鍋爐水處理用銅鋅合金的性能測試研究

摘 要：鍋爐中產(chǎn)生水垢會嚴重影響鍋爐的運行效果，本文針對該問題，對鍋爐水處理用銅鋅合金的性能測試進行了研究。先準備測試所需的設(shè)備，然后明確合金冶煉工藝與樣件的化學(xué)組成，再對合金力學(xué)性能與阻垢性能進行了測試，最后結(jié)合測試結(jié)果，對鍋爐水處理用銅鋅合金力學(xué)性能和鍋爐水處理用銅鋅合金阻垢性能進行了分析。研究結(jié)果表明，銅鋅合金具有良好的阻垢性能，經(jīng)銅鋅合金處理后，可有效降低甚至避免鍋爐中水垢的產(chǎn)生，確保鍋爐運行效果能夠達到預(yù)期要求。

關(guān)鍵詞：鍋爐；水處理；銅鋅合金

中圖分類號：TB 30" " " 文獻標志碼：A

鍋爐是我國供熱、供能等工作中的核心動力設(shè)備之一，鍋爐的使用會耗費大量水源，如果水源品質(zhì)較差，不僅會對鍋爐的使用壽命造成負面影響，甚至還會造成安全事故，進而造成巨大的能量浪費。數(shù)據(jù)表明，由水質(zhì)原因?qū)е碌奈覈谝酃I(yè)鍋爐失效率占25%左右[1]。因此，世界各國很早以前就開始研究鍋爐水的處理技術(shù)，這也是人類社會發(fā)展、人類與自然和諧共存的必然趨勢與要求。因此，開發(fā)高效、節(jié)能且環(huán)保的鍋爐用水新技術(shù)與新產(chǎn)品是21世紀鍋爐用水的發(fā)展方向。

如何有效抑制結(jié)垢是目前鍋爐用水處理工藝中亟待解決的重要問題。水垢生成的主要原因是水中含有鈣、鎂等易結(jié)垢的陽離子和一氧化碳[2]。在高溫下，鍋爐的壁面和管子會受嚴重腐蝕，降低鍋爐的使用壽命，嚴重時還會引起爆炸。結(jié)合市場現(xiàn)有的大量研究可知，使用鋅、銅等金屬冶煉形成的合金材料不僅能夠起到去除鍋爐水垢的作用，還能提高鍋爐內(nèi)壁的防腐蝕、阻垢能力。為落實該方面工作，本文將在此次研究中對鋅銅合金的性能進行測試。

1 試驗準備

1.1 設(shè)備準備

為滿足銅鋅合金的性能測試需求，需要準備試驗設(shè)備，見表1。

1.2 合金冶煉工藝與樣件化學(xué)組成

根據(jù)測試需求，本次試驗制備的合金樣件的主要成分包括金屬銅、金屬鋅、金屬錫和金屬鎳。分析樣件中的主要組成元素熔點，具體內(nèi)容見表2。

本文在進一步研究中發(fā)現(xiàn)，金屬鋅的沸點相對較低，約為906℃，較容易被氧化，因此需要在試驗中，根據(jù)規(guī)范進行合金冶煉與樣件制備。

第一步，將金屬銅、金屬鎳裝入石墨坩堝中。裝入前需要做好對金屬銅、金屬鎳的預(yù)熱處理，當金屬預(yù)熱至暗紅色后（溫度為600℃～700℃），在石墨坩堝內(nèi)對其進行加速熔化處理。第二步，溶液溫度達到1100℃時，在石墨坩堝中摻入爐料。爐料包括脫氧造渣劑（含量為1%左右）、磷銅（含量為0.1%～0.3%），并進行充分攪拌，使石墨坩堝中的物質(zhì)脫氧。第三步，當石墨坩堝溫度為1150℃～1200℃時，需要去除鍋內(nèi)爐渣，再摻入舊料[3]。第四步，對舊料進行熔化處理。當熔化溫度達1150℃～1200℃時，在其中摻入已經(jīng)完成預(yù)熱的金屬鋅。將金屬鋅采用壓入的方式放入溶液中，避免出現(xiàn)燒傷現(xiàn)象。第五步，當金屬鋅熔化后，在其中加入金屬錫，對其進行持續(xù)加熱，加熱溫度為1200℃～1250℃。持續(xù)加熱5min，并在其中摻入脫氧造渣劑（含量為1%左右）、磷銅（含量為0.1%左右），充分攪拌[4]。

