Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оборудование и материалы для производств неорганических веществ. Учебно-методическое пособие
.pdf
больших промежуточных резервуаров, травильных ванны или паросиловых установок.
Борьба с коррозией на химических предприятиях, где оборудование работает в чрезвычайно агрессивных средах, а в качестве основного материала для его изготовления остаются металлы, является первостепенной задачей. Поэтому затраты промышленных предприятий
на проведение мероприятий по защите оборудования от коррозионных
разрушений чрезвычайно высоки. Но необходимо отметить, что правильный выбор метода защиты материалов от разрушений значительно увеличивает срок эксплуатации оборудования, снижает затраты на
его обслуживание и ремонт, а значит, способствует выпуску качественной продукции с меньшей себестоимостью.
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
В разделе приведены лабораторные работы, выполнение которых способствует закреплению знаний о свойствах металлических
конструкционных материалов, используемых для изготовления химического оборудования, а также формированию умений и навыков выполнения лабораторных исследований и оформления результатов исследования.
Каждая работа состоит из теоретической части, в которой приводятся основные сведения по изучаемому вопросу, перечня необходимых реактивов, описания методики проведения исследований. После завершения работы студентам необходимо выполнить обработку
полученных экспериментальных данных, сделать выводы и подготовиться к сдаче работы. Для этого в конце каждой лабораторной работы
приводится перечень контрольных вопросов. Для подготовки к защите
лабораторной работы рекомендуется использовать литературу, представленную в конце пособия.
Лабораторная работа 1
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ МЕТАЛЛОВ
В РАСТВОРАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
Цель работы: изучить действие водных растворов электролитов
на металлы и определить коррозионную стойкость металлов массовым
методом.
Общие сведения
Под коррозией (от латинского corrodere – разъедание, разрушение) понимают самопроизвольный процесс разрушения металлов и их
сплавов в условиях природной среды химического, электрохимического, биологического или радиационного окисления.
Ржавлением называется коррозия железа и его сплавов с образованием продуктов коррозии, состоящих из гидратированных оксидов
железа. К цветным металлам понятие «ржавление» не применяется.
Основной причиной коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов и сплавов в окружающей среде. Подавляющее
52
большинство элементов-металлов в земной коре находятся в виде оксидов, сульфатов и других соединений. При получении металлов их
переводят из такого термодинамически стабильного состояния металлургическим (или иным) способом в элементарную форму, которая в
большинстве случаев нестабильна. При контакте металла с внешней
средой появляется движущая сила, стремящаяся вернуть их в исходное состояние. Примером этого является коррозия стали. В результате
ее элементарное железо превращается в окисленное двух- и трехвалентное, которое соответствует таким минералам, как магнетит
(Fe
) или лимонит (Fe2O3·H2O).
3O4
Термодинамическая неустойчивость металла количественно
оценивается знаком и величиной изобарно-изотермического потенциала G (энергия Гиббса). Самопроизвольно протекают процессы, сопровождающиеся уменьшением энергии Гиббса. Для металлов, имеющих отрицательный потенциал (по сравнению с водородом), их
окисленное состояние термодинамически более устойчиво, чем восстановленное. Для металлов, у которых изменение энергии изобарного
процесса восстановления соответствует ∆G > 0, восстановленное состояние более устойчиво. К этой группе металлов относятся золото,
платина, серебро и другие благородные металлы.
По характеру распространения продуктов разрушения коррозия
делится на сплошную (общую) и местную (локальную).
По механизму протекания коррозионного процесса, зависящему
от характера внешней среды, с которой взаимодействует металл, различают химическую и электрохимическую коррозию.
Химическая коррозия протекает в сухих газах и жидкостяхнеэлектролитах. Электрохимическая коррозия протекает во влажных
газах и жидкостях-электролитах, обладающих ионной проводимостью,
расплавах солей, а также в атмосфере и почве. В технологических процессах получения неорганических веществ преобладает электрохимическая коррозия. Однако следует отметить, что такое деление коррозионных процессов является несколько условным, так как коррозия, протекающая по одному механизму, часто меняет его на другой.
