銅冶煉煙氣制酸系統(tǒng)循環(huán)冷卻水腐蝕與緩蝕研究

趙 輝，解維平

（山東恒邦冶煉股份有限公司，山東煙臺(tái)264109）

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是有色金屬冶煉煙氣制酸系統(tǒng)必不可少的一部分，主要包括換熱設(shè)備、冷卻設(shè)備、循環(huán)泵及管道等設(shè)施。循環(huán)水通過(guò)換熱設(shè)備進(jìn)行熱量交換以保證生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而腐蝕現(xiàn)象在換熱設(shè)備中普遍存在，換熱設(shè)備的損壞90%是由腐蝕導(dǎo)致的[1]。針對(duì)碳鋼等普通材質(zhì)，腐蝕可分為酸堿腐蝕、鹽類腐蝕、電化學(xué)腐蝕、微生物腐蝕和化學(xué)清洗腐蝕等[2]。電化學(xué)腐蝕是腐蝕類型中最為常見(jiàn)的，鹽類腐蝕和微生物腐蝕通過(guò)增加離子濃度或增加沉積物等加劇電化學(xué)腐蝕[3-4]。

在工業(yè)生產(chǎn)中，減緩腐蝕常用的手段主要有涂刷防腐層、選擇合適的防腐材料、調(diào)節(jié)pH值、添加緩蝕劑等[5]。防腐材料的研制與應(yīng)用雖然一直是科學(xué)研究的熱點(diǎn)，但因成本和應(yīng)用場(chǎng)景的限制導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用方面進(jìn)展緩慢。電化學(xué)技術(shù)主要是通過(guò)在陰極施加直流電減少氯離子的電荷轉(zhuǎn)移和降低產(chǎn)生金屬離子的量從而達(dá)到緩蝕作用，但緩蝕效果有限。目前來(lái)看，添加緩蝕劑仍然是減少腐蝕最為經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單和有效的方法[6]。筆者以某銅冶煉企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)分析補(bǔ)水的腐蝕性及緩蝕效果，為企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)提供一定的借鑒作用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)水樣

試驗(yàn)水樣為某銅冶煉公司煙氣制酸系統(tǒng)凈化涼水塔的補(bǔ)水，其pH值為7.57，溫度為37 ℃，主 要成分見(jiàn)表1。

表1 補(bǔ)水主要成分 ρ: mg/L

1.2 試劑與材料

緩蝕劑JSB-010為復(fù)配膦系緩蝕劑；試驗(yàn)腐蝕片為Ⅰ型A3標(biāo)準(zhǔn)Q235B碳鋼掛片，規(guī)格為50 mm×25 mm×2 mm，表面積 28 cm2；無(wú)水乙醇（分析純）；鹽酸（分析純）；氫氧化鈉（分析純）。

1.3 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)使用的主要設(shè)備為RCC-III型旋轉(zhuǎn)掛片腐蝕儀和FA2004電子分析天平。

1.4 試驗(yàn)方法

使用無(wú)水乙醇擦拭A3標(biāo)準(zhǔn)碳鋼掛片，晾干后置于干燥器中干燥4 h，稱量，記錄質(zhì)量m1。然后取1 L補(bǔ)水于燒杯中，置于45 ℃的水浴內(nèi)，按不同濃度投加緩蝕劑JSB-010，燒杯內(nèi)補(bǔ)水溫度升到45 ℃后，懸掛A3標(biāo)準(zhǔn)碳鋼掛片并啟動(dòng)腐蝕儀。待試驗(yàn) 72 h 后，取出掛片按照 GB/T 18175—2014《水處理劑緩蝕性能的測(cè)定 旋轉(zhuǎn)掛片法》對(duì)掛片進(jìn)行酸洗和堿洗等處理并稱量，記錄質(zhì)量m2，其中酸洗空白試驗(yàn)損失質(zhì)量為m0。腐蝕速率V按公式（1）計(jì)算，緩蝕率W按公式（2）計(jì)算：

