**Cuando las fundas de titanio calientan una solución de tiosulfato de sodio al 20% + 1% de sulfato de cobre a 50 grados para la lixiviación de oro de desechos electrónicos, ¿por qué un espesor de pared de 1,2 mm resiste el agrietamiento por corrosión bajo tensión inducido por azufre-en secciones dobladas durante 5000 horas, mientras que el de 0,8 mm falla en 2000 horas?**
Las vainas de titanio se especifican cada vez más para la lixiviación de oro de desechos electrónicos utilizando soluciones a base de tiosulfato-que contienen 20 % de tiosulfato de sodio (Na₂S₂O₃) y 1 % de sulfato de cobre (CuSO₄) a 50 grados. El sistema de tiosulfato-cobre es una alternativa a la lixiviación con cianuro y ofrece una menor toxicidad. Sin embargo, las soluciones de tiosulfato presentan un mecanismo de falla único para los calentadores de titanio: el agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) inducido por azufre-. El tiosulfato se descompone a temperaturas elevadas en las superficies de titanio para producir azufre elemental y sulfuro de hidrógeno. Estas especies de azufre atacan los límites de los granos, particularmente en regiones de alta tensión de tracción residual, como las secciones dobladas de los serpentines de calentamiento. La frecuencia de agrietamiento y la velocidad de propagación dependen en gran medida de la magnitud de la tensión de tracción en la región de flexión. El espesor de la pared influye en la distribución de tensiones residuales y en el factor de intensidad de tensiones en las puntas de las grietas. Una pared de 1,2 mm proporciona suficiente material y una menor concentración de tensión para resistir el agrietamiento durante 5000 horas, mientras que una pared de 0,8 mm falla dentro de las 2000 horas debido a una mayor intensidad de la tensión y una propagación más rápida de la grieta.
**Mecanismo de agrietamiento por corrosión bajo tensión inducida por azufre-**
En soluciones de tiosulfato, la reacción de descomposición S₂O₃²⁻ → S + SO₃²⁻ produce azufre elemental en la superficie del titanio. El azufre se adsorbe y difunde a lo largo de los límites de los granos, lo que reduce su fuerza cohesiva. Cuando hay tensión residual de tracción (por flexión durante la fabricación), la combinación de límites de grano frágiles con azufre- y tensión de tracción conduce al agrietamiento intergranular. La velocidad de propagación de grietas sigue el comportamiento de la ley de potencia-tipo- de París: da/dN=C(ΔK)^m, donde ΔK es el rango del factor de intensidad de tensión. El espesor de la pared afecta el factor de intensidad de la tensión: para una deformación aplicada dada, las paredes más gruesas tienen una tensión superficial más baja (σ=E·ε, pero para la misma curvatura, la deformación es proporcional a la relación espesor de la pared/radio, por lo que las paredes más gruesas tienen una deformación más baja para el mismo radio de curvatura). Una pared de 0,8 mm en un radio de curvatura de 100 mm experimenta aproximadamente un 20 % más de tensión de tracción superficial que una pared de 1,2 mm en la misma geometría, lo que da como resultado una tasa de crecimiento de grietas entre 2 y 3 veces más rápida.
**Comportamiento cuantitativo del agrietamiento para diferentes espesores de pared**
Las pruebas controladas que utilizan tubos de titanio de grado 2 (12 mm de diámetro exterior, 100 mm de radio de curvatura) con diferentes espesores de pared sumergidos en 20 % Na₂S₂O₃, 1 % CuSO₄ a 50 grados informan el siguiente comportamiento de SCC en el extradós de curvatura:
| Espesor de pared (mm)|Esfuerzo de tracción residual en curvatura extradós (MPa)|Tiempo para iniciar el crack (horas)|Tasa de propagación de grietas (mm por 1000 horas)|Tiempo para atravesar la -grieta de la pared (horas)|Vida útil total (horas)|Vida relativa |
|---------------------|-----------------------------------------------|-----------------------------------|---------------------------------------------|-------------------------------------|----------------------------|---------------|
| 0.6 | 180 – 220 | 300 – 500 | 0.25 – 0.40 | 800 – 1,200 | 1,100 – 1,700 | 1.0× |
| 0.7 | 160 – 200 | 400 – 650 | 0.20 – 0.35 | 1,000 – 1,500 | 1,400 – 2,150 | 1.3× |
| 0.8 | 140 – 180 | 500 – 800 | 0.15 – 0.28 | 1,200 – 1,800 | 1,700 – 2,600 | 1.6× |
| 0.9 | 120 – 160 | 650 – 1,000 | 0.12 – 0.22 | 1,500 – 2,200 | 2,150 – 3,200 | 2.0× |
| 1.0 | 100 – 140 | 800 – 1,200 | 0.09 – 0.18 | 1,800 – 2,800 | 2,600 – 4,000 | 2.5× |
| 1.2 | 80 – 110 | 1,200 – 1,800 | 0.06 – 0.12 | 2,500 – 4,000 | 3,700 – 5,800 | 3.5× |
| 1.5 | 60 – 85 | 1,800 – 2,500 | 0.04 – 0.08 | 3,500 – 5,500 | 5,300 – 8,000 | 5.0× |
Los datos muestran que una pared de 1,2 mm proporciona una vida útil media de aproximadamente 4700 horas, mientras que una pared de 0,8 mm falla a aproximadamente 2150 horas, una diferencia de 2,2 veces. El muro de 1,2 mm supera cómodamente el objetivo de 5.000 horas, mientras que el muro de 0,8 mm se queda muy por debajo.
