بهترین استیل برای کار با اسید سولفوریک

«برای مخزن اسید سولفوریک چه استیلی بخرم؟» این سؤال کوتاه، پاسخ کوتاهی ندارد. چرا که گریدهای مختلف استنلس استیل در دماها و غلظت‌های متفاوت اسید سولفوریک واکنش‌های متفاوتی دارند و باید قبل از خرید مخزن و تجهیزات استیل برای محیط حاوی اسید سولفوریک، برخی پارامترها بررسی شوند. برای مثال گرید 316L که در خط انتقال اسید ۹۶ درصد بیست سال دوام می‌آورد، در مخزن اسید ۲۰ درصدِ داغ، ظرف چند ماه دچار خوردگی می‌شود.

پس سؤال درست این است: اسید سولفوریک با چه غلظتی، در چه دمایی، با چه میزان ناخالصی و با چه سرعتی مد نظر است؟ این مقاله اول همین چهار متغیر را باز می‌کند و بعد نشان می‌دهد هر کدام از پنج گرید رایج استنلس استیل در کجای این تصویر می‌نشینند.

چرا یک گرید واحد وجود ندارد؟

مقاومت استنلس استیل در گرو یک لایۀ بسیار نازک اکسید کروم روی سطح است. هر شرایطی که این لایه را بردارد و اجازۀ بازسازی‌اش را ندهد، استیل را بی‌دفاع می‌کند. اسید سولفوریک بسته به غلظت می‌تواند هم عامل تحکیم این لایهٔ محافظ باشد و هم باعث از بین بردن آن شود.

در غلظت کم و متوسط، اسید سولفوریک احیایی عمل می‌کند. لایۀ اکسید کروم پس از هر آسیب دیرتر ترمیم می‌شود و خوردگی به‌صورت یکنواخت روی کل سطح پیش می‌رود. این همان حالتی است که ضخامت ورق را آرام و بدون علامت مشهود کم می‌کند.

اما در غلظت‌های حدود ۹۰ درصد به بالا، رفتار اسید عوض می‌شود و خاصیت اکسیدکننده پیدا می‌کند. روی سطح فولاد لایه‌ای از سولفات آهن می‌نشیند که خودش جلوی پیشروی خوردگی را می‌گیرد. استاندارد NACE RP0391 دقیقاً به همین دلیل فولاد کربنی را برای نگهداری اسید سولفوریک تجاری ۹۰ تا ۱۰۰ درصد در دمای محیط می‌پذیرد.

نکتۀ مهم این است که حالت دوم پایدار نیست و در برخی از  آزمون‌های خوردگی، کاهش غلظت از ۱۰۰ درصد به حدود ۹۸ درصد نرخ خوردگی را تا ۳۵ برابر افزایش داده است. تجهیزی که در شرایط اسمی امن است، با یک اختلال کوچک در فرایند، وارد وضعیت کاملاً متفاوتی می‌شود.

به همین دلیل انتخاب گرید بر اساس عبارت «اسید سولفوریک» معنا ندارد و باید بر اساس شرایط دقیق محیط کار انجام شود.

چهار پارامتر که انتخاب متریال را ساده‌تر می‌کند

1. غلظت: مبنای غلظت باید بدترین حالت باشد، نه حالت اسمی! اگر جایی در فرایند آب یا اسید رقیق به جریان اضافه می‌شود، غلظت موضعی همان نقطه ملاک انتخاب گرید است، نه غلظت انبار.
2. دما: دما اغلب از غلظت تعیین‌کننده‌تر است. گریدی که در ۲۵ درجه پایدار است ممکن است در ۷۰ درجه و در همان غلظت اصلاً قابل استفاده نباشد. برای گریدهای آستنیتی، عبور از حدود ۶۰ درجه در حضور کلراید یک مرز جدی است.
3. ناخالصی: کلراید بدترین همراه اسید است؛ لایۀ غیرفعال را به‌صورت نقطه‌ای می‌شکند و کار را به حفره‌دار شدن و ترک‌خوردگی تنشی می‌کشاند. در مقابل، یون‌های اکسیدکننده مثل Fe³⁺ و Cu²⁺ اثر معکوس دارند و می‌توانند شرایط را برای استنلس استیل بهتر کنند. دو محلول با غلظت یکسان ولی ناخالصی متفاوت، مستلزم دو انتخاب متریال کاملاً متفاوت هستند.
4. سرعت جریان: لایۀ محافظ فولادهای کربنی در برابر سایش هیدرودینامیکی دوام زیادی ندارد. در اسید غلیظ، فولاد کربنی معمولاً تا حدود 0.6 متر بر ثانیه کار می‌کند و بالاتر از آن نوبت استیل 316L است.

