Comportamento all’esposizione a caldo in ambiente di HCl / CO2 di materiali metallici strutturali rivestiti e non per l’impiego in sistemi di termodistruzione di rifiuti
Autore
Marco Bertolini - Università degli Studi di Milano - [2005-06]
Documenti
Abstract
Negli ultimi anni nel mondo occidentale ad uno sviluppo del benessere, della ricchezza, dei volumi di vendite delle aziende e più in generale dell’internazionalizzazione dei mercati, si è accompagnato un aumento costante della quantità di rifiuti prodotti, che ha costretto la società ad affrontare il problema, e non a rinviare attraverso semplici operazioni di stoccaggio, per fronteggiare situazioni di emergenza future. Si è quindi imposto come argomento di interesse nella comunità scientifica il termoincenerimento dei rifiuti, che unisce le necessità di smaltimento con la possibilità di una produzione energetica che nasce proprio dagli scarti della nostra società.
La progettazione di impianti di termovalorizzazione ha preteso lo studio di materiali che possano resistere alle più svariate sollecitazioni meccaniche in un ambiente corrosivo ad alta temperatura, poiché il processo di combustione espone molte parti dell’impianto all’azione sinergica, spesso auto accelerante, di corrosione ad elevata temperatura ed applicazione di carichi meccanici (scorrimento viscoso a caldo). I materiali metallici sono quindi esposti all’azione corrosiva delle specie presenti nei prodotti di combustione (principalmente acido cloridrico, anidride carbonica, solfati, ossigeno) che presentano una variabilità, sia da impianto ad impianto sia nel tempo nello stesso impianto, tale da rendere molto difficile la definizione di un ambiente standard. A questo fattore vanno aggiunti gli stress determinati dall’impaccamento delle polveri, dall’azione erosiva delle “flying ashes” e dai ciclaggi termici dovuti alle fermate dell’impianto, che incrementano la variabilità dell’ambiente con formazione di condense acide e sali fusi.
Passando attraverso la definizione di una rosa di agenti aggressivi standard contenuti nei fumi prodotti dalla combustione dei rifiuti solidi urbani, lo studio delle reazioni indotte dalle condizioni di esercizio dell’impianto e la loro ripercussione sui materiali e sulla loro stabilità strutturale nel tempo, il progetto di ricerca all’interno del quale si colloca questa tesi di laurea si pone lo scopo di studiare le caratteristiche chimico fisiche degli ambienti di esposizione, in particolare temperatura, composizione e caratteristiche ossido-riducenti, ed i meccanismi di degrado dovuti alla corrosione a caldo, valutando le prestazioni di materiali e rivestimenti diversi destinati ad un possibile impiego in inceneritore.
Il progetto prevede l’esecuzione di prove accelerate di corrosione a caldo su materiali rivestiti e non, mediante bilancia termogravimetrica in diverse atmosfere corrosive ed esami metallografici sui materiali esposti.
In particolare, il presente lavoro di tesi riguarda la caratterizzazione della resistenza alla corrosione a caldo di due materiali base molto differenti sia chimicamente che economicamente:
• Acciaio al carbonio ASTM A106
• Superlega di nichel Inconel 617
La chiave di volta che rende competitivo l’acciaio al carbonio rispetto la superlega è rappresentata dal rivestimento, che permette di “nobilitare” un materiale di per se poco nobile attraverso l’applicazione di uno strato con proprietà comparabili a quelle della superlega.
I materiali sono stati testati sia tal quali, che rivestiti tramite tre differenti processi di deposizione:
• HVOF (High Velocity Oxygen Fuel)
• FS (Flame Seal)
• PVD (Physical Vapour Deposition)
I rivestimenti testati sono costituiti da:
• Inconel 625 (HVOF e FS)
• Nitruro di cromo CrN (PVD)
• Lega binaria Ni-Cr in ugual percentuali 50-50 (HVOF)
• Lega NiCrAlY (HVOF)
Si è valutata quindi la cinetica di corrosione effettuando analisi termogravimetriche della durata di 5 ore a temperature dipendenti dalla resistenza dei materiali base (450 – 750°C) nelle seguenti atmosfere corrosive:
• Miscela contenente 8% di anidride carbonica
• Miscela contenente 1% di acido cloridrico
Sono stati quindi effettuati esami metallografici tramite microscopia ottica sui campioni maggiormente significativi al fine di indagare il comportamento del rivestimento e del materiale base (grado di adesione, presenza di fessurazioni, pit di corrosione, ecc.).
