulfamato voniose, nes lydytas silicio dioksidas puikiai atsparus šiam beveik -neutraliam, ne{14}}oksiduojančiam druskos tirpalui. Sulfamato anijonas (H2NSO₃⁻) yra silpna bazė (konjuguotos rūgšties sulfamo rūgšties pKa ≈ 1,0), o hidrolizė sukuria švelniai rūgštinę aplinką. Tačiau, skirtingai nei chlorido ar fluoro druskos, sulfamatas nesudaro agresyvių kompleksų su siliciu. Pagrindinis susirūpinimas dėl korozijos kyla ne dėl paties sulfato, o dėl teršalų (chlorido, nitratų), kurių gali būti techninės{19}klasės druskose, ir dėl vietinio perkaitimo, dėl kurio sulfamatas gali suskaidyti ir susidaryti amonio bisulfatas. Be to, boro rūgštis (esanti kaip buferis) yra labai švelni kvarco atžvilgiu. Ši analizė kiekybiškai įvertina, kaip nikelio sulfamato koncentracija, temperatūra (50–70 laipsnių) ir vonios grynumas veikia vienodą lydyto silicio dioksido korozijos greitį. Išvestas reikalingas kvarco apvalkalo sienelės storis, kad būtų pasiekti praktiniai elektroformavimo ir dengimo šildytuvų priežiūros intervalai (5 000–20 000 valandų), taip pat storesnių sienų šiluminė žala šiame vidutinio klampumo, didelio tankio elektrolite.

Lydyto silicio dioksido korozijos kinetika karštame nikelio sulfamate: nereikšminga ataka

Nikelio sulfamato tirpalai yra labai nekenksmingi lydytam silicio dioksidui. Šviežiai paruošto tirpalo pH yra 3,5–4,5, palaikomas boro rūgšties. Esant pH 3,5–4,5, laisvojo H⁺ koncentracija yra nuo 3×10⁻⁵ iki 3×10⁻⁴ M, o tai yra per maža, kad sukeltų išmatuojamą rūgšties ataką kvarcui. Sulfamato anijonas nesudaro silicio chelato ir nedalyvauja nukleofiliniame atakoje. Nikelio jonas (Ni²⁺) nehidrolizuojasi, kai pH 3,5–4,5, todėl hidroksido -sukeltas ataka neįvyksta. Todėl vienodas kvarco korozijos greitis nikelio sulfamate 60 laipsnių kampu yra mažesnis nei 0,00002 mm/val{18}}iš esmės neišmatuojamas praktiškai.

Panardinus didelio-grynumo lydyto kvarco standartiniame nikelio sulfamato elektrolite (75 g/l Ni, 40 g/l H₃BO₃, pH 4,0) 60 laipsnių temperatūroje 5 000 valandų nepastebėta svorio netekimo ar paviršiaus šiurkštėjimo. Korozijos greitis yra toks mažas, kad tai neturi įtakos šildytuvo konstrukcijai. Korozijos požiūriu 1,5 mm kvarcinis apvalkalas teoriškai tarnautų milijonus valandų. Todėl nikelio sulfamato gedimo mechanizmai yra ne cheminiai, o fiziniai: terminis įtempis dėl terminio ciklo, mechaniniai pažeidimai dėl dalių tvarkymo ir nuosėdų susidarymas dėl vonios skilimo produktų.

Chloridiniai teršalai (įprasta techninio -nikelio sulfato priemaiša) gali pakeisti korozijos elgesį. Didesnės nei 50 ppm chlorido koncentracijos gali sukelti kai kurių metalų duobių atsiradimą, tačiau kvarcas yra atsparus chloro poveikiui, kai pH yra 3,5–4,5. Tačiau jei chlorido lygis viršija 500 ppm ir pH nukrenta dėl netinkamos vonios priežiūros, gali atsirasti vietinis priepuolis. Tinkamai prižiūrimose voniose (chloridas<50 ppm), quartz corrosion is negligible.