پنج گرید و جایگاه واقعی هر کدام

استیل  گرید 304L

این آلیاژ همان 18/8 آشنا با کربن پایین است. استیل 304 مولیبدن ندارد و همین دامنۀ کاربردش را کم می‌کند: یعنی برای اسید بسیار رقیق و سرد، یا اسید بسیار غلیظ در دمای محیط و سرعت پایین مناسب است. در فاصلۀ میان این دو، نرخ خوردگی از حد قابل قبول عبور می‌کند و موجب آسیب‌های جدی می‌شود. حرف L هم خیلی مهم است. کربن پایین از حساس‌شدن ناحیۀ متأثر از حرارت جوش جلوگیری می‌کند و در سرویس اسید تقریباً همیشه خط جوش اولین جایی است که خراب می‌شود. صرفه‌جویی روی گرید معمولی 304 در این کاربرد، صرفه‌جویی درستی نیست!

استیل گرید 430

استنلس استیل فریتی با حدود 16 تا 18 درصد کروم، بدون نیکل و بدون مولیبدن است. نبود نیکل باعث می‌شود در محیط احیایی نتواند لایۀ غیرفعال خود را نگه دارد و نبود مولیبدن مقاومت موضعی را از آن می‌گیرد.

جای درست گرید 430 محیط‌های خشک و با خورندگی کمتر است؛ پنل‌های لوازم خانگی، تجهیزات آشپزخانه و  کاربردهای تزئینی. این گرید برای اسید سولفوریک در هیچ غلظت و دمایی گزینۀ قابل دفاعی نیست. تنها انگیزۀ انتخابش قیمت پایین‌تر است و در سرویس اسید، این صرفه‌جویی معمولاً ظرف چند ماه به هزینۀ تعویض تبدیل می‌شود. حتی برای قطعات جانبی هم توصیه نمی‌شود، چون بخار اسید و ترشح موضعی برای شروع خوردگی روی 430 کافی است.

استیل گرید 316L

با حدود 2 تا 3 درصد مولیبدن، 316L در برابر اسیدهای احیایی به‌مراتب از 304L بهتر عمل می‌کند و به همین دلیل در صنایع با کاربرد اسید سولفوریک پرکاربرد است. اما نه در همۀ نقاط فرایند.

جایگاه جاافتاده‌اش خطوط انتقال اسید غلیظ است، همان‌جا که سرعت جریان از حد مجاز فولادهای کربنی بالاتر می‌رود. در غلظت‌های پایین‌تر از حدود ۸۵ درصد، استفاده از آن توصیه نمی‌شود و اگر دما هم بالا باشد نرخ خوردگی‌اش می‌تواند به چند میلی‌متر در سال برسد. برای ورق مخزن، چنین عددی یعنی باید  از همان روز اول برای تعویض مخزن برنامه‌ریزی کنید.

استیل گرید 904L

این آلیاژ سوپرآستنیتی دارای ترکیب تقریبی 20 درصد کروم، 25 درصد نیکل، 4.5 درصد مولیبدن و 1 تا 2 درصد مس است. مس در این آلیاژ عنصر کلیدی است؛ همان چیزی که مقاومت در اسیدهای احیایی را می‌سازد و 904L را از 316L و 2205 جدا می‌کند.

904L از ابتدا برای محیط‌های حاوی اسید سولفوریک رقیق توسعه داده شده است و از معدود استیل‌هایی است که تا دمای حدود ۳۵ درجه در تمام بازه‌های غلظتی از  ۰ تا ۱۰۰ درصد مقاومت کامل نشان می‌دهد. در غلظت‌های تا حدود ۸۰ درصد و دمای زیر ۴۰ درجه، نرخ خوردگی‌اش زیر 0.1 میلی‌متر در سال می‌ماند؛ 316L و 2205 در همان شرایط می‌توانند در محدودۀ 1 تا 5 میلی‌متر در سال قرار بگیرند.

محدودیتش هم روشن است. 904L آلیاژی آستنیتی است و مثل بقیۀ آستنیتی‌ها در حضور کلراید و دمای بالای حدود ۶۰ درجه در معرض ترک خوردگی تنشی قرار می‌گیرد. قیمتش هم فاصلۀ زیادی با 316L دارد، پس منطق انتخابش وقتی درست درمی‌آید که هزینۀ توقف تولید و تعویض تجهیز هم وارد محاسبه شود.

