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的，鹽類腐蝕和微生物腐蝕通過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，但因成本和應(yīng)用場景的限制導(dǎo)致實際應(yīng)用方面進(jìn)展緩慢。電化學(xué)技術(shù)主要是通過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。目前來看，添加緩蝕劑仍然是減少腐蝕最為經(jīng)濟(jì)、簡單和有效的方法[6]。筆者以某銅冶煉企業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)為研究對象，通過分析補(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 試驗部分

1.1 試驗水樣

試驗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；無水乙醇（分析純）；鹽酸（分析純）；氫氧化鈉（分析純）。

1.3 試驗儀器

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

1.4 試驗方法

使用無水乙醇擦拭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)碳鋼掛片并啟動腐蝕儀。待試驗 72 h 后，取出掛片按照 GB/T 18175—2014《水處理劑緩蝕性能的測定 旋轉(zhuǎn)掛片法》對掛片進(jìn)行酸洗和堿洗等處理并稱量，記錄質(zhì)量m2，其中酸洗空白試驗損失質(zhì)量為m0。腐蝕速率V按公式（1）計算，緩蝕率W按公式（2）計算：

式中：V——腐蝕速率，mm/a；

8 760 ——年小時數(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，處于碳酸鈣平衡時的pH值。pHs可由多種方法得出，包括計算表、朗格利爾計算圖、涅耳底爾計算圖等方法。筆者以計算表分析凈化涼水塔補(bǔ)水的水質(zhì)穩(wěn)定性，查pHs計算表，按公式（3）計算：

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）計算，水質(zhì)的判斷依據(jù)見表2。

表2 水質(zhì)的判斷依據(jù)

式中：pH值——水的實際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

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

圖1 補(bǔ)水對掛片的腐蝕

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取出掛片稱量并計算腐蝕速率，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 不同試驗時間下的腐蝕速率

從圖2可以看出：腐蝕速率隨腐蝕時間延長呈增加趨勢。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時間越長結(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，即抑制陰極析氫反應(yīng)和陽極溶解反應(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，不同緩蝕劑用量條件下的腐蝕速率見圖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，當(dāng)緩蝕劑質(zhì)量濃度達(dá)到 100 mg/L 時，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。從試驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，緩蝕劑JSB-010質(zhì)量濃度在80 mg/L以下時，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，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，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，緩蝕劑無法在PVC材料表面形成保護(hù)層導(dǎo)致的。因此，針對凈化涼水塔補(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，不同溫度條件下的腐蝕速率見圖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，當(dāng)補(bǔ)水溫度達(dá)到50 ℃時，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)定性驗證

為驗證緩蝕劑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，試驗結(jié)果見圖5。

圖5 緩蝕穩(wěn)定性試驗結(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。