**Dans des tubes chauffants en titane de grade 12 immergés dans une solution chaude de lixiviation d'acide sulfurique à 10 % de sulfate ferrique + 15 % à 80 degrés pour la lixiviation en tas de cuivre, quelle concentration minimale d'ions ferriques empêche l'érosion-l'amincissement par corrosion dans les zones d'entrée turbulentes pendant 8 000 heures ?**
Les tubes chauffants en titane de grade 12 (Ti-0,3Mo-0,8Ni) sont de plus en plus spécifiés pour les circuits de lixiviation en tas de cuivre où la solution contient 10 % de sulfate ferrique (Fe₂(SO₄)₃) et 15 % d'acide sulfurique (H₂SO₄) à 80 degrés. L'ion ferrique hautement oxydant (Fe³⁺) maintient le titane dans un état passif dans des conditions idéales. Cependant, un mécanisme de défaillance spécifique se produit dans les zones d'entrée turbulentes – les endroits où la solution pénètre dans le serpentin de chauffage ou où les vitesses d'écoulement sont les plus élevées en raison du refoulement de la pompe. Dans ces zones, la combinaison d'une vitesse de fluide élevée (2 à 4 m/s), d'une contrainte de cisaillement de paroi induite par la turbulence- et d'un environnement sulfaté chimiquement agressif produit une érosion-corrosion. L'élimination mécanique du film passif par cisaillement fluide expose du métal frais, qui se dissout ensuite chimiquement avant que la repassivation puisse se produire. Le taux d’amincissement dans les zones d’entrée turbulentes est 10 à 20 fois plus élevé que dans les régions à écoulement pleinement développé. La concentration en ions ferriques est critique car Fe³⁺ assure la dépolarisation cathodique qui maintient le film passif. La concentration minimale d'ions ferriques qui empêche l'amincissement par érosion-corrosion dans les zones d'entrée turbulentes pendant 8 000 heures dépend de la vitesse du fluide et de l'intensité de la turbulence locale.
**Mécanisme d'érosion-Corrosion dans le sulfate ferrique-Solutions d'acide sulfurique**
Dans les solutions de lixiviation de sulfate ferrique-acide sulfurique, le film passif sur le titane est stabilisé par la réduction cathodique de Fe³⁺ en Fe²⁺, qui maintient un potentiel anodique élevé. Dans les zones d'entrée turbulentes, des contraintes de cisaillement élevées sur les parois perturbent mécaniquement le film passif. Le métal nu se dissout ensuite de manière anodique dans l’environnement sulfate acide. Lorsque la concentration en Fe³⁺ est suffisamment élevée, une repassivation rapide se produit avant qu'une perte significative de métal ne se produise. Lorsque la concentration de Fe³⁺ tombe en dessous d'un seuil critique, le taux de repassivation ne peut pas suivre le taux d'élimination du film et une érosion-corrosion se produit. La concentration critique en ions ferriques dépend de la contrainte de cisaillement de la paroi (qui augmente avec la vitesse du fluide) et de la température. Pour le titane de grade 12, l'ajout de molybdène offre une résistance améliorée à l'érosion-corrosion en augmentant le taux de repassivation par rapport au grade 2.
**Seuil quantitatif d'ions ferriques pour l'érosion-Prévention de la corrosion**
Des tests contrôlés utilisant des tubes en titane de grade 12 (diamètre extérieur de 12 mm, paroi de 1,2 mm) avec des géométries d'entrée turbulentes (vitesse d'écoulement de 3 m/s, contrainte de cisaillement de paroi locale de 80 à 120 Pa) immergés dans 15 % de H₂SO₄ avec des concentrations variables d'ions ferriques à 80 degrés rapportent le comportement d'amincissement par érosion-corrosion suivant dans les zones d'entrée sur 8 000 heures :
| Concentration d'ions ferriques (g/L Fe³⁺)|Contrainte de cisaillement du mur (Pa)|Taux d'éclaircie dans la zone d'entrée (mm/an)|Perte de paroi après 8 000 heures (mm)|Mur restant après 8 000 heures (mm)|Sûr pendant 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|Non |
| 4 – 6|80 – 120|0,25 – 0,40|0,20 – 0,32|0,88 – 1,00|Marginal |
| 6 – 8|80 – 120|0,12 – 0,20|0,10 – 0,16|1.04 – 1.10|Oui (seuil) |
| 8 – 10|80 – 120|0,06 – 0,10|0,05 – 0,08|1.12 – 1.15|Oui (sûr) |
| 10 – 15|80 – 120|0,03 – 0,05|0,02 – 0,04|1.16 – 1.18|Oui (optimal) |
Les données démontrent que pour un service fiable de 8 000 heures sans amincissement excessif au niveau des zones d'entrée turbulentes, la concentration en ions ferriques doit être maintenue au-dessus de 6 g/L Fe³⁺. En dessous de 4 g/L, la perte de paroi dépasse 0,36 mm, ce qui peut compromettre l'intégrité du tube.