Sulfamato skilimo nuosėdų susidarymas

Dažniausia kvarco šildytuvo gedimo priežastis naudojant nikelio sulfatą yra ne korozija, o skilimo produktų kaupimasis. Aukštesnėje temperatūroje (ypač aukštesnėje nei 70 laipsnių) sulfatas hidrolizuojasi: H₂NSO₃⁻ + H₂O → HSO₄⁻ + NH4⁺. Pagamintas amonio bisulfatas yra rūgštus ir gali sumažinti vietinį pH. Dar svarbiau, kad amonio jonai gali susijungti su boro rūgštimi ir sudaryti lakiuosius boro junginius, kurie kondensuojasi ant vėsesnių paviršių. Skilimo produktai gali sudaryti plonas baltas nuosėdas ant kvarco paviršiaus. Šios nuosėdos yra šiek tiek izoliuojančios, tačiau paprastai nesukelia karštų dėmių, kurios gali pažeisti kvarcą. Ekstremaliais atvejais (netinkama vonios priežiūra, temperatūros pokyčiai virš 80 laipsnių), nuosėdos gali tapti pakankamai storos, kad sumažintų šilumos perdavimą. Reguliarus vonios apdorojimas anglimi pašalina skilimo produktus.

Menisko zona yra pažeidžiama boro rūgšties ir nikelio druskų kristalizacijos. Boro rūgšties tirpumas šaltame vandenyje yra ribotas ir gali kristalizuotis ant viršutinio apvalkalo, jei skysčio lygis svyruoja. Šie kristalai nėra koroziniai, tačiau juos gali būti sunku pašalinti. Išlaikant pastovų skysčio lygį arba naudojant garų skydą, menisko kristalizacija neleidžiama. Poliruotas kvarco paviršius sumažina kristalų sukibimą.

Kaip sienos storis keičia nikelio sulfamato šildytuvų tarnavimo laiką

Kadangi cheminė korozija yra nereikšminga, sienelės storis parenkamas ne pagal korozijos ribą. Vietoj to, storis pasirenkamas atsižvelgiant į mechaninį stiprumą, atsparumą šiluminiam įtempimui dėl terminio ciklo (dažnai eksploatacijos metu kaitinamos vonios, o tuščiosios eigos metu leidžiama atvėsti) ir lengvą valymą. Standartinis 1,5–2,0 mm kvarcinio šildytuvo sienelių storis yra tinkamas daugeliui nikelio sulfamato naudojimo būdų. Storesnės sienos (2,5–3,0 mm) suteikia didesnį atsparumą šiluminiam smūgiui, jei šildytuvas veikia sparčiais temperatūros pokyčiais, tačiau taip pat padidina šiluminę nuobaudą ir apsunkina šildytuvą. Elektroformuojant, kai labai svarbus tikslumas ir vienoda temperatūra, pirmenybė teikiama plonoms sienelėms (1,5 mm), kad būtų užtikrintas greitas šiluminis atsakas. Didelės spartos dengimo linijose, kuriose šildytuvai veikia nuolat, 2,0 mm sienelės užtikrina gerą patvarumo ir šilumos perdavimo pusiausvyrą.

Vonioms, kuriose šildytuvas yra veikiamas mechaninio įtempimo (pvz., dėl judančių dalių ar agresyvaus maišymo), storesnė sienelė (2,5 mm) sumažina lūžimo riziką.

Storesnių sienelių terminis poveikis nikelio sulfamato tirpaluose

Nikelio sulfamato tirpalų, kurių temperatūra yra 60 laipsnių ir 75 g/l Ni, šilumos laidumas yra maždaug 0,55–0,60 W/(m·K)-, panašus į vandens. Tankis 1,10–1,15 g/cm³, klampumas 1,0–1,5 cP. Konvekciniai šilumos perdavimo koeficientai maišomuose dengimo rezervuaruose svyruoja nuo 600 iki 1200 W/(m²·K). 1,5 mm sienai R_cond=0.00109 m²·K/W; 3,0 mm sienai, R_kond=0.00217. Su h=800 W/(m²·K), R_riba=0.00125. Bendra varža 1,5 mm=0.00234 → U=427 W/(m²·K); 3,0 mm=0.00342 → U=292 W/(m²·K), sumažinimas 32 %. Ši bauda yra didelė. Kadangi korozija yra nereikšminga, reikia pasirinkti ploniausią praktinę sieną, užtikrinančią tinkamą mechaninį stiprumą, -paprastai 1,5–2,0 mm.

Scenarijus-Pagrįsta kvarco apvalkalo sienelės storio pasirinkimo matrica karšto nikelio sulfamato tarnyboje

Papildomi dizaino pakeitimai:Reguliarus anglies apdorojimas pašalina skilimo produktus. Išlaikant pH 3,8–4,2 sulfamo rūgštimi arba nikelio karbonatu, išvengiama pH pokyčių. Geras maišymas apsaugo nuo vietinio perkaitimo. Poliruotas kvarco paviršius sumažina nuosėdų sukibimą.