對合金進行加工，使其形成表面帶有溝槽形狀的圓柱形樣件。樣件的長度為150mm，直徑為20mm[5]。樣件示意圖如圖1所示。

為掌握不同化學(xué)成分配比下的樣件性能，本文設(shè)計了樣件的化學(xué)成分配比，見表3。

對1號測試樣件、2號測試樣件和3號測試樣件的顯微結(jié)構(gòu)進行分析，如圖2所示。

1.3 合金力學(xué)性能與阻垢性能測試

完成試驗準備工作后，對合金樣件進行性能測試。先對其進行硬度測試。測試前，對測試樣件進行熱處理，使用金相砂紙打磨試驗樣件，確保樣件表面光滑、無明顯劃痕后，使用洛氏硬度計對測試樣件進行硬度測試，測試時的計量單位為HRF[7]。

在上述基礎(chǔ)上，對測試樣件進行阻垢性能測試。在測試過程中，將2個測試樣件放置在模擬的鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)中，記錄測試樣件加水前的堿度、硬度和產(chǎn)生的蒸汽量等參數(shù)變化情況，并以此為依據(jù)，分析鍋爐中所結(jié)水垢的微觀樣貌和合金的阻垢能力[8]。

2 鍋爐水處理用銅鋅合金力學(xué)性能分析

完成鍋爐水處理用銅鋅合金的力學(xué)性能測試后，對其力學(xué)性能進行分析。銅鋅合金的硬度測試結(jié)果見表4。

根據(jù)表1中記錄的銅鋅合金硬度測試結(jié)果可以看出，經(jīng)過退火處理后，各測試樣件的硬度均出現(xiàn)明顯下降，并且隨著退火溫度不斷提升，其硬度降低的程度也越大。其中2號測試樣件的硬度下降幅度最大，從81.2HRF降至71.1HRF，降低變化量超過10.0HRF。而對1號測試樣件而言，退火條件變化后，其硬度從112.3HRF降至109.4HRF，降低變化量為2.7HRF。3號測試樣件的硬度在退火條件變化后，從80.4HRF降至76.4HRF，降低變化量為4.0HRF。

3 鍋爐水處理用銅鋅合金阻垢性能分析

在測試過程中，應(yīng)用鍋爐水循環(huán)評價裝置對上述3種合金測試樣件進行阻垢性能測試，并通過比較選出具備最佳性能的合金材料。銅鋅合金測試樣件通過導(dǎo)線實現(xiàn)接地，所使水均為自來水。在該鍋爐水循環(huán)評價裝置中，水箱的容量為500L，加熱裝置的容量為10L，裝置整體的額定功率為5.5kW?？赏ㄟ^150V電壓對加熱裝置中的電阻絲進行加熱。測試時將總流速調(diào)節(jié)到每小時450h，將循環(huán)補給水的流速調(diào)節(jié)到每小時3.0L，將冷卻水的流速調(diào)節(jié)到每小時100L。按照上述內(nèi)容完成對測試相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，進行為期5d的測試，要求每天測試時間在14h以上。記錄產(chǎn)生的蒸汽量，并在7h和14h分別完成一次水樣采集。采集的水樣可分為2個部分，一部分為循環(huán)水，另一部分為鍋爐水。分別測定水樣的硬度變化、堿度變化和蒸汽量變化。