式中：V——腐蝕速率，mm/a；

8 760 ——年小時(shí)數(shù)，h/a；

m1——掛片原始質(zhì)量，g；

m2——掛片腐蝕后質(zhì)量，g；

m0——掛片酸洗空白試驗(yàn)損失質(zhì)量，g；

10——與1 cm相當(dāng)?shù)暮撩讛?shù)，mm/cm；

s——掛片表面積，cm2；

ρ——掛片的密度，g/cm3；

t——腐蝕時(shí)間，h。

式中：W——緩蝕率，%；

V——添加緩蝕劑后的腐蝕速率，mm/a；

V0——未添加緩蝕劑的腐蝕速率，mm/a。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)及腐蝕性分析

2.1.1 水質(zhì)分析

循環(huán)水的腐蝕與緩蝕都是基于循環(huán)冷卻水的穩(wěn)定程度，目前判斷循環(huán)冷卻水的穩(wěn)定程度主要依靠水質(zhì)判斷指數(shù)。以朗格利爾提出并推導(dǎo)的飽和pH（pHs）[7]的概念最具代表性，pHs是已知Ca量和堿度的水，處于碳酸鈣平衡時(shí)的pH值。pHs可由多種方法得出，包括計(jì)算表、朗格利爾計(jì)算圖、涅耳底爾計(jì)算圖等方法。筆者以計(jì)算表分析凈化涼水塔補(bǔ)水的水質(zhì)穩(wěn)定性，查pHs計(jì)算表，按公式（3）計(jì)算：

式中：S——含鹽量系數(shù)；

T——溫度系數(shù)；

H——硬度系數(shù)；

A——堿度系數(shù)。

以pHs為基礎(chǔ)的雷茲定穩(wěn)定指數(shù)RSI可用于判斷水的腐蝕傾向和腐蝕程度[8]。RSI的值按公式（4）計(jì)算，水質(zhì)的判斷依據(jù)見(jiàn)表2。

表2 水質(zhì)的判斷依據(jù)

式中：pH值——水的實(shí)際pH值；

pHs——飽和pH值。

根據(jù) 1.1 中補(bǔ)水全鹽量 （ρ）859.77 mg/L、溫度37 ℃、硬度 （ρ）291.3 mg/L、堿度 （ρ）139.2 mg/L，S 值、T值、H值和A值分別取0.2、1.8、2.1和2.1，計(jì)算得出補(bǔ)水的pHs=7.1，RSI=6.64。因此，判定補(bǔ)水具有輕微腐蝕性。

2.1.2 腐蝕性分析

通過(guò)掛片腐蝕試驗(yàn)驗(yàn)證補(bǔ)水的腐蝕性，在不添加緩蝕劑的條件下腐蝕試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行72 h，腐蝕量 m1-m2-m0=0.021 9 g，根據(jù)公式 （1）計(jì)算補(bǔ)水對(duì)Q235B碳鋼的腐蝕速率為0.121 mm/a，腐蝕情況見(jiàn)圖1。

圖1 補(bǔ)水對(duì)掛片的腐蝕

由圖1可以看出：Q235B碳鋼掛片表面粘有軟垢和紅色銹狀物，清理干凈后表面不光滑，有較明顯的腐蝕。為摸索腐蝕規(guī)律，每隔24 h取出掛片稱量并計(jì)算腐蝕速率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同試驗(yàn)時(shí)間下的腐蝕速率

從圖2可以看出：腐蝕速率隨腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)呈增加趨勢(shì)。分析其原因有：①隨著腐蝕的發(fā)生，光滑的表面出現(xiàn)腐蝕坑或腐蝕面，導(dǎo)致與水接觸的表面積增加，從而增加了腐蝕速率；②腐蝕坑內(nèi)更容易形成原電池，加重電化學(xué)腐蝕，隨著腐蝕坑的增加，電化學(xué)腐蝕更加嚴(yán)重；③時(shí)間越長(zhǎng)結(jié)垢越多，垢下腐蝕也隨之增加，直至緊密的硬垢形成保護(hù)層。這也可以解釋新設(shè)備的耐腐蝕性能更好，而舊設(shè)備的腐蝕速率相對(duì)較高。

