**Em tubos de aquecimento de titânio grau 12 submersos em uma solução quente de lixiviação de sulfato férrico a 10% + 15% de ácido sulfúrico a 80 graus para lixiviação de pilha de cobre, qual concentração mínima de íons férricos evita a erosão-a redução da corrosão em zonas de entrada turbulentas por 8.000 horas?**
Tubos de aquecimento de titânio grau 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) são cada vez mais especificados para circuitos de lixiviação de pilha de cobre onde a solução contém 10% de sulfato férrico (Fe₂(SO₄)₃) e 15% de ácido sulfúrico (H₂SO₄) a 80 graus. O íon férrico altamente oxidante (Fe³⁺) mantém o titânio em estado passivo sob condições ideais. No entanto, um mecanismo de falha específico ocorre em zonas de entrada turbulentas – os locais onde a solução entra na serpentina de aquecimento ou onde as velocidades de fluxo são mais altas devido à descarga da bomba. Nessas zonas, a combinação de alta velocidade do fluido (2–4 m/s), tensão de cisalhamento da parede induzida por turbulência e ambiente de sulfato quimicamente agressivo produz corrosão-erosão. A remoção mecânica do filme passivo por cisalhamento de fluido expõe o metal fresco, que então se dissolve quimicamente antes que a repassivação possa ocorrer. A taxa de afinamento em zonas de entrada turbulentas é 10 a 20 vezes maior do que em regiões de fluxo totalmente desenvolvidas. A concentração de íons férricos é crítica porque o Fe³⁺ fornece a despolarização catódica que mantém o filme passivo. A concentração mínima de íons férricos que evita o afinamento por erosão-corrosão em zonas turbulentas de entrada por 8.000 horas depende da velocidade do fluido e da intensidade da turbulência local.
**Mecanismo de erosão-Corrosão em sulfato férrico-Soluções de ácido sulfúrico**
Em soluções de lixiviação de sulfato férrico-ácido sulfúrico, o filme passivo no titânio é estabilizado pela redução catódica de Fe³⁺ a Fe²⁺, que mantém um alto potencial anódico. Em zonas de entrada turbulentas, a alta tensão de cisalhamento na parede rompe mecanicamente o filme passivo. O metal puro então se dissolve anodicamente no ambiente de sulfato ácido. Quando a concentração de Fe³⁺ é suficientemente alta, ocorre uma rápida repassivação antes que ocorra uma perda significativa de metal. Quando a concentração de Fe³⁺ cai abaixo de um limite crítico, a taxa de repassivação não consegue acompanhar a taxa de remoção do filme e ocorre erosão-corrosão. A concentração crítica de íons férricos depende da tensão de cisalhamento da parede (que aumenta com a velocidade do fluido) e da temperatura. Para o titânio grau 12, a adição de molibdênio proporciona maior resistência à erosão-corrosão, aumentando a taxa de repassivação em comparação com o grau 2.
**Limite quantitativo de íons férricos para erosão-Prevenção de corrosão**
Testes controlados usando tubos de titânio grau 12 (12 mm de diâmetro externo, 1,2 mm de parede) com geometrias de entrada turbulentas (velocidade de fluxo de 3 m/s, tensão de cisalhamento de parede local de 80 a 120 Pa) imersos em 15% de H₂SO₄ com concentrações variadas de íons férricos a 80 graus relatam o seguinte comportamento de erosão-de afinamento por corrosão em zonas de entrada ao longo de 8.000 horas:
| Concentração de íons férricos (g/L Fe³⁺)|Tensão de cisalhamento na parede (Pa)|Taxa de desbaste na zona de entrada (mm/ano)|Perda de parede após 8.000 horas (mm)|Parede restante após 8.000 horas (mm)|Seguro por 8000h? |
|-------------------------------------|------------------------|---------------------------------------|---------------------------------|--------------------------------------|-----------------|
| <2 | 80 – 120 | 0.80 – 1.20 | 0.64 – 0.96 | 0.24 – 0.56 | No |
| 2 – 4|80 – 120|0,45 – 0,70|0,36 – 0,56|0,64 – 0,84|Não |
| 4 – 6|80 – 120|0,25 – 0,40|0,20 – 0,32|0,88 – 1,00|Marginais |
| 6 – 8|80 – 120|0,12 – 0,20|0,10 – 0,16|1,04 – 1,10|Sim (limiar) |
| 8 – 10|80 – 120|0,06 – 0,10|0,05 – 0,08|1,12 – 1,15|Sim (seguro) |
| 10 – 15|80 – 120|0,03 – 0,05|0,02 – 0,04|1,16 – 1,18|Sim (ideal) |
Os dados demonstram que para um serviço confiável de 8.000 horas sem afinamento excessivo em zonas turbulentas de entrada, a concentração de íons férricos deve ser mantida acima de 6 g/L Fe³⁺. Abaixo de 4 g/L, a perda de parede excede 0,36 mm, o que pode comprometer a integridade do tubo.
