Высокотемпературная коррозия в расплавленных солях

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2021

МИнИстЕрство наУкИ И высшЕго образованИя  

россИйской ФЕдЕрацИИ

УральскИй ФЕдЕральный УнИвЕрсИтЕт  

ИМЕнИ пЕрвого прЕзИдЕнта россИИ б. н. ЕльцИна

высокотЕМпЕратУрная 

коррозИя
в расплавлЕнныХ соляХ

Учебно-методическое пособие

рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета  
в качестве учебно-методического пособия
для студентов вуза, обучающихся по направлению подготовки
18.04.01 «Химическая технология»

© Уральский федеральный университет, 2021
ISBN 978-5-7996-3284-7

А в т о р ы:
Е. В. Никитина, О. Ю. Ткачева, Э. А. Карфидов,
А. В. Руденко, А. Р. Муллабаев

Под общей редакцией
Е. В. Н и к и т и н о й

Р е ц е н з е н т ы:
кафедра химии Уральского государственного горного университета 
(заведующий кафедрой доктор технических наук, профессор А. М. А м д у р);
Д. А. М е д в е д е в, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник 
Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН

УДК 661.8(07)
ББК 35.35я7
 
В932

Высокотемпературная коррозия в расплавленных солях : учебнометодическое пособие / Е. В. Никитина, О. Ю. Ткачева, Э. А. Карфидов, А. В. Руденко, А. Р. Муллабаев ; под общ. ред. Е. В. Никитиной ; 
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, 
Уральский федеральный университет. — Екатеринбург : Изд-во 
Урал. ун-та, 2021. — 116 с. : ил. — Библиогр.: с. 81 — 30 экз. — 
ISBN 978-5-7996-3284-7. — Текст : непосредственный.

ISBN 978-5-7996-3284-7

В учебно-методическом пособии излагаются основные закономерности коррозии в расплавленных солях, методы ее исследования и способы 
защиты. Пособие нацелено на формирование у студентов целостного представления о сущности современного электрохимического технологического 
процесса в расплавленных солях.
Предназначено для проведения практических занятий и лабораторных 
работ по дисциплине «Основы электрохимической технологии» студентами, 
обучающимися по направлению 18.04.01 «Химическая технология».

В932

УДК 661.8(07)
ББК 35.35я7

ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ

От авторов .......................................................................................................5
1. Коррозия металла. Общие понятия ....................................................7
 
1.1. Виды коррозии ...................................................................................9
 
1.2. Способы защиты от коррозии ........................................................10
 
1.3. Порядок записи уравнения процесса гальванокоррозии .............10
 
Контрольные задания .............................................................................13

2. Определение весового и глубинного показателей скорости 
коррозии металлических материалов в различных типах 
расплавов .....................................................................................................15
 
2.1. Зависимость процесса коррозии в расплавах от природы 
 
металла ....................................................................................................16
 
2.2. Коррозия в кислородсодержащих расплавах — карбонатах 
 
и нитратах щелочных металлов ............................................................16
 
 
2.2.1. Коррозия в расплавленных карбонатах. .............................17
 
 
2.2.2. Коррозия в расплавленных нитратах щелочных 
 
 
и щелочноземельных металлов .....................................................22
 
2.3. Коррозия в расплавленных галогенидах щелочных металлов 
 
(хлоридах и фторидах щелочных металлов) ........................................25
 
Задания к лабораторной работе «Определение весового 
 
и глубинного показателей скорости коррозии металлических 
 
материалов в различных типах расплавов» .........................................29
 
Контрольные вопросы ............................................................................37

3. Определение потенциала коррозии в расплавленных солях ........39
 
3.1. Потенциал коррозии ........................................................................39
 
3.2. Измерение потенциала коррозии металлических материалов 
 
в кислородсодержащих расплавах. Электроды сравнения .................41
 
3.3. Измерение потенциала коррозии металлических материалов 
 
в галогенидных расплавах. Электроды сравнения ..............................44
 
Задания к лабораторной работе «Определение потенциала 
 
коррозии в расплавленных солях» ........................................................49
 
Контрольные вопросы ............................................................................53

4. Электрохимическая диагностика коррозионных процессов. 
Определение тока коррозии .....................................................................55
 
4.1. Электрохимические характеристики коррозионных процессов 
 
в кислородсодержащих расплавах ........................................................55
 
 
4.1.1. Метод поляризационных кривых ........................................55
 
 
4.1.2. Анодная поляризационная кривая.......................................57
 
4.2. Анодное окисление железа и хрома в расплавленных 
 
карбонатах щелочных металлов ...........................................................60
 
Задания к лабораторной (практической) работе 
 
«Электрохимическая диагностика коррозионных процессов. 
 