2.2 緩蝕分析

2.2.1 緩蝕劑用量

緩蝕劑JSB-010是由羥基乙叉二膦酸（HEDP）等多種藥劑復(fù)配的一種以陰極為主的混合型緩蝕劑。緩蝕劑JSB-010的緩蝕機(jī)理是在金屬表面形成保護(hù)層，抑制反應(yīng)的活化點(diǎn)，即抑制陰極析氫反應(yīng)和陽(yáng)極溶解反應(yīng)。為摸索緩蝕劑JSB-010的最佳用量，分別按質(zhì)量濃度30，50，80，100 mg/L進(jìn)行緩蝕試驗(yàn)，不同緩蝕劑用量條件下的腐蝕速率見(jiàn)圖3。

圖3 不同緩蝕劑用量條件下的腐蝕速率

由圖3可以看出：隨著緩蝕劑JSB-010用量的增加，腐蝕速率呈下降趨勢(shì)，當(dāng)緩蝕劑質(zhì)量濃度達(dá)到 100 mg/L 時(shí)，腐蝕速率僅為 0.024 mm/a（緩蝕率為79.34%），滿足HG/T 2431—2018《水處理劑 阻垢緩蝕劑Ⅲ》中緩蝕阻垢劑的腐蝕速率小于等于0.075 mm/a的要求。從試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，緩蝕劑JSB-010質(zhì)量濃度在80 mg/L以下時(shí)，掛片表面結(jié)有較多的軟垢和銹狀物，且垢下腐蝕較為明顯。當(dāng)緩蝕劑質(zhì)量濃度達(dá)到80 mg/L時(shí)，掛片表面的軟垢和銹狀物明顯減少，僅在側(cè)邊和掛孔處存在一定的腐蝕。當(dāng)緩蝕劑質(zhì)量濃度達(dá)到100 mg/L時(shí)，掛片表面光滑，僅在掛孔處存在輕微腐蝕，主要是掛孔處與旋轉(zhuǎn)軸（PVC材質(zhì)）連接，緩蝕劑無(wú)法在PVC材料表面形成保護(hù)層導(dǎo)致的。因此，針對(duì)凈化涼水塔補(bǔ)水水質(zhì)，確定緩蝕劑JSB-010的最佳用量為質(zhì)量濃度100 mg/L。

2.2.2 補(bǔ)水溫度

為考察溫度對(duì)緩蝕劑JSB-010的影響，保持緩蝕劑質(zhì)量濃度100 mg/L，調(diào)節(jié)補(bǔ)水溫度在25～50℃的條件下進(jìn)行了緩蝕試驗(yàn)，不同溫度條件下的腐蝕速率見(jiàn)圖4。

圖4 不同溫度條件下的腐蝕速率

從圖4可以看出：隨著溫度升高，腐蝕速率呈上升趨勢(shì)，當(dāng)補(bǔ)水溫度達(dá)到50 ℃時(shí)，腐蝕速率為0.031 mm/a。凈化涼水塔循環(huán)水回水溫度一般低于45 ℃，因此，緩蝕劑JSB-010在凈化涼水塔能起到較好的緩蝕作用。

2.2.3 緩蝕劑穩(wěn)定性驗(yàn)證

為驗(yàn)證緩蝕劑JSB-010的緩蝕穩(wěn)定性，在緩蝕劑JSB-010質(zhì)量濃度100 mg/L的條件下進(jìn)行了6組平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 緩蝕穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

從圖5可以看出：緩蝕劑JSB-010的緩蝕性能穩(wěn)定，緩蝕效果良好。

3 結(jié)論

1）通過(guò)RSI指標(biāo)判斷凈化涼水塔補(bǔ)水是具有輕微腐蝕性的水質(zhì)，試驗(yàn)得出補(bǔ)水的腐蝕速率一般在0.121 mm/a以上。腐蝕速率隨著腐蝕時(shí)間的增加而增加，即存在一定腐蝕的設(shè)備更易被腐蝕。

2）緩蝕劑JSB-010可應(yīng)用于銅冶煉煙氣制酸系統(tǒng)凈化涼水塔，緩釋劑最佳質(zhì)量濃度為100 mg/L，在此條件下的緩蝕率為79.34%，且緩蝕性能穩(wěn)定。