داپلکس 2205 و سوپرداپلکس 2507

داپلکس‌ها ساختار دوفازی فریتی-آستنیتی دارند. 2205 با حدود 22 درصد کروم، 5 درصد نیکل، 3 درصد مولیبدن و نیتروژن، دو مزیت مشخص به ارمغان می‌آورد.

اول استحکام؛ تنش تسلیم داپلکس حدود دو برابر گریدهای آستنیتی معمول است و برای مخزن اسید سولفوریک این یعنی ورق نازک‌تر و وزن سازۀ کمتر، که بخشی از اختلاف قیمت هر کیلوگرم را جبران می‌کند.

دوم رفتار در برابر کلراید؛ فاز فریتی در برابر ترک خوردگی تنشی کلرایدی تقریباً مصون است، یعنی همان‌جایی که آستنیتی‌ها کم می‌آورند. در اسید سولفوریک آلوده به کلراید، 2205 عملکردی به‌مراتب بهتر از 316L و نزدیک به 904L دارد.

در اسید تمیز و در شرایط احیایی اما 2205 مس ندارد و به 904L نمی‌رسد. خلاصه‌اش این است: داپلکس استحکام و مقاومت به کلراید می‌آورد، 904L مقاومت به اسید احیایی. اگر هر دو را همزمان لازم دارید، سوپرداپلکس 2507 با PREN بالاتر گزینۀ بعدی است. در آزمون خوردگی شکافی در اسید سولفوریک داغ کلرایددار، 2507 تنها آلیاژی بوده که در شرایط آزمون دچار خوردگی نشده است، در حالی که 904L و 2205 با PREN تقریباً برابر، رفتارهای متفاوتی نشان داده‌اند.

جدول مقایسه

چهار سناریوی واقعی

1. نگهداری اسید ۹۳ تا ۹۸ درصد در دمای محیط: فولاد کربنی متریال استاندارد و اقتصادی این سرویس است، مشروط به کنترل سرعت جریان. اما استنلس استیل وقتی وارد می‌شود که آلودگی محصول با آهن اهمیت داشته باشد؛ آن‌وقت 316L یا 904L انتخاب‌های مناسبی هستند.
2. اسید رقیق، خطوط اسیدشویی، اسید باتری: دشوارترین سناریو همین است. 904L گزینۀ اول است و اگر دما هم بالا باشد، مخزن با پوشش داخلی لاستیک یا PTFE از نظر اقتصادی منطقی‌تر درمی‌آید.
3. هیدرومتالورژی و فرایندهای لیچینگ: ترکیب اسید داغ، اکسیژن، کلراید و یون‌های فلزی سنگین‌ترین شرایط ممکن است. سوپرداپلکس 2507 یا آلیاژهای پایه نیکل گزینهٔ بسیار مناسبی هستند و در همۀ موارد باید آزمون خوردگی روی نمونۀ محلول واقعی انجام شود.
4. خطوط انتقال با سرعت بالا: اینجا ملاک سرعت است، نه فقط غلظت. با بالا رفتن سرعت، انتخاب‌های معقول  316L، سپس آلیاژ 20(Alloy 20) و بعد لوله‌های با پوشش داخلی هستند.

کاربرد اسید سولفوریک در معادن مس و فرایند لیچینگ

یکی از مهم‌ترین کاربردهای اسید سولفوریک در صنعت معدن، به‌خصوص در معادن مس اکسیدی، استفاده از آن در فرایند لیچینگ (Leaching) برای استخراج مس است. در این روش، محلول اسید سولفوریک روی توده سنگ معدن پاشیده می‌شود و با حل کردن کانی‌های اکسیدی مس، یون‌های مس را وارد محلول می‌کند. سپس محلول غنی‌شده از مس (PLS) برای مراحل بعدی مانند استخراج با حلال و الکترووینینگ (Electrowinning) به واحدهای فرآوری منتقل می‌شود. در این فرایند، اسید سولفوریک تنها یک ماده مصرفی نیست؛ بلکه یکی از عوامل اصلی کنترل‌کننده سرعت انحلال مس و بازدهی استخراج محسوب می‌شود.