二價及更高的金屬離子在水的蒸發(fā)、濃縮過程中會與一些陰離子發(fā)生反應(yīng)形成鹽，然后沉淀在鍋爐的受熱面上形成水垢。由于鈣和鎂是自然界中最普遍的2種元素，因此通常把硬度看作其濃度的總和。硬化性是一種既能反應(yīng)水中的污垢成分，又能反應(yīng)鍋爐給水質(zhì)量的重要技術(shù)指標。根據(jù)水溶液中陰離子的含量，可以把水溶液的硬度分為2類，一類是碳酸鹽巖，另一類是非碳酸鹽巖。如果水中含有碳酸鹽，那么在經(jīng)過較長時間煮沸后，就會產(chǎn)生沉淀，此時可以忽略CaCo3和Mg（OH）2溶解度的影響，將碳酸鹽的硬度暫時視為水的硬度。該過程的反應(yīng)式如下。1）Ca（HCO3）2CaCO3↓+H2O↑。2）Mg（HCO3）2MgCO3↓+H2O+CO2↑。3）MgCO3+H2OMg（OH）2↓+CO2↑。

三者用來表示非碳酸鹽巖的硬度，即水中的氯化鈣和鎂、硫酸根等。這種物質(zhì)即使長期在沸水中也不會被除去，因此被稱為“永久硬度”。鈣、鎂離子在水中一般先形成碳酸鹽類，因此要根據(jù)水中碳酸氫根的含量來判斷碳酸鹽類的硬度。根據(jù)上述反應(yīng)式，非碳酸鹽巖的硬度是根據(jù)水的總體硬度和碳酸鹽巖的硬度的差值來計算的。結(jié)合上述分析，通過測試可得水的硬度數(shù)據(jù)，如圖3和圖4所示。

根據(jù)圖3可知，無論是否經(jīng)過處理，循環(huán)水硬度的變化起始都是一致的。但經(jīng)過處理后，其硬度出現(xiàn)明顯降低。在前7h內(nèi)，其變化呈明顯下降趨勢，隨后保持不變。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是經(jīng)過換熱裝置后，循環(huán)水吸收了蒸汽的熱量，溫度逐漸上升，并發(fā)生了反應(yīng)式1和反應(yīng)式2。部分鈣、鎂離子轉(zhuǎn)變后形成水垢，使其硬度逐漸下降。7h后，循環(huán)水的溫度逐漸趨于穩(wěn)定，硬度也基本保持在同一水平上。合金的加入使循環(huán)水硬度下降的幅度逐漸趨于平緩，說明循環(huán)水中的一部分鈣離子和鎂離子得到了合金中鋅被氧化釋放的電子，進而形成了一種較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。再結(jié)合圖4可知，空白組、1號測試樣件和2號測試樣件處理后，鍋爐水的硬度開始時呈直線增加的趨勢，隨后逐漸趨于穩(wěn)定，達到穩(wěn)定的時間分別延長了7h和21h。3號測試樣件處理后的鍋爐水硬度以線性形式增加。該現(xiàn)象說明，在初始的硬度條件下，經(jīng)3號測試樣件處理后的鍋爐水中的鈣離子與鎂離子比1號、2號測試樣件更多，原因是3號測試樣件能夠持續(xù)溶出鋅離子，課達到抑制水垢結(jié)晶析出的目的。

4 結(jié)語

國內(nèi)、外在防止鍋爐水垢形成方面已有較多研究，并已取得了一些成果。目前常用的方法是化學(xué)方法，包括采用鰲合劑阻垢、有機酸和無機酸等清洗劑。但是，有些化學(xué)品毒性較強，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水也會對環(huán)境造成污染。另外，除垢過程煩瑣、費用昂貴且耗水量大，部分化學(xué)制劑還受被洗物料、水結(jié)垢類型等因素的制約。因此需要一種既能消除水垢，又能節(jié)約能源、保護環(huán)境的物理化學(xué)方法。為落實該方面工作，本文從鍋爐水處理中的鋅銅合金入手，通過試驗對鋅銅合金的性能進行了測試，旨在為鋅銅合金的制備及此類合金的性能優(yōu)化提供全面的幫助。

參考文獻

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