В зависимости от природы агрессивной среды электрохимическая коррозия может быть:
– кислотная рН < 7;
– щелочная рН > 7;
– солевая (в водных растворах или расплавах солей) рН =
7
близкое семи.
53
В зависимости от характера агрессивной среды:
– газовая коррозия (частным видом ее является атмосферна
коррозия);
– почвенная коррозия;
– жидкостная коррозия;
– контактная коррозия (при контакте разнородных металлов
различными потенциалами);
Выделяют коррозионные процессы, протекающие при совместном действии агрессивных сред и других видов физического воздействия на металлические конструкции, например:
– коррозия под напряжением (при одновременном воз
действии
агрессивной среды и механических напряжений);
– коррозия при трении;
– коррозия внешним током (при одновременном воз
действии
агрессивной среды и тока от внешнего источника).
Существуют и другие виды коррозии в зависимости от условий
эксплуатации оборудования.
я
с
Механизм электрохимической коррозии заключается в одновременном протекании двух процессов: анодной реакции окисления
металла и катодной реакции восстановления водорода или кислорода.
При погружении металла в раствор электролита между поверхностью металла и электролитом возникает разность потенциалов, которая называется потенциалом электрода. Значения стандартных потенциалов некоторых металлов в воде при температуре 25 °С приведены в табл. 5.2 учебного пособия. Чем меньше значение потенциала,
тем выше активность металла.
Для оценки устойчивости металлов к разрушающему действию
агрессивных сред необходимо иметь количественные характеристики
процесса коррозии. Такими характеристиками являются скорость
коррозии (г/(м
2
·час)) и проницаемость продуктов коррозии, или глу-
бинный показатель (мм/год). Количественные методы оценки коррозионной стойкости обусловлены:
– изменением массы металла в результате коррозии, отнесен-
ным к единице поверхности и единице времени;
– объемом выделившегося водорода (или поглощенного кислорода) в процессе коррозии, отнесенным к единице поверхности и единице времени;
– уменьшением толщины металла вследствие коррозии, выраженным в линейных единицах и отнесенным к единице времени;
54
– изменением какого-либо показателя механических свойств за
определенное время коррозионного процесса, выраженным в процентах, или временем до разрушения образца заданных размеров;
– изменением отражательной способности металла за определенное время коррозионного процесса, выраженным в процентах;
– плотностью тока, отвечающей скорости данного коррозионного процесса;
– временем до появления первого коррозионного очага на образце заданных размеров или числом коррозионных очагов на образце
по истечении заданного времени.
Коррозионную стойкость оценивают группой или баллом стойкости по принятой десятибалльной шкале (табл. П1).
Необходимые принадлежности
1. Образцы различных металлов и сплавов.
2. Растворы кислот, щелочей, солей различной концентрации.
3. Термостойкие химические стаканы.
4. Составы обезжиривания.
5. Аналитические весы.
6. Масштабная линейка.
7. Наждачная бумага.
8. Фильтровальная бумага.
9. Сушильный шкаф.
Проведение работы и обработка результатов
Изучение коррозии металлов в различных средах проводится на
образцах металлов в виде пластин размером 20×30 мм или цилиндров
диаметром 10 мм и высотой 20 мм.
Перед началом опыта измеряют размеры пластин (или цилиндров)
и вычисляют площадь полной поверхности испытуемых образцов.
Перед испытанием поверхности образцов зачищают наждачной
бумагой, обезжиривают содой, промывают водой и высушивают
фильтровальной бумагой или в сушильном шкафу при температуре
100–110 °С в течение 3–5 мин, а затем полностью охлаждают и взвешивают на аналитических весах.
Подготовленные образцы (не менее трех) помещают в стаканы,
содержащие заданный раствор электролита определенной концентра-
55
ции, чтобы они не соприкасались друг с другом. Они подвешиваются
Ме-
талл
(мате
риал)
Элек-
тролит
и его
концен-
трация
По-
верхность
S, м
2
Т,
0
С
τ,
мин
Масса
образца
до
испыт.,
m
1
, г
Масса
образ
ца
после
испыт.