I risultati delle analisi effettuate oltre ai risultati più ovvi come un generale aumento della velocità di corrosione all’aumentare della temperatura della prova e l’esplosione di fenomeni corrosivi nell’ambiente con acido cloridrico, indicano un reale miglioramento del comportamento alla corrosione nell’acciaio al carbonio basso legato, specie nei rivestimenti applicati con tecnica FS e HVOF, che lo rendono molto vantaggioso dal punto di vista del rapporto costo/resistenza alla corrosione rispetto alla superlega Inconel 617.
La progettazione di impianti di termovalorizzazione ha preteso lo studio di materiali che possano resistere alle più svariate sollecitazioni meccaniche in un ambiente corrosivo ad alta temperatura, poiché il processo di combustione espone molte parti dell’impianto all’azione sinergica, spesso auto accelerante, di corrosione ad elevata temperatura ed applicazione di carichi meccanici (scorrimento viscoso a caldo). I materiali metallici sono quindi esposti all’azione corrosiva delle specie presenti nei prodotti di combustione (principalmente acido cloridrico, anidride carbonica, solfati, ossigeno) che presentano una variabilità, sia da impianto ad impianto sia nel tempo nello stesso impianto, tale da rendere molto difficile la definizione di un ambiente standard. A questo fattore vanno aggiunti gli stress determinati dall’impaccamento delle polveri, dall’azione erosiva delle “flying ashes” e dai ciclaggi termici dovuti alle fermate dell’impianto, che incrementano la variabilità dell’ambiente con formazione di condense acide e sali fusi.
Passando attraverso la definizione di una rosa di agenti aggressivi standard contenuti nei fumi prodotti dalla combustione dei rifiuti solidi urbani, lo studio delle reazioni indotte dalle condizioni di esercizio dell’impianto e la loro ripercussione sui materiali e sulla loro stabilità strutturale nel tempo, il progetto di ricerca all’interno del quale si colloca questa tesi di laurea si pone lo scopo di studiare le caratteristiche chimico fisiche degli ambienti di esposizione, in particolare temperatura, composizione e caratteristiche ossido-riducenti, ed i meccanismi di degrado dovuti alla corrosione a caldo, valutando le prestazioni di materiali e rivestimenti diversi destinati ad un possibile impiego in inceneritore.
Il progetto prevede l’esecuzione di prove accelerate di corrosione a caldo su materiali rivestiti e non, mediante bilancia termogravimetrica in diverse atmosfere corrosive ed esami metallografici sui materiali esposti.
In particolare, il presente lavoro di tesi riguarda la caratterizzazione della resistenza alla corrosione a caldo di due materiali base molto differenti sia chimicamente che economicamente:
• Acciaio al carbonio ASTM A106
• Superlega di nichel Inconel 617
La chiave di volta che rende competitivo l’acciaio al carbonio rispetto la superlega è rappresentata dal rivestimento, che permette di “nobilitare” un materiale di per se poco nobile attraverso l’applicazione di uno strato con proprietà comparabili a quelle della superlega.
I materiali sono stati testati sia tal quali, che rivestiti tramite tre differenti processi di deposizione:
• HVOF (High Velocity Oxygen Fuel)
• FS (Flame Seal)
• PVD (Physical Vapour Deposition)
I rivestimenti testati sono costituiti da:
• Inconel 625 (HVOF e FS)
• Nitruro di cromo CrN (PVD)
• Lega binaria Ni-Cr in ugual percentuali 50-50 (HVOF)
• Lega NiCrAlY (HVOF)
Si è valutata quindi la cinetica di corrosione effettuando analisi termogravimetriche della durata di 5 ore a temperature dipendenti dalla resistenza dei materiali base (450 – 750°C) nelle seguenti atmosfere corrosive:
• Miscela contenente 8% di anidride carbonica
• Miscela contenente 1% di acido cloridrico
Sono stati quindi effettuati esami metallografici tramite microscopia ottica sui campioni maggiormente significativi al fine di indagare il comportamento del rivestimento e del materiale base (grado di adesione, presenza di fessurazioni, pit di corrosione, ecc.).
I risultati delle analisi effettuate oltre ai risultati più ovvi come un generale aumento della velocità di corrosione all’aumentare della temperatura della prova e l’esplosione di fenomeni corrosivi nell’ambiente con acido cloridrico, indicano un reale miglioramento del comportamento alla corrosione nell’acciaio al carbonio basso legato, specie nei rivestimenti applicati con tecnica FS e HVOF, che lo rendono molto vantaggioso dal punto di vista del rapporto costo/resistenza alla corrosione rispetto alla superlega Inconel 617.
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