توسعه پوشش سرامیکی مقاوم به خوردگی در برابر گوگرد مذاب

STUDENT

DEGREE

YEAR

Coating the interior of molten sulfur storage tanks is required for increasing the lifetime and performance of them. For this reason, in the current research, according to the thermodynamic data, the constituent's resistant to molten sulfur have been selected using the Ellingham graphs including CaO, MgO, SiO 2 , ZrO 2 , ZrSiO 4 , SiC, CuO. The specimens have been prepared using the mentioned constituents and sodium silicate (7wt%) as a binder and dipped in molten sulfur at 200C for 72 hours. The cross section of the specimens has been studied using scanning electron microscopy and the penetration of molten sulfur in the specimens has been investigated. According to the micrographs, ZrO 2 , ZrSiO 4 and SiC have been passed the conditions. For determining the type and the content of the binder, the SiC powder and different amounts of (0%,10%, 15%, 20% and 30%) binders (liquid and solid sodium silicate), has been used and the contact angle of molten sulfur on the prepared specimens has been selected as a criterion for corrosion resistance against molten sulfur. In addition, the effect of surface etching of the specimens on the contact angle has been studied. The results obtained revealed that the specimen prepared using the SiC and 20wt% solid sodium silicate has the highest contact angle in the range of 115-145C. The results revealed that the surface etching has decreased the contact angle and could not be a preferred proce for increasing the corrosion resistance against molten sulfur. At last, the complement experiments of contact angle measurements, surface morphology, molten sulfur corrosion of crucibles and electrochemical tests of coatings in molten sulfur on ZrO 2 , ZrSiO 4 and SiC using 20wt% solid sodium silicate has been shown that the contact angle of these specimens in the range of 115-145C are very close to each other, but in the higher temperatures, the ZrO 2 and ZrSiO 4 are more stable, having higher contact angles and so higher stability against molten sulfur. The presence of Zr in both compositions could be the reason for similarity of contact angles in ZrO 2 and ZrSiO 4 . In addition, the compression strength results were 58.63, 38.39, and 60.15 of ZrO 2 , ZrSiO 4 and SiC respectively and could be due to sodium silicate binding and pressing process. The presence of silicon in the composition of SiC and ZrSiO 4 and its forceful binding with sodium silicate was the reason for highest strength of these compositions. The crucibles contain granulated sulfur have been put in the furnace for 168 hours in 150 C and their cross section has been investigated. In the ZrO 2 crucibles, there is color change on the inner surface regarding to chemical reaction with molten sulfur in the 10-20 micrometer of the inner surface. The highest corrosion resistance in the crucible test was in the order of SiC, ZrSiO 4 and ZrO2. The corrosion resistance of coated metallic samples with the compositions of SiC, ZrSiO 4 and ZrO 2 has been studied using potentiodynamic polarization tests in molten sulfur. The results obtained revealed that the corrosion rate of the coated samples with ZrO 2 , ZrSiO 4 and SiC were 7.94E-7, 3.54E-7 and 3.63E-8 A/cm 2 respectively. The current research has been shown that use of SiC with the 20 wt% solid sodium silicate would be a good candidate for lining the interior of the molten sulfur storage tanks in the petrochemical industries. Keywords: Molten Sulfur Storage; Ceramic Compounds; Sodium Silicate; Wetting Angle; Immersion; Corrosion Resistance to Molten Sulfur