,
m2, г
Изме-
нение
массы
образ-
ца,
∆m
Массо-
вый
показа-
тель
корро-
зии,
К,
г/м2·ч
На-
блю-
дения
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10
t
×
D
=
S
m
К
2××= baS
на стеклянные крючки или помещаются на подставки из стекла. Испытание образцов из различных металлов и сплавов необходимо производить в разных стаканах. В течение эксперимента и после окончания испытаний необходимо вести наблюдения. Образцы и растворы, в
которых проводились испытания, необходимо тщательно осматривать
и фиксировать изменение цвета, наличие нерастворимых осадков и их
расположение, другие изменения. После этого образцы вынимают из
стаканов, водой смывают с них осевшие осадки и тщательно высушивают в сушильном шкафу при температуре 100–110 °С. Далее проводится их взвешивание на тех же весах и с той же точностью.
Результаты испытаний сводят в таблицу.
Таблица
Результаты коррозионных испытаний
По результатам работы необходимо:
1. Определить скорость коррозии.
Определение скорости коррозии К (г/м
2
·ч) производится по
формуле
, (1)
где ∆m – изменение массы образца; S – площадь поверхности образца,
2
м
; τ – время выдержки образца в электролите, ч.
Для образцов, имеющих форму тонкой пластины, площадь по-
верхности, погруженной в электролит, рассчитывается по формуле
, (2)
где а и b – ширина и длина пластины, м.
56
2. Произвести оценку коррозийной стойкости металлов по деся-
r
76,8×=K
П
тибалльной шкале (см. приложение).
Перерасчет скорости коррозии, выраженной в мм/год, в массо-
вые потери и обратно производится по формуле
, (3)
где П – скорость коррозии, мм/год; К – скорость коррозии, г/м
2
·ч;
8,76 – коэффициент учитывающий перевод величин в часы и мм;
ρ – плотность металла, г/см
3
(см. приложение).
3. Написать окислительно-восстановительные, а также сопутствующие реакции, протекающие при окислении каждого из металлов
в коррозионной среде.
4. Описать характерные особенности процессов и объяснить полученные результаты.
5. Обосновать применимость исследуемого конструкционного
материала в различных средах.
Контрольные вопросы
1. Понятие процесса коррозии.
2. Термодинамика и кинетика коррозионных процессов.
3. Классификация коррозионных процессов.
4. Электрохимическая коррозия. Механизм процесса.
5. Влияние различных факторов на коррозию металлов.
6. Неорганические металлические и неметаллические конструкционные материалы. Их выбор для химического оборудования в зависимости от условий эксплуатации и среды использования.
7. Влияние легирующих элементов на коррозионную стойкость
металлов.
8. Экспериментальные методы определения скорости коррозионного процесса.
Лабораторная работа 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ
КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ ОБЪЕМНЫМ МЕТОДОМ
Цель работы: определить скорость коррозии металлов объемным методом по количеству выделившегося газа и оценить их коррозионную стойкость.
Общие сведения
Причина электрохимической коррозии металла заключается
в физико-химической неоднородности его поверхности. Неоднородность обусловлена главным образом наличием примесей, дефектов
структуры и внутренними напряжениями в материале. Вследствие неоднородности поверхности металла его электрохимический потенциал
на различных участках будет неодинаков – произойдет дифференциация поверхности на микрокатодные и микроанодные участки. Если
металл будет контактировать с электролитом, то процесс коррозии
можно рассматривать как результат работы коррозионных гальванических элементов. Неоднородность жидкой фазы будет усиливать
коррозионные процессы.
При электрохимической коррозии протекают следующие процессы.
Анодный процесс – переход ионов металла в раствор и их гидратация:
Me – e
–
+ Н2О = Me+ · H2О. (1)
Катодный процесс – восстановление атомов, молекул или ионов
раствора за счет ассимиляций появившихся в металле избыточных
электронов.
