황산(H2SO4) 취급 시 스테인리스강 선정

일반적으로 황산은 농축되면 산화되지만, 저농도 및 '중간' 농도에서 감소한다.
대부분의 스테인리스강 유형은 일반적으로 저농도 또는 고농도에서는 내성이 있지만 중간 농도에서 내부식성이 떨어진다.
상업적으로 유통되는 황산의 농도는 약 96 wt %이다(비중: = 1.84).

 

 

 

황산(H2SO4) 취급 시 스테인리스강 선정

 

스테인리스강의 내식성(Isocorrosion Diagram)

다음 등식 다이어그램(Isocorrosion Diagram)에서 각 라인은 0.1 mm/년 부식률을 나타낸다. 이는 일반적으로 허용 가능한(acceptable) 성능과 허용되지 않는(unacceptable) 성능 사이의 경계로 간주한다. (끊긴 선은 boiling point를 나타낸다.)

 

Isocorrosion diagram, 0.1 mm/year, for austenitic stainless steels in naturally aerated sulphuric acid of chemical purity. Broken-line curve represents the boiling point.

 

 

 

 

특정 등급에 대한 설명

18-10(1.1241, 304) – 상온(room temperature)에서 최대 5%의 희석산 제한 사용. 온도가 빠르게 상승하면 강철은 무용지물이 된다. 상온에서 약 90% 이상 허용 가능.

17-12-2.5(1.4401, 316) – 이 등급은 저농도의 경우 304에 비해 상당한 이점을 제공하며, 상온에서는 최대 22%까지 기온이 40℃까지 점차 낮아진다. 그리고 나서 60℃에서는 약 5%로 급히 잇점이 사라진다.

Duplex Steels – 2304(1.4362)는 상온에서 1.4401(316)과 유사하지만 온도에 따라 서서히 떨어져 80℃에서 8% 정도를 허용한다. 1.4462(2205)는 상온에서 40%까지 허용되지만 80℃에서 약 12%까지로 허용이 제한된다. 
Superduplex 2507(1.4410)은 상온에서 45%로 제한적인 개선만을 제공합니다.

904L(1.4539) – 이 강철은 황산 취급을 위해 특별히 개발되었으며 최대 35℃까지 전체 농도 범위에서 사용할 수 있습니다.

 

 

스테인리스강에 대한 합금 첨가물이 내식성에 미치는 영향

스테인리스강 304보다 316이 내식성이 개선된 것은 몰리브덴이 추가되었기 때문이다.
1.4539(904L) 등급에서 몰리브덴과 구리를 추가로 첨가하면 내식성이 확장된다.
또한 타입 316 및 등급 1.4539에서 몰리브덴은 산에 불순물로 존재할 때 염화물의 공격에 대한 저항성을 향상시키는 데 도움이 된다.

구리의 합금 첨가는 황산의 중간 농도에서 스테인리스강의 저항을 확장하는 데 가장 유용하다.
1.4501 등급과 같은 구리가 함유된 2상계 스테인리스강도 황산 취급에 선정 재질로 고려될 수 있다.

고온의 고농축 산성 적용에는 1.4361 등급과 같은 실리콘 스테인리스강을 고려해야 한다.

 

 

 

재질 선정에 대한 추가 고려 사항

농축산
높은 온도에서의 고농도 황산(98-100%)의 희석 시 내성에 약간의 변화가 있을 수 있다.
또한 속도 증가 또는 산화 조건 감소도 내식성에 영향을 미칠 수 있다.

불순물
황산에 염화물(chlorides)이 있으면 추가적인 위험이 있을 수 있다.
염산(HCl)은 온도에 따라 염화나트륨에서 황산으로 분리돼 보다 부식성 물질로 변할 수 있다.

 

황산의 '자체 희석'으로 인한 부식 위험

황산은 물과 친화력이 강하여 주변으로부터 물을 뽑아내어 스스로 희석시킨다.
그 결과, 예를 들어 90% 이상의 304형 스테인리스강과 접촉하기 위해 '안전하게' 농축된 것으로 생각되는 산이 물을 집어들면 실제로 강철을 공격할 수 있습니다.
이는 개방된 포장 용기에서 공기 중 수분이 산을 희석시켜 ‘liquid-line’ 주변의 부식이 발생할 수 있다.

스테인리스강의 저항도 온도에 따라 달라진다.
산을 희석할 때 열이 발생하므로 국소적으로 따뜻한 상태가 나타날 수 있으며, 이로 인해 묽은 산의 공격 위험이 증가할 수 있다.

온도에 대한 민감도는 가열  또는 열 교환기 설비의 ‘hot wall’ 효과에서도 위험도 발생할 수 있다.

 

 

공기 혼합 및 산화 조건의 영향

황산에 공기나 산화제가 함유되어 있으면 스테인리스강의 내식성이 높아집니다.
스테인리스강은 공기 제거된 황산에 대한 저항이 낮다. 
Fe3+, Cu2+, Sn4+와 같은 환원성 이온은 효과적인 산화제이며 산에 존재할 경우 부식을 줄일 수 있습니다.
마찬가지로 황산에 함유된 크롬산이나 질산과 같은 산화제는 부식률을 낮춘다.
황산에 97% 이상의 농도가 존재하는 용해된 삼산화황(SO3)은 부식률을 낮출 수도 있다.
크롬 함량은 강철의 저항에 중요하므로 산화제가 존재할 때 310을 고려할 수 있으므로 여분의 크롬(25%)을 사용할 수 있다.

묽은 황산에서 적당히 산화되면 ICC(localised intercrystalline attack)가 발생할 수 있다.
특히 304 또는 316 유형에서 '표준' 탄소가 '감응'되는 경우와 같이 크롬이 국소적으로 감소될 경우 ICC가 발생할 수 있다.
이러한 이유로 용접 열영향부(HAZ) 부위를 열처리할 수 없는 경우 304L 유형 또는 321과 같은 안정화 유형이 사용된다.

 

흐름 속도의 영향

스테인리스강은 고농축산(90-98%)의 유량을 처리하는 데 탄소강보다 적합하다.
스테인리스강의 passive layer는 난류(turbulent flow) 조건에서 탄소강에 형성된 ferrous sulphate layer보다 안정적입니다.
유량은 농도와 온도의 능동/수동 영역에 접근함에 따라 문제가 될 수 있습니다.

 

Reference : https://secure.outokumpu.com/steelfinder/Corrosion/Default.aspx

https://bssa.org.uk/bssa_articles/selection-of-stainless-steels-for-handling-sulphuric-acid-h2so4/