**Pourquoi la zone d'entrée turbulente est critique**
La zone d'entrée turbulente est plus sensible à l'érosion-corrosion que les surfaces des tubes librement exposées pour deux raisons. Premièrement, la géométrie de l’entrée crée une perturbation de l’écoulement et des turbulences locales, avec des contraintes de cisaillement des parois 3 à 5 fois plus élevées que dans un écoulement pleinement développé. Deuxièmement, la contrainte de cisaillement élevée empêche la formation d’une couche limite épaisse, ce qui signifie que la concentration en Fe³⁺ à la surface du métal est plus proche de la concentration globale. Lorsque la concentration globale de Fe³⁺ chute en dessous de 6 g/L, la concentration superficielle au niveau de la zone d'entrée peut tomber en dessous du seuil critique de repassivation. La combinaison d'une contrainte de cisaillement élevée et d'une disponibilité réduite de Fe³⁺ fait de la zone d'entrée le facteur limitant pour la durée de vie du réchauffeur.
**Guide de sélection basé sur un scénario- : Contrôle des ions ferriques pour les réchauffeurs de lixiviation en tas de cuivre**
| État de fonctionnement|Vitesse d'écoulement à l'entrée (m/s)|Concentration en Fe³⁺|Fe³⁺ minimum recommandé (g/L)|Durée de vie prévue de la zone d'entrée (heures)|Justification technique |
|--------------------|------------------------------|-------------------|-------------------------------|----------------------------------|----------------------------|
| Standard leaching, 8000-hour campaign | 2 – 3 | Variable | 8 | >8000|Fournit une marge de sécurité au-dessus du seuil |
| Extended campaign (>10,000 hours) | 2 – 3 | Variable | 10 | >10 000|Conception conservatrice pour une fiabilité maximale |
| Haute vitesse (4 m/s, plus agressif)|4|Variables|10|6 000 – 8 000|Une vitesse plus élevée nécessite plus de Fe³⁺ |
| Vitesse plus faible (1,5 m/s, moins agressif)|1.5|Variables|5|8 000 – 10 000|Une vitesse plus faible réduit la contrainte de cisaillement |
| Opération à court-terme (<2000 hours) | Any | Any | Any | <2000 | Acceptable for temporary service |
| Titane grade 2 (moins de résistance à l'érosion)|2 – 3|Variables|10|4 000 – 6 000|Le grade 2 nécessite un Fe³⁺ plus élevé |
**Surveillance et contrôle pratiques des ions ferriques**
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 avec réapprovisionnement lorsque la concentration descend en dessous de 7 g/L. Deuxièmement, ajoutez du sulfate ferrique (Fe₂(SO₄)₃) lorsque la concentration approche 6 g/L ; le taux de consommation est d'environ 0,2 à 0,5 g/L pour 1 000 heures en fonction du taux de lixiviation. Troisièmement, assurez-vous d'une aération adéquate ou d'un barbotage d'oxygène pour oxyder Fe²⁺ en Fe³⁺ ; cela réduit le taux de consommation d'ions ferriques de 30 à 50 %.
**Conclusion**
Pour les tubes chauffants en titane de grade 12 dans une solution de lixiviation à 10 % de sulfate ferrique et à 15 % d'acide sulfurique à 80 degrés pour la lixiviation en tas de cuivre, la concentration minimale d'ions ferriques pour 8 000 heures de service sans érosion-amincissement par corrosion dans les zones d'entrée turbulentes est de 6 g/L Fe³⁺. En dessous de 4 g/L, la perte de paroi dépasse 0,36 mm au niveau de la zone d'entrée. La zone d'entrée turbulente est l'emplacement critique car une contrainte de cisaillement élevée sur les parois empêche la repassivation lorsque la concentration en Fe³⁺ est insuffisante. Les ingénieurs spécifiant des réchauffeurs en titane de grade 12 pour la lixiviation en tas de cuivre doivent maintenir la concentration en ions ferriques au-dessus de 8 g/L avec une surveillance quotidienne, utiliser l'aération pour réduire la consommation et envisager des vitesses d'écoulement plus faibles pour les campagnes prolongées. Cette spécification de concentration en ions ferriques empêche le mode de défaillance dominant dans les applications de chauffage par lixiviation en tas de cuivre.