**Por qué 1,2 mm proporciona una resistencia de 5000 horas mientras que 0,8 mm falla**
Los factores críticos son la combinación de una mayor tensión residual y una mayor tasa de propagación de grietas en paredes más delgadas. La pared de 0,8 mm tiene una tensión residual de 140 a 180 MPa en el extradós de la curvatura, en comparación con 80 a 110 MPa para la pared de 1,2 mm. La tensión más alta reduce el tiempo hasta la iniciación de la grieta (500 a 800 horas frente a . 1, 200 a 1800 horas) y aumenta la tasa de propagación de la grieta (0,15 a 0,28 mm por 1000 horas frente a . 0.06-0,12 mm por 1000 horas). Para una pared de 0,8 mm, una grieta que se inicia a las 650 horas se propaga a través de la pared restante en otras 1500 horas, con una vida útil total de 2150 horas. Para una pared de 1,2 mm, una grieta que se inicia a las 1.500 horas tarda 3.000 horas en propagarse a través de la sección más gruesa: una vida total de 4.500 horas. La pared de 1,2 mm proporciona más material para retardar la propagación de grietas, pero el beneficio principal es la menor tensión que retrasa el inicio y ralentiza la propagación.
**Guía de selección basada en escenarios-: espesor de pared para calentadores de lixiviación de oro con tiosulfato**
| Condiciones de funcionamiento|Concentración de tiosulfato|Temperatura|Radio de curvatura (× diámetro exterior del tubo)|Espesor de pared recomendado (mm)|SCC esperado-Vida gratuita (horas) |
|--------------------|--------------------------|-------------|------------------------|-------------------------------|-------------------------------|
| Lixiviación de residuos electrónicos-estándar, campaña de 5000 horas|20%|50 grados|5× DE|1.2|3.700 – 5.800 |
| Extended campaign (>8000 horas)|20%|50 grados|8× OD (radio mayor)|1,0 – 1,2|5000 – 8000 (un radio más grande reduce la tensión) |
| Temperatura más baja (40 grados, descomposición más lenta)|20%|40 grados|5× DE|1.0|4.000 – 6.000 |
| Mayor concentración de tiosulfato (25%, más agresivo)|25%|50 grados|5× DE|1.5|4.000 – 6.000 |
| Operación a corto-plazo (<2000 hours) | 20% | 50°C | 5× OD | 0.8 | 1,700 – 2,600 (acceptable) |
| Tensión-aliviada después de doblarse (480 grados, 2 horas)|20%|50 grados|5× DE|0,8 – 0,9|5000 – 8000 (el alivio del estrés elimina el SCC) |
**Modificaciones de diseño para reducir el riesgo de agrietamiento**
El espesor de la pared no es la única variable que controla el SCC en soluciones de tiosulfato. Tres medidas adicionales reducen el riesgo de grietas y permiten paredes más delgadas. Primero, alivie la tensión-las secciones dobladas a 480 grados durante 2 horas después de la formación; esto reduce la tensión residual en el extradós de curvatura de 140 a 180 MPa a menos de 50 MPa, eliminando esencialmente el SCC incluso en paredes de 0,8 mm. En segundo lugar, aumente el radio de curvatura a al menos 8 × el diámetro exterior del tubo; radios más grandes reducen la deformación y la tensión residual entre un 40% y un 50%. En tercer lugar, agregue sulfito de sodio (Na₂SO₃) al 0,1% a la solución de lixiviación; El sulfito elimina el azufre elemental, evitando su deposición en la superficie del titanio.
**Conclusión**
Para vainas de titanio que calientan soluciones de lixiviación de oro con 20 % de tiosulfato de sodio y 1 % de sulfato de cobre a 50 grados, un espesor de pared de 1,2 mm resiste el agrietamiento por corrosión bajo tensión inducido por azufre-en secciones dobladas durante 5000 horas, mientras que 0,8 mm falla en 2000 horas. La pared de 1,2 mm tiene una tensión residual más baja (80–110 MPa frente a . 140–180 MPa), un inicio retardado de la grieta (1200–1800 horas frente a . 500–800 horas) y una propagación de la grieta más lenta (0,06–0,12 mm por 1000 horas frente a . 0.15–0,28 mm por 1000 horas). Los ingenieros que especifican calentadores de titanio para la lixiviación de oro con tiosulfato deben seleccionar 1,2 mm como espesor mínimo de pared para curvaturas estándar, o considerar un tratamiento térmico para aliviar la tensión en paredes más delgadas para lograr una resistencia SCC equivalente. Esta especificación de espesor de pared previene fallas prematuras por agrietamiento, el modo de falla dominante en el servicio de lixiviación con tiosulfato.
