В цехе металлообработки заменили вышедший из строя погружной нагреватель из ПТФЭ на кварцевый агрегат аналогичной мощности и размеров. Кварцевый нагреватель был дешевле и обеспечивал лучшую теплопередачу. Он продержался одиннадцать дней в горячей щелочной очищающей ванне при температуре 75 градусов, прежде чем трубка протравилась и элемент закоротился. Неисправность не является производственным дефектом. Кварц и щелочная химия принципиально несовместимы.
Кварц-плавленый кварц- – превосходный материал для работы в кислой среде. Он устойчив к большинству минеральных кислот, обладает хорошей термостойкостью и эффективно передает инфракрасную энергию. Эти свойства делают его популярным выбором для кислотных ванн, особенно в полупроводниковых и лабораторных приложениях. Но кварц — это кремнезем, а кремнезем растворяется в щелочных растворах. Скорость растворения увеличивается с увеличением температуры, pH и времени. В горячей щелочной ванне для очистки расходуется кварц.
Химия растворения кварца
Кварц – это диоксид кремния (SiO₂). В присутствии гидроксид-ионов (OH⁻) кремнезем растворяется с образованием растворимого силиката:
SiO₂ + 2OH⁻ → SiO₃²⁻ + H₂O
Реакция протекает медленно при комнатной температуре и нейтральном pH. При 75 градусах и pH 12 и выше оно протекает стабильно. Кварцевая трубка со стенкой 2 мм в горячей щелочной ванне может потерять 0,1–0,3 мм в месяц. Истончение сначала равномерное, затем ускоряется по мере ослабления стенки. Отказ происходит, когда трубка больше не может выдерживать термические и механические нагрузки в процессе эксплуатации.
Погружные нагреватели из ПТФЭ не вступают в реакцию с гидроксид-ионами. Полимер инертен по отношению к гидроксиду натрия, гидроксиду калия и другим щелочным соединениям во всех промышленных концентрациях и температурах. Нагреватель из ПТФЭ в той же щелочной ванне прослужит годы, а не дни.
| Химия для ванн | рН | Температура | Скорость коррозии кварца | Пригодность ПТФЭ |
|---|---|---|---|---|
| Каустическая сода, 5% | 13–14 | 60 градусов | 0,1–0,2 мм/мес. | Отличный |
| Каустическая сода, 5% | 13–14 | 80 градусов | 0,2–0,4 мм/мес. | Отличный |
| Щелочное чистящее средство, pH 11. | 11 | 70 градусов | 0,02–0,05 мм/мес. | Отличный |
| Гидроксид аммония, 5% | 10–11 | 50 градусов | 0,01–0,03 мм/мес. | Отличный |
| Силикат натрия, 3% | 11–12 | 75 градусов | 0,05–0,15 мм/мес. | Отличный |
Скорость коррозии кварца в щелочных ваннах по сравнению с пригодностью ПТФЭ
Почему кварц используется в кислотной работе
Кварц хорошо работает в кислотах, поскольку кремнезем стабилен в средах с низким-pH. Соляная, серная, азотная и фосфорная кислоты не разъедают кварц при обычных температурах погружного нагревателя. Исключением является плавиковая кислота,-она быстро растворяет кремнезем, поэтому кварцевые нагреватели не используются при ВЧ.
Термические свойства кварца также благоприятны для кислотной эксплуатации. Его теплопроводность примерно на 1,4 Вт/м·К-выше, чем у ПТФЭ, но ниже, чем у металлов. Коэффициент теплового расширения очень низкий, что обеспечивает хорошую устойчивость к тепловому удару. Эти свойства позволяют кварцевым нагревателям работать с более высокой плотностью ватт, чем у ПТФЭ в совместимых химических составах.
| Материал | Теплопроводность | Безопасная плотность ватт в кислоте | Безопасная плотность ватт в щелочной среде | Относительная стоимость |
|---|---|---|---|---|
| Кварц | 1.4 W/m·K | 1,5–2,5 Вт/см² | Не подходит | Низкий – средний |
| ПТФЭ | 0.25 W/m·K | 1,2–1,5 Вт/см² | 1,2–1,5 Вт/см² | Умеренный |
| Титан | 22 W/m·K | 2–4 Вт/см² | 2–3 Вт/см² | Выше |
| Нержавеющая сталь 316 | 16 W/m·K | 1–3 Вт/см² | 2–4 Вт/см² | Низкий |
Пределы удельной мощности и сравнение стоимости материалов погружных нагревателей для кислотных и щелочных условий эксплуатации
Практические последствия использования кварца в щелочных ваннах
Первым признаком выхода из строя кварца в щелочной ванне обычно является изменение внешнего вида трубки. Поверхность становится матовой или протравленной по мере растворения кремнезема. Стена становится тоньше. Трубка может стать более хрупкой и подверженной механическим повреждениям.
По мере утончения стенки термическое сопротивление уменьшается и температура оболочки незначительно падает. Поначалу может показаться, что обогреватель работает лучше. Но истончение продолжается до тех пор, пока стена больше не сможет содержать элемент. Неисправность часто возникает внезапная-трещина или отверстие, из-за которого щелочной раствор попадает на нагревательный элемент.
Неисправность может быть опасной. Щелочные растворы являются проводящими. Когда раствор достигает элемента под напряжением, происходит короткое замыкание. Защита от замыкания на землю должна сработать, но если этого не произойдет, нагреватель и бак могут быть повреждены.
Когда кварц — правильный выбор
Кварц является правильным выбором для кислотных ванн, где его более высокая удельная мощность и более низкая стоимость дают преимущество. Он обычно используется в:
Промывочные баки разбавленной серной кислотой
Азотнокислые травильные ванны без HF
Чистящие растворы фосфорной кислоты
Промывочные баки с деионизированной водой
Полупроводниковые мокрые стенды с кислотной химией
В этих случаях кварц работает хорошо и стоит дешевле, чем ПТФЭ. Ограничением является щелочная химия и ванны, содержащие HF-, в которых кварц растворяется или травится.
Когда ПТФЭ — лучший выбор
ПТФЭ — лучший выбор для щелочных ванн, ванн, содержащих HF-, а также для смешанных химических систем, где pH может колебаться от кислотного до щелочного. Он также лучше подходит для ванн с высоким содержанием растворенных твердых веществ, где на поверхности нагревателя образуются отложения и требуется периодическая очистка растворами щелочей или кислот.
Более низкая плотность мощности ПТФЭ означает, что для той же мощности требуется большая площадь поверхности. В компактных резервуарах это может быть ограничением. Но в резервуарах с достаточным пространством более длительный срок службы и более широкая химическая совместимость ПТФЭ перевешивают недостаток размера.
Когда ни один материал не подходит для применения
В некоторых случаях используются химические вещества, с которыми не справляются ни кварц, ни ПТФЭ. Ванна, в которой чередуется сильная кислота и сильная щелочь,-например, линия очистки, в которой как кислотная, так и щелочная ступени имеют общий нагреватель-, требует материала, устойчивого к обоим. ПТФЭ — единственный распространенный материал для погружных нагревателей.
Специальная конфигурация погружного нагревателя из ПТФЭ с низкой удельной мощностью, большой площадью поверхности и герметичными клеммными корпусами предназначена для применений, в которых кварц выходит из строя и нержавеющая сталь подвергается коррозии. Для процесса спецификации требуется химический состав ванны, диапазон pH, рабочая температура, размеры резервуара и требуемая мощность. Для предприятий со щелочными или смешанными-химическими ваннами этот-подход, ориентированный на конкретную область применения, обеспечивает надежную работу там, где стандартные материалы не подходят.