В качестве катодной реакции в различных случаях коррозии могут служить самые разнообразные электродные процессы. Наиболее
практически важными являются: катодная реакция восстановления
иона водорода в газообразный водород (водородная деполяризация):
+
2Н
+ 2e– = H2. (2)
58
и катодная реакция восстановления кислорода с превращением его
в ион гидроксила (кислородная деполяризация):
+ 2Н2О + 4е– = 4ОН– (3)
О
2
Кроме того, будет происходить перетекание электричества:
в металле – движением электронов от анодных участков к катодным,
в растворе – движением катионов от анодных участков к катодным и
движением анионов от катодных участков к анодным.
Редокс-процессы протекают как на одной и той же поверхности
металла, так и на разных металлах, если они находятся в контакте.
В последнем случае анодный процесс будет протекать на металле с
более электроотрицательным потенциалом.
В технических металлах и сплавах видимого разделения участков с анодными и катодными процессами не наблюдается, если поверхность макрооднородна с точки зрения чистоты обработки, наклепа, наличия загрязнений и т. д. При их коррозии выделение водорода
идет со всей поверхности.
Объем выделившегося водорода эквивалентен количеству растворенного металла. Это позволяет при изучении кинетики коррозии в
водных электролитах пользоваться объемным методом, измеряя объем
выделившегося газа. Однако этот метод имеет ограничение. При окислении некоторых металлов в концентрированной серной кислоте может происходить ее восстановление с выделением SO
, а при коррозии
2
в азотной кислоте – реакции восстановления с выделением оксидов
азота в различной степени окисления. Судить о количестве растворенного металла в таких кислотах по объему выделившихся газообразных
продуктов трудно, так как состав газовой фазы является сложным и не
остается постоянным в процессе окисления металла, поскольку некоторые газы хорошо растворяются в воде (NО
, SO2), а другие образуют
2
комплексные соединения.
Для некоторых металлов концентрированные кислоты менее
опасны, чем разбавленные (например, серная кислота для Fe, Pb, А1),
потому что на их поверхности образуются нерастворимые оксиды или
соли, играющие роль защитных пленок.
Стойкость металлов в щелочах зависит, в частности, от характера образующегося гидроксида. Если металл может с гидроксид-ионом
образовывать растворимый комплекс, то металл неустойчив в щелочи.
Примером могут служить Al, Sn, Zn, Pb.
59
Если образующийся гидроксид не растворяется в щелочных
растворах (например, гидроксиды молибдена), то поверхность металла
пассивируется гидроксидной пленкой, предохраняющей его от коррозии. В этом случае коррозия не протекает и водород не выделяется.
Явление самопроизвольной пассивации характерно и при действии разбавленных кислот на некоторые сплавы. Для них характерно
интенсивное растворение и, следовательно, обильное выделение водорода в первые моменты времени с дальнейшим замедлением процесса.
Помимо простоты и точности определение скорости коррозии
по количеству выделившегося газа метод позволяет непрерывно следить за изменением скорости коррозии во времени и, измеряя объем
водорода через равные промежутки времени, установить способность
металла к самопроизвольному пассивированию в данных условиях.
Необходимые принадлежности
1. Образцы металлов и сплавов.
2. Растворы кислот, щелочей, солей, различной концентрации.
3. Бюретка-коррозиометр.
4. Водоструйный насос (или груша).
5. Химические стаканы.
6. Аналитические весы.
7. Составы обезжиривания.
8. Масштабная линейка.
9. Наждачная бумага.
10. Фильтровальная бумага.
11. Сушильный шкаф.
Проведение работы и обработка результатов
Перед началом испытаний измеряют площадь полной поверхности образцов. Затем исследуемый образец зачищают наждачной бумагой, тщательно обезжиривают, промывают в проточной воде и вытирают фильтровальной бумагой. Далее образцы сушат в сушильном
шкафу при 100–110 °С в течение 5 мин.
Для определения скорости коррозии объемным методом используют установку, представленную на рис. 1. Образцы (2) с измеренной
поверхностью взвешивают на аналитических весах с точностью
±0,0002 г и помещают в коррозиометр.
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]