شرایط کاری تجهیزات در مدارهای لیچینگ مس معمولاً بسیار خورنده است. محلول‌های اسیدی در کنار دمای بالا، حضور یون‌های کلراید، سولفات‌ها، اکسیژن محلول و یون‌های فلزی مختلف، محیطی ایجاد می‌کنند که بسیاری از فلزات معمولی در مدت کوتاهی دچار خوردگی می‌شوند. به همین دلیل در بخش‌هایی مانند خطوط انتقال محلول اسیدی، لوله‌های گردش محلول، تجهیزات مبدل حرارتی و بخش‌هایی که آلودگی محصول با آهن اهمیت دارد، استفاده از استنلس استیل‌های مقاوم به خوردگی مانند 316L، 904L، داپلکس‌ها و در شرایط سخت‌تر آلیاژهای پایه نیکل مورد بررسی قرار می‌گیرد. البته انتخاب گرید باید بر اساس آنالیز واقعی محلول لیچینگ، دما و سرعت جریان انجام شود و نمی‌توان صرفاً به دلیل وجود اسید سولفوریک یک گرید مشخص را برای تمام تجهیزات توصیه کرد.

اشتباه‌های رایج

انتخاب بر اساس نام گرید: «مخزن استیل 316 می‌خواهم» بدون مشخص کردن غلظت، دما و ناخالصی یک درخواست ناقص است. همان 316L در دو نقطۀ مختلف یک کارخانه می‌تواند بیست سال کار کند یا شش ماه.

نادیده گرفتن نقطۀ رقیق‌سازی: هر جایی که غلظت افت می‌کند، شرایط از حالت اکسیدکننده به حالت احیایی می‌رود و معمولاً همان‌جا اولین نشتی اتفاق می‌افتد.

بی‌توجهی به خط جوش: در سرویس اسید، ناحیۀ متأثر از حرارت ضعیف‌ترین بخش سازه است. گرید کربن‌پایین، فیلر متناسب با گرید پایه، و اسیدشویی و غیرفعال‌سازی پس از جوش، شرط‌های حداقلی کارکرد درست‌اند.

خرید بدون گواهی متریال: نیم درصد اختلاف مولیبدن یا نبود مس در آنالیز، مستقیماً روی عمر تجهیز اثر می‌گذارد. گواهی EN 10204 3.1 همراه با آنالیز شیمیایی ذوب، حداقل مستندی است که باید داشته باشید.

سخن آخر

انتخاب استنلس استیل مناسب اسید سولفوریک با اسم گرید شروع نمی‌شود، با چهار عدد برای ۴ شاخص شروع می‌شود: غلظت، دما، ناخالصی و سرعت جریان. وقتی این چهار عدد روی میز باشد، 430 خودبه‌خود کنار می‌رود، 304L به دو انتهای بازۀ غلظت محدود می‌شود، 316L جای مشخصش را در اسید غلیظ پیدا می‌کند، 904L بازۀ رقیق تا متوسط را پوشش می‌دهد و داپلکس وقتی وارد می‌شود که کلراید یا دمای بالا در میان باشد.

استیل رخ تأمین‌کنندۀ ورق، پروفیل، اتصالات و لوله استنلس استیل در گریدهای 304L، 316L، 904L و داپلکس است. مشخصات محیط کاری حاوی اسید سولفوریک خود را برای ما بفرستید تا در انتخاب گرید و ضخامت کنارتان باشیم و متریال را همراه با گواهی آنالیز تحویل بگیرید.

منابع

۱. Sandmeyer Steel Company, Alloy 904L Technical Data: دادۀ مربوط به مقاومت 904L در کل بازۀ غلظت ۰ تا ۱۰۰ درصد تا دمای ۳۵ درجه و مقایسه با 316L و 317LMN. https://www.sandmeyersteel.com/alloy-904l/

۲. Duplex Stainless Steel Data Sheet (LDX 2101, 2304, 2205, 2507): دیاگرام‌های ایزوکورژن 0.1 mm/y در اسید سولفوریک و مقایسۀ رفتار 2205 با 316L و 904L در اسید کلرایددار. https://www.sandmeyersteel.com/wp-content/uploads/DuplexSellSheet-01-12.pdf

۳. Crevice Corrosion of Stainless Steels 904L, 2205, and 2507 in High-Temperature Sulfuric Acid Solution Containing Chlorides: Influence of Metal Cations: بررسی خوردگی شکافی سه آلیاژ در اسید سولفوریک داغ حاوی کلراید و یون‌های Fe³⁺، Cu²⁺ و Fe²⁺. https://www.researchgate.net/publication/320093582_Crevice_Corrosion_of_Stainless_Steels_904L_2205_and_2507_in_High-Temperature_Sulfuric_Acid_Solution_Containing_Chlorides_Influence_of_Metal_Cations

استاندارد مرجع برای مخازن اسید غلیظ: NACE RP0391، Materials for the Handling and Storage of Commercial Concentrated (90 to 100%) Sulfuric Acid at Ambient Temperatures.