Определение тока коррозии» .................................................................61
 
Контрольные вопросы ............................................................................62

5. Локальные виды коррозии. Анализ твердых продуктов 
коррозии .......................................................................................................63
 
5.1. Локальные виды коррозии ..............................................................63
 
Контрольные вопросы ............................................................................71

6. Деградационные процессы в керамических материалах. 
Высокотемпературная коррозия керамики ..........................................74

Заключение. Коррозионный мониторинг ..................................................80
Список рекомендуемой литературы ...........................................................81
Приложение
 
Справочный информационный материал ............................................82

Светлой памяти И. Н. Озеряной 
и В. П. Кочергина посвящаем

ÎÒ ÀÂÒÎÐÎÂ

Разрушение и деградация материалов под действием химически 
агрессивных сред — коррозия — серьезная проблема для любого 
технологического процесса. В солевых расплавах высокая температура и концентрация агрессивных веществ, высокая скорость 
протекания процесса делают неприменимыми многие классические 
методы снижения коррозионных потерь, применяющиеся в низкотемпературных средах. При этом принципиально изменяется 
механизм коррозии металлических материалов, резко возрастает 
ее скорость, изменяется характер коррозионных поражений, и разрушения зачастую приобретают катастрофический характер. Теоретическое описание высокотемпературных коррозионных процессов 
в настоящее время далеко от совершенства.
Сейчас солевые расплавы привлекают все больше внимания 
как перспективные технологические среды из-за возможности их 
использования при переработке облученного ядерного топлива 
с малым временем выдержки. Это связано с увеличением эффективности разделения основных компонентов топлива, удалением 
продуктов деления, в первую очередь редкоземельных элементов, 
которые являются нейтронными ядами.
Оборудование для высокотемпературных электрохимических 
технологий, переработки отработанного ядерного топлива и разделения его компонентов подвергается воздействию ряда факторов, 
усугубляющих коррозию. Высокая температура, большой температурный диапазон эксплуатации различных технологических узлов, 
высокая коррозионная активность среды, движение среды, ее неоднородный состав, высокая вероятность гидролиза при контакте 

с воздухом, возможность образования шламовых продуктов, оказывающих абразивное действие — все это значительно снижает срок 
эксплуатации металлических и керамических материалов. Изучение 
коррозии в расплавленных солях в сравнении с изучением коррозионных процессов в низкотемпературных средах требует принципиально больших трудовых и временных затрат. Следует отметить, 
что отсутствуют единые стандарты для оценки степени разрушения 
металлических материалов в солевых расплавах, а керамические 
материалы на предмет стойкости к высокотемпературной коррозии 
вообще систематически не исследованы.
Создание учебно-методического пособия, которое позволит 
студентам приобрести навыки изучения процессов коррозии в расплавленных солях и способов снижения коррозионных потерь 
в технологических процессах в расплавленных солях является необходимым и актуальным. 
Пособие предназначено для самостоятельной подготовки студентов к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Основы 
электрохимической технологии» по направлению 18.03.01 «Химическая технология». Состоит из шести глав. В первых четырех 
главах кратко изложены теоретические основы коррозиологии 
и способы определения основных показателей коррозионного процесса в расплавленных солях. В пятой главе представлены основы 
классификации видов коррозионных поражений на металлических 
электродах в расплавленных солевых электролитах различного состава, в шестой главе рассмотрены подходы к изучению деградации 
керамических материалов в расплавленных солях.
Учебно-методическое пособие является итогом совместной 
методической и научной деятельности сотрудников Института 
высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН 
и преподавателей кафедры технологии электрохимических производств Уральского федерального университета.

1. ÊÎÐÐÎÇÈß ÌÅÒÀËËÀ. ÎÁÙÈÅ ÏÎÍßÒÈß

Общепринятое определение: «Коррозия — процесс самопроизвольного разрушения металлов и сплавов в результате их взаимодействия с окружающей средой по химическому, электрохимическому 
и биологическому механизмам» в расплавленных солевых электролитах нуждается в доработке и конкретизации. 
В результате коррозии ежегодно теряется до 1,5 % всего металла, накопленного и эксплуатируемого человечеством, или 10–12 % 
вновь выплавляемого металла (т. е.  каждая шестая домна работает 
на восполнение потерь металла от коррозии).
Коррозия приводит к безвозвратным потерям, преждевременному выходу из строя дорогостоящих и ответственных изделий 
и сооружений, нарушению технологических процессов и простоям 
оборудования, авариям. Коррозия приводит к значительным убыткам, которые составляют около 5 % национального дохода (около 
70 млрд долл. в год в США).
Скорость коррозии — величина, характеризующая интенсивность растворения металла. Существует весовой (изменение массы 
металла в единицу времени с единицы площади поверхности), 
глубинный (уменьшение толщины нетронутого коррозией металла 
в единицу времени) и другие показатели коррозии. 
Скорость коррозии (весовой показатель) рассчитывается по формуле

 

2
1
m
m
v
S t



, 

где v — скорость коррозии материала, г/м2 · ч;
S — площадь материала, контактирующего с агрессивной средой, м2;
t — время выдержки материала в агрессивной среде, ч;

m1 — масса образца материала до начала выдержки (опыта), г;
m2 — масса образца материала после окончания выдержки 
(опыта), г.
Глубинный показатель (мм/год) определяется с использованием 
плотности исследуемого металлического материала и рассчитывается по формуле 

