توسعه پوشش سراميکي مقاوم به خوردگي 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

چکيده به‌منظور افزايش طول عمر و کارايي مخازن ذخيره گوگرد مذاب، نياز به پوشش دهي داخلي اين مخازن کاملاً احساس مي‌شود. بدين منظور در تحقيق حاضر، بر اساس داده‌هاي ترموديناميکي، ترکيبات مقاوم در برابر گوگرد مذاب با استفاده‌ي نمودار الينگهام شامل: CaO، MgO، SiO 2 ، ZrO 2 ، ZrSiO 4 ، SiC و CuO انتخاب گرديد. سپس به‌منظور غربال اوليه نمونه‌ها، نمونه‌هاي تهيه‌شده با استفاده از مواد موردنظر و 7% بايندر سيليکات سديم جامد در گوگرد مذاب به مدت 72 ساعت در دماي 200 درجه سانتي گراد غوطه ور گرديد. بر اساس بررسي سطح مقطع نمونه ها با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني، تعيين ميزان نفوذ و واکنش‌پذيري نمونه ها در فصل مشترک با گوگرد مذاب ، نمونه هاي ZrO 2 ، ZrSiO 4 و SiC به‌عنوان نمونه‌هاي مقاوم انتخاب گرديد. جهت تعيين نوع و درصد بايندر، با استفاده از کاربيد سيليسيم و بايندر هاي مختلف شامل سيليکات سديم جامد و سيليکات سديم مايع و مقادير متفاوتي از آن ها(0%، 10% ، 15% ، 20% و 30%) استفاده شد و آزمون ترشوندگي قطره گوگرد مذاب به‌عنوان معياري جهت مقاومت به خوردگي بر روي نمونه‌ها انجام شد. همچنين تأثير فرآيند حکاکي سطح نمونه‌ها نيز توسط حکاکي به‌وسيله اچ شيميايي مورد بررسي قرار گرفت و آزمون ترشوندگي به‌عنوان معياري جهت بررسي مقاومت به خوردگي بر روي آن انجام گرفت. نتايج نشان داد که با توجه به بالاتر بودن زاويه ترشوندگي نمونه حاوي سيليکات سديم جامد در محدوده دمايي ذوب گوگرد و نگه داري مخازن گوگرد مذاب (115-145 درجه سانتي گراد) و سهولت عملکرد بايندر سيليکات سديم جامد انتخاب گرديد. همچنين 20% بايندر سيليکات سديم جامد به‌عنوان مقدار بهينه تعيين گرديد. افزون بر اين نتايج نشان داد که فرآيند حکاکي، زاويه ترشوندگي را کاهش داده و لذا نمي تواند نقش مفيدي در افزايش مقاومت به خوردگي داشته باشد. در نهايت آزمون هاي تکميلي بر روي نمونه هاي ZrO 2 ، ZrSiO 4 و SiC با استفاده از 20% سيليکات سديم جامد شامل اندازه گيري زاويه ترشوندگي، بررسي مورفولوژي سطح، استحکام فشاري، تست خوردگي بوته و آزمون الکتروشيميايي در گوگرد مذاب صورت گرفت. نتايج نشان داد که مقادير زاويه ترشوندگي براي ترکيبات ZrO 2 ، ZrSiO 4 و SiC در محدوده دمايي (115-145 درجه سانتي گراد) بسيار نزديک به هم بوده است، که خود معياري از مقاومت بالاي اين ترکيبات در برابر خوردگي مذاب در محدوده دماي نگه داري مخازن گوگرد مذاب است. اما در دماهاي بالاتر نمونه‌هاي ZrO2 و ZrSiO 4 پايداري بيشتري داشته و زاويه‌هاي ترشوندگي بالاتري را دارا هستند. علت مشابه بودن زواياي ترشوندگي را مي توان به و جود عنصر مشابه Zr در ترکيبات پايه آن ها نسبت داد. همچنين مقادير به دست آمده براي آزمون استحکام فشاري، ناشي از پيوند سيليکات سديم ايجادشده بين دانه ها و فرآيند پرس بوده که حداکثر استحکام براي نمونه‌هاي ZrO 2 ، ZrSiO 4 و SiC به ترتيب برابر با M Pa63/58 ،M Pa 39/38 و M Pa 15/60 اندازه‌گيري شد، علت بيشتر بودن استحکام ترکيبات ZrSiO 4 و SiC وجود عنصر سيليسيم در ترکيب پايه و اتصال قوي تر با بايندر سيليکات سديم بوده است. پس از قرارگيري بوته هاي حاوي گوگرد گرانوله در دماي 150 درجه سانتي گراد و به مدت زمان 168 ساعت، سطح مقطع آن‌ها به کمک ميکروسکوپ نوري موردبررسي قرار گرفت. در فاصله 10-20 ميکرومتري سطح تماس براي نمونه ZrO 2 تغييرات رنگي مشاهده شد که نشان از واکنش شيميايي ميان گوگرد مذاب و نمونه بوده است. بيشترين مقاومت به خوردگي ترکيبات در تست بوته به ترتيب SiC، ZrSiO 4 و ZrO 2 دارا بوده‌اند. همچنين به منظور بررسي قابليت اعمال پوشش بر روي سطوح فلزي، ترکيبات به روش پوشش دهي دوغابي بر روي سطح فولادي 1018 اعمال شد. پس از آن آزمون پلاريزاسيون پتانسيودايناميک بر روي نمونه ها در گوگرد مذاب صورت گرفت، نتايج نشان داد که نمونه هاي داراي پوشش سراميکي مقاومت بالاتري را نسبت به نمونه ي بدون پوشش دارا هستند، اما رفتار ميله ي فولادي پوشش داده شده با SiC از ساير نمونه ها بهتر بوده و مقاومت به خوردگي بالاتري را از خود نشان مي دهد. مقدار چگالي جريان خوردگي براي ميله هاي پوشش داده شده با اکسيدهاي ZrO 2 ، ZrSiO 4 و SiC به ترتيب برابر با 328/794 ،.81/354 و.308/36 نانوآمپر بر سانتي متر مربع محاسبه شد. جمع بندي نتايج نشان داد که ترکيب کاربيد سيلسيم حاوي 20%سيليکات جامد بدون تغيير در مورفولوژي سطح مي‌تواند به‌عنوان پوشش داخلي مخازن ذخيره سازي گوگرد مذاب در صنايع پتروشيمي و يا به عنوان پوشش سازه هاي بتني در شرايط تماس با گوگرد مذاب مورد استفاده قرار گيرد. کلمات کليدي: مخازن گوگرد مذاب، ترکيبات سراميکي، سيليکات سديم، ترشوندگي، غوطه وري، مقاومت به خوردگي