鋅白銅多組分除垢合金及除垢器生產技術

羅顯龍，黃 華，孫曉帆，羅光政，張 輝

（1.遼寧中車軌道交通裝備有限公司金屬功能材料研究院，遼寧 遼陽 111212；2.鞍山師范學院，遼寧 鞍山114001；3.遼寧中車軌道交通裝備有限公司，遼寧 遼陽 111212；4.遼陽市鍋爐壓力容器檢驗研究所，遼寧 遼陽 111000）

1 前言

銅是人類最早使用的金屬之一，不僅可以單體存在，還能與許多金屬組成合金。白銅是銅鎳二元合金，鋅白銅是在銅鎳合金中添加鋅元素組成的三元合金；在該合金中添加1.5%的錫，就能明顯提高鋅白銅的電鍍性能和耐蝕性能，制成錫鋅白銅，使鋅白銅具有了更多的性能，廣泛應用到機械、電子、石化等領域，近年來又被用于水系統中。

水管中結垢是水系統中最常見的問題，結垢會使管徑變小甚至管路堵塞。為防止結垢，工業中使用了許多辦法，但這些方法因浪費藥劑、污染環境等原因，使其應用越來越受到限制。目前最環保的方法是使用鋅白銅多組分合金除垢，不破壞水的成分，不需要額外能量，不產生任何污染。該方法是將鋅白銅多組分合金制成特定大小和形狀后裝在筒體內，將筒體連接到水路中，利用鋅白銅多組分合金與水接觸時持續釋放的自由電子、產生極化現象的功能來阻垢。

2 鋅白銅除垢合金生產

2.1 生產工藝

遼寧中車軌道交通裝備有限公司與鞍山師范學院合作，于2020年3月成功生產出MD-2和MD-11兩種型號鋅白銅多組分除垢合金材料共2.45噸，利用該材料加工制造了MDCG01和MDCG02等型號除垢器151套，產品銷往冶金、化工、發電等領域，收到了良好除垢效果。鋅白銅多組分除垢合金生產工藝流程圖，見圖1。

圖1 生產工藝流程圖

2.2 關鍵工序及參數

（1）原料準備：將鋅白銅、錫青銅或其它廢舊銅合金進行分揀，去除表面雜質后進行破碎處理，形成銅合金破碎料和銅合金屑，將銅合金破碎料及銅合金屑分別稱重、存放。

（2）打爐：在感應電爐內鋪上一層石棉布，將細砂、粗砂和鎂砂按一定質量百分比混合均勻作為底襯料，將襯料加硼酸搗固制成感應電爐爐底襯，底襯厚度為100mm；再將細砂、粗砂和鎂砂按一定質量百分比混合均勻作為內襯料，然后用襯料加硼酸搗固制成感應電爐內襯，內襯厚度為120mm；用烘烤器進行32小時的烘烤，烘烤溫度90℃。爐襯參數見。

表1 爐襯參數

（3）內襯熔化燃燒。感應電爐送電，按額定加熱功率的五檔分別送電并加熱一段時間，直到爐溫達到1650～1720，感應電爐內襯熔化并完全燃燒為止；各檔送電功率與時間見表2。

表2 送電功率與加熱時間表

（4）吹氬熔煉。將銅合金破碎料倒入感應電爐內，在銅合金破碎料升溫熔化過程中，補加5%～8%的銅合金屑并吹氬，保證銅合金熔液的液面不暴露在空氣中。

（5）成分調整：對完全熔化后的銅合金熔液進行取樣，化驗其中銅、鎳、鋅、錫等元素的含量，并根據化驗結果添加相應金屬，使其化學成分達到成品要求；加入質量百分比為1.5%銅錳合金脫氧劑，脫氧4～10分鐘后出渣。

（6）出爐鑄錠：將銅合金熔液倒入中間包，并在銅合金熔液表面撒上一層碳化稻殼，出爐溫度1320℃～1380℃，然后進行模鑄，制成除垢合金坯。

2.3 除垢合金性能

①化學成分：化學成分及質量百分比：Cu 58%，Zn 17%，Ni 21%，Sn 3.2%，Cr 0.7%,其余為不可避免的雜質。②微電流的穩定值：在總硬度1200Mg/L、流速2.5m/s的水中，微電流的穩定值達到34μA。③鹽霧試驗：按照《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》GB/T10125-2012標準，中性鹽霧試驗達到580小時無銹蝕。