 
,
d
 


8760
Ï
1000

где v — скорость коррозии материала, г/м2 · ч;
d — плотность материала, г/см3;
8 760 — количество часов в году, ч/г.
Глубинный показатель наиболее информативен для коррозии 
со сплошным характером.
Химическая коррозия — процесс разрушения металла, протекающий в среде газа, неэлектролита, путем непосредственного перехода 
электронов от атомов металла к окислителю. Принято считать, что 
химическая коррозия не сопровождается появлением электрического 
тока. Например, появление окалины при термообработке происходит 
в результате взаимодействия металла с кислородом воздуха (газовая 
коррозия), коррозия резервуаров с моторным топливом вызвана 
взаимодействием с углеводородами.
Электрохимическая коррозия — процесс самопроизвольного 
разрушения металла, протекающий в среде электролита. К электрохимической коррозии относятся все случаи разрушения металла 
в водных средах и во влажных газах, где происходит конденсация 
капель воды на поверхности металла. Реакции окисления металла 
и восстановления компонента окружающей среды пространственно 
разделены. Процесс электрохимической коррозии всегда сопровождается возникновением электрического тока.
Окислителями в коррозионном процессе при обычной температуре могут быть вода, ионы водорода, растворенный в воде кислород.
Катодные процессы:
2H2О + 2е = Н2 + 2ОН–;
2Н+ + 2е = Н2;
О2 + 2Н2О + 4е = 4ОН–;

О2 + 4Н+ + 4е = 2Н2О.
Анодный процесс — процесс окисления металла:
Me – ze = Mez+.
Зная значения стандартных электродных потенциалов для металла и возможных окислителей (деполяризаторов), можно оценить 
устойчивость металла в различных средах. Исключить коррозионное 
разрушение невозможно, но можно и нужно защищать материал 
от коррозии.

1.1. Виды коррозии

1. Коррозия бывает сплошная и локальная, питтинговая, межкристаллитная, ножевая (вдоль сварных швов, когда происходит 
усиленное разрушение границ зерен и включений).
2. Коррозия под напряжением — воздействие на металл растягивающих напряжений и коррозионной среды одновременно. 
Проявляется в коррозионном растрескивании. 
3. Коррозионная усталость — одновременное воздействие 
динамической знакопеременной нагрузки и коррозионной среды — снижает предел устойчивости металла. Для предотвращения 
ее необходимы поверхностное упрочнение, электрохимическая защита, нанесение покрытий, тщательный подбор металла, введение 
изолирующих прокладок, покрытий.
4. Коррозионный износ — одновременное воздействие коррозионной среды и высокой скорости потока среды.
5. Фреттинг-коррозия — повреждение металлических деталей 
при их малых повторных смещениях друг относительно друга.
6. Коррозионно-механическое воздействие разрушает оксидные 
пленки, увеличивает скорость коррозии, способствует образованию 
порошкообразных оксидов. Встречается в болтовых, заклепочных, 
штифтовых соединениях. Проявляется в виде борозд, язв, раковин, 
сопровождается заклиниванием и снижением предела коррозионной 
усталости.

1.2. Способы защиты от коррозии

1. Нанесение защитных покрытий различной природы. В высокотемпературных расплавах возможно нанесение металлических 
и неорганических покрытий различными способами, в том числе 
непосредственно в солевом расплаве, а лакокрасочные покрытия 
исключены в силу природы среды. 
2. Легирование металлического материала. Для эксплуатации 
в расплавах разработаны специальные жаропрочные и жаростойкие 
материалы, но, как правило, их сложный состав приводит к межкристаллитной коррозии, и механизм коррозии металлических 
материалов имеет принципиально другой характер по сравнению 
с низкотемпературным процессом коррозии того же материала.
3. Снижение агрессивного действия коррозионной среды (ингибирование, деаэрация). Может быть использовано в расплавленных 
солях, но активаторы (стимуляторы) и пассиваторы (ингибиторы) 
коррозии в расплавленных солях в каждом случае специфичны, и использование этого метода защиты от коррозии требует проведения 
предварительных исследований.
4. Рациональное конструирование. Для предотвращения коррозии необходимо рационально подходить к конструированию 
электрохимических и прочих высокотемпературных устройств еще 
на стадии проектирования.
5. Электрохимическая защита (анодная и катодная). Практически 
не встречается в расплавленных солях, как и протекторная защита.

1.3. Порядок записи уравнения процесса 
гальванокоррозии

1. Определить окислительно-восстановительные потенциалы 
контактирующих металлов в соответствующей коррозионной среде, 
основываясь на справочной литературе.
2. Указать анод гальванопары — электрод с более отрицательным 
потенциалом. 
3. Указать катод гальванопары — металл с более положительным 
потенциалом.