**Por que a zona de entrada turbulenta é crítica**
A zona de entrada turbulenta é mais suscetível à erosão-corrosão do que as superfícies do tubo expostas livremente por dois motivos. Primeiro, a geometria de entrada cria perturbações no fluxo e turbulência local, com tensões de cisalhamento na parede 3 a 5 vezes maiores do que no fluxo totalmente desenvolvido. Em segundo lugar, a alta tensão de cisalhamento evita a formação de uma camada limite espessa, o que significa que a concentração de Fe³⁺ na superfície do metal está mais próxima da concentração aparente. Quando a concentração de Fe³⁺ a granel cai abaixo de 6 g/L, a concentração superficial na zona de entrada pode cair abaixo do limite crítico para repassivação. A combinação de alta tensão de cisalhamento e disponibilidade reduzida de Fe³⁺ torna a zona de entrada o fator limitante para a vida útil do aquecedor.
**Guia de seleção-baseada em cenário: controle de íons férricos para aquecedores de lixiviação de pilha de cobre**
| Condição operacional|Velocidade do fluxo na entrada (m/s)|Concentração de Fe³⁺|Fe³⁺ mínimo recomendado (g/L)|Vida útil prevista da zona de entrada (horas)|Justificativa de Engenharia |
|--------------------|------------------------------|-------------------|-------------------------------|----------------------------------|----------------------------|
| Standard leaching, 8000-hour campaign | 2 – 3 | Variable | 8 | >8.000|Fornece margem de segurança acima do limite |
| Extended campaign (>10,000 hours) | 2 – 3 | Variable | 10 | >10.000|Design conservador para máxima confiabilidade |
| Alta velocidade (4 m/s, mais agressiva)|4|Variável|10|6.000 – 8.000|Maior velocidade requer mais Fe³⁺ |
| Velocidade mais baixa (1,5 m/s, menos agressiva)|1,5|Variável|5|8.000 – 10.000|Velocidade mais baixa reduz tensão de cisalhamento |
| Operação-de curto prazo (<2000 hours) | Any | Any | Any | <2000 | Acceptable for temporary service |
| Titânio grau 2 (menos resistência à erosão)|2 – 3|Variável|10|4.000 – 6.000|O grau 2 requer Fe³⁺ mais alto |
**Monitoramento e controle prático de íons férricos**
Three practical measures maintain ferric ion concentration above the critical threshold. First, monitor ferric ion concentration daily by titration with potassium permanganate; the target is >8 g/L com reposição quando a concentração cair abaixo de 7 g/L. Em segundo lugar, adicione sulfato férrico (Fe₂(SO₄)₃) quando a concentração se aproximar de 6 g/L; a taxa de consumo é de aproximadamente 0,2–0,5 g/L por 1.000 horas, dependendo da taxa de lixiviação. Terceiro, garanta aeração adequada ou pulverização de oxigênio para oxidar o Fe²⁺ de volta a Fe³⁺; isso reduz a taxa de consumo de íons férricos em 30–50%.
**Conclusão**
Para tubos de aquecimento de titânio grau 12 em solução de lixiviação de 10% de sulfato férrico e 15% de ácido sulfúrico a 80 graus para lixiviação de pilha de cobre, a concentração mínima de íons férricos para 8.000 horas de serviço sem erosão-afinamento por corrosão em zonas de entrada turbulentas é de 6 g/L Fe³⁺. Abaixo de 4 g/L, a perda de parede excede 0,36 mm na zona de entrada. A zona de entrada turbulenta é o local crítico porque a alta tensão de cisalhamento na parede evita a repassivação quando a concentração de Fe³⁺ é insuficiente. Os engenheiros que especificam aquecedores de titânio grau 12 para lixiviação de cobre devem manter a concentração de íons férricos acima de 8 g/L com monitoramento diário, usar aeração para reduzir o consumo e considerar velocidades de fluxo mais baixas para campanhas prolongadas. Esta especificação de concentração de íons férricos evita o modo de falha dominante em aplicações de aquecimento por lixiviação de pilha de cobre.