به‌منظور افزایش طول عمر و کارایی مخازن ذخیره گوگرد مذاب، نیاز به پوشش دهی داخلی این مخازن کاملاً احساس می‌شود. بدین منظور در تحقیق حاضر، بر اساس داده‌های ترمودینامیکی، ترکیبات مقاوم در برابر گوگرد مذاب با استفاده‌ی نمودار الینگهام شامل: CaO، MgO، SiO 2 ، ZrO 2 ، ZrSiO 4 ، SiC و CuO انتخاب گردید. سپس به‌منظور غربال اولیه نمونه‌ها، نمونه‌های تهیه‌شده با استفاده از مواد موردنظر و 7% بایندر سیلیکات سدیم جامد در گوگرد مذاب به مدت 72 ساعت در دمای 200 درجه سانتی گراد غوطه ور گردید. بر اساس بررسی سطح مقطع نمونه ها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی، تعیین میزان نفوذ و واکنش‌پذیری نمونه ها در فصل مشترک با گوگرد مذاب ، نمونه های ZrO 2 ، ZrSiO 4 و SiC به‌عنوان نمونه‌های مقاوم انتخاب گردید. جهت تعیین نوع و درصد بایندر، با استفاده از کاربید سیلیسیم و بایندر های مختلف شامل سیلیکات سدیم جامد و سیلیکات سدیم مایع و مقادیر متفاوتی از آن ها(0%، 10% ، 15% ، 20% و 30%) استفاده شد و آزمون ترشوندگی قطره گوگرد مذاب به‌عنوان معیاری جهت مقاومت به خوردگی بر روی نمونه‌ها انجام شد. همچنین تأثیر فرآیند حکاکی سطح نمونه‌ها نیز توسط حکاکی به‌وسیله اچ شیمیایی مورد بررسی قرار گرفت و آزمون ترشوندگی به‌عنوان معیاری جهت بررسی مقاومت به خوردگی بر روی آن انجام گرفت. نتایج نشان داد که با توجه به بالاتر بودن زاویه ترشوندگی نمونه حاوی سیلیکات سدیم جامد در محدوده دمایی ذوب گوگرد و نگه داری مخازن گوگرد مذاب (115-145 درجه سانتی گراد) و سهولت عملکرد بایندر سیلیکات سدیم جامد انتخاب گردید. همچنین 20% بایندر سیلیکات سدیم جامد به‌عنوان مقدار بهینه تعیین گردید. افزون بر این نتایج نشان داد که فرآیند حکاکی، زاویه ترشوندگی را کاهش داده و لذا نمی تواند نقش مفیدی در افزایش مقاومت به خوردگی داشته باشد. در نهایت آزمون های تکمیلی بر روی نمونه های ZrO 2 ، ZrSiO 4 و SiC با استفاده از 20% سیلیکات سدیم جامد شامل اندازه گیری زاویه ترشوندگی، بررسی مورفولوژی سطح، استحکام فشاری، تست خوردگی بوته و آزمون الکتروشیمیایی در گوگرد مذاب صورت گرفت. نتایج نشان داد که مقادیر زاویه ترشوندگی برای ترکیبات ZrO 2 ، ZrSiO 4 و SiC در محدوده دمایی (115-145 درجه سانتی گراد) بسیار نزدیک به هم بوده است، که خود معیاری از مقاومت بالای این ترکیبات در برابر خوردگی مذاب در محدوده دمای نگه داری مخازن گوگرد مذاب است. اما در دماهای بالاتر نمونه‌های ZrO2 و ZrSiO 4 پایداری بیشتری داشته و زاویه‌های ترشوندگی بالاتری را دارا هستند. علت مشابه بودن زوایای ترشوندگی را می توان به و جود عنصر مشابه Zr در ترکیبات پایه آن ها نسبت داد. همچنین مقادیر به دست آمده برای آزمون استحکام فشاری، ناشی از پیوند سیلیکات سدیم ایجادشده بین دانه ها و فرآیند پرس بوده که حداکثر استحکام برای نمونه‌های ZrO 2 ، ZrSiO 4 و SiC به ترتیب برابر با M Pa63/58 ،M Pa 39/38 و M Pa 15/60 اندازه‌گیری شد، علت بیشتر بودن استحکام ترکیبات ZrSiO 4 و SiC وجود عنصر سیلیسیم در ترکیب پایه و اتصال قوی تر با بایندر سیلیکات سدیم بوده است. پس از قرارگیری بوته های حاوی گوگرد گرانوله در دمای 150 درجه سانتی گراد و به مدت زمان 168 ساعت، سطح مقطع آن‌ها به کمک میکروسکوپ نوری موردبررسی قرار گرفت. در فاصله 10-20 میکرومتری سطح تماس برای نمونه ZrO 2 تغییرات رنگی مشاهده شد که نشان از واکنش شیمیایی میان گوگرد مذاب و نمونه بوده است. بیشترین مقاومت به خوردگی ترکیبات در تست بوته به ترتیب SiC، ZrSiO 4 و ZrO 2 دارا بوده‌اند. همچنین به منظور بررسی قابلیت اعمال پوشش بر روی سطوح فلزی، ترکیبات به روش پوشش دهی دوغابی بر روی سطح فولادی 1018 اعمال شد. پس از آن آزمون پلاریزاسیون پتانسیوداینامیک بر روی نمونه ها در گوگرد مذاب صورت گرفت، نتایج نشان داد که نمونه های دارای پوشش سرامیکی مقاومت بالاتری را نسبت به نمونه ی بدون پوشش دارا هستند، اما رفتار میله ی فولادی پوشش داده شده با SiC از سایر نمونه ها بهتر بوده و مقاومت به خوردگی بالاتری را از خود نشان می دهد. مقدار چگالی جریان خوردگی برای میله های پوشش داده شده با اکسیدهای ZrO 2 ، ZrSiO 4 و SiC به ترتیب برابر با 328/794 ،.81/354 و.308/36 نانوآمپر بر سانتی متر مربع محاسبه شد. جمع بندی نتایج نشان داد که ترکیب کاربید سیلسیم حاوی 20%سیلیکات جامد بدون تغییر در مورفولوژی سطح می‌تواند به‌عنوان پوشش داخلی مخازن ذخیره سازی گوگرد مذاب در صنایع پتروشیمی و یا به عنوان پوشش سازه های بتنی در شرایط تماس با گوگرد مذاب مورد استفاده قرار گیرد. کلمات کلیدی: مخازن گوگرد مذاب، ترکیبات سرامیکی، سیلیکات سدیم، ترشوندگی، غوطه وری، مقاومت به خوردگی