3 除垢器的生產工藝與結構

3.1 生產工藝

①熱鍛或軋制：將除垢合金坯進行加熱，然后進行熱鍛或軋制，制成圓棒。②精準熱處理：對除垢合金圓棒進行精準熱處理，以調整晶粒取向，提高除垢性能③對熱處理后的除垢合金棒進行切削加工，制成喘流體，將湍流體裝入筒體內，制成除垢器。

3.2 除垢器結構

套筒式除垢器由筒體、可調溶垢組件、入口連接件、出口連接件組成，其結構示意圖，見圖2。

圖2 喘流孔圓板和套筒式除垢器結構示意圖

（1）可調溶垢組件：由若干個湍流體組成，且湍流體的間距能夠調節；湍流體由除垢合金制成；圓筒體的一端為入水口，另一端為出水口；入口連接件設于圓筒體的入水口一端，出口連接件設于圓筒體的出水口一端。出口連接件為法蘭、法蘭頂絲、外接絲頭、封堵絲頭或內螺紋筒絲頭。

（2）湍流體為圓片狀湍流體，其上密布多個湍流錐孔，湍流錐孔的大端朝向水流入方向，小端朝向水流出方向；圓片狀湍流體沿圓筒體的軸向并排設置在圓筒體內，各圓片狀湍流體之間通過隔離件進行間隔；通過改變隔離件的寬度能夠調節圓片狀湍流體的間距。

（3）隔離件為隔離套或彈簧；位于兩端的湍流體與圓筒體的封頭內端面、入口連接件的端面或出口連接件的端面之間貼合在一起或者設有隔離套或彈簧。

（4）圓筒體在靠近入水口的一端設有過濾芯及排污口，過濾芯為片狀濾網結構，排污口處設排污閥。

4 除垢器的應用

4.1 除垢器使用方法

①使用前，對工況下的水流速度進行檢測，根據水壓及水流速度，計算水與鋅白銅多組分除垢合金接觸面積，確定圓筒體的直徑、湍流孔板的數量及間距，選擇筒式除垢器型號。②將筒式除垢器安裝在管路上，來水通過入口連接件流入圓筒體內，在入水口一端截面積增大，來水的流減速緩，水中雜質沉積下來；這些雜質由過濾芯攔截后，通過排污口定期排出。③經過濾后的水流通過前端湍流孔板向后流動，水中鈣離子、鎂離子或其它易成垢陽離子與除垢合金釋放的自由電子產生極化作用，阻止鈣離子、鎂離子或其它易成垢陽離子與碳酸根、碳酸氫根、硫酸根及其它易成垢陰離子聚集后生成水垢。④水流自出水連接件流至后續管道中，水中的自由電子與后續管道內的鈣離子、鎂離子及其它易成垢陽離子繼續發生極化作用，有利于將后續管道內的水垢溶解。⑤當由水流速度檢測儀自動檢測的水流速度值超過設定值時，水流速度檢測儀將檢測值自動反饋給控制系統并報警，通過自動或手動對管路系統壓力進行調節來調節管路中水的流速，進而控制水流速度在設定范圍內。⑥當管路系統的壓力無法調節或調節后仍達不到要求時，自動或手動調節湍流孔板間距，當間距變大時水流速度減小，當間距變小時水流速度變大，以此來調節水與湍流孔板的接觸強度。

4.2 除垢器的現場應用

鋅白銅多組分套筒除垢器MDCG01，于2020年6月12日應用于鞍山源鑫鋼鐵有限公司的加熱爐汽化冷卻系統上，該汽化冷卻系統由高位汽化罐，下降管，縱、橫爐底水管和上升管組成的自然循環系統。汽化罐由水泵進行補水，汽化冷卻裝置用新水量約為8～15t/h，循環水量300～500t/h。加熱爐參數見表3。

表3 加熱爐參數表

經過6個月運行，該汽化冷卻系統于2020年12月20日檢修，期間沒有對汽化罐的上水系統進行軟化處理，但檢查發現，橫、縱爐膛管及爐外上升和下降管均沒有增加水垢，汽化罐內水垢也比之前減少30%以上，取得了良好效果。

5 結論

（1）鋅白銅多組分除垢合金在水中產生穩定的微電流阻止水中離子結合，具有防垢除垢功能。

（2）形成了鋅白銅多組分除垢合金的熔煉和加工工藝，參數合理，技術可靠。

（3）目前已生產出2個型號除垢合金和2個型號除垢器產品，應用于冶金、化工、發電行業，收到良好效果。