電解參數(shù)對高硅鑄鐵陽極板腐蝕速率的影響

丁簫楠，趙愛民，曾尚武，印朱凱

（北京科技大學(xué) 冶金工程研究院，北京100083）

電解參數(shù)對高硅鑄鐵陽極板腐蝕速率的影響

丁簫楠，趙愛民，曾尚武，印朱凱

（北京科技大學(xué) 冶金工程研究院，北京100083）

通過通電腐蝕試驗(yàn)測失重的方法，對不同電解參數(shù)（電流密度，電解液溫度，HNO3含量，Cr6+含量）對高硅鑄鐵試樣腐蝕率的影響進(jìn)行了研究，并采用灰關(guān)聯(lián)分析的方法，得到了不同電解參數(shù)對高硅鑄鐵試樣腐蝕率的關(guān)聯(lián)度。結(jié)果表明，電流密度、電解液溫度是影響高硅鑄鐵陽極板腐蝕率的主要因素，而 HNO3含量和Cr6+含量對高硅鑄鐵陽極板腐蝕率的影響較小，所以在高硅鑄鐵陽極板的正常工作中，電流密度，電解液溫度應(yīng)當(dāng)成為主要的控制因素。

高硅鑄鐵陽極；電解參數(shù)；腐蝕速率；灰關(guān)聯(lián)

不銹鋼板電解酸洗用電極板是在高溫硝酸溶液下使用，受到嚴(yán)重的腐蝕作用，尤其是陽極電極板。而含硅量在15%左右的高硅鑄鐵因?yàn)榫哂辛己玫哪臀g性，較低的成本，在不銹鋼酸洗用陽極電極板上廣泛應(yīng)用［1-5］。在實(shí)際生產(chǎn)中，高硅鑄鐵陽極板的腐蝕速率與陽極板的壽命直接相關(guān)，但在已有研究中，有關(guān)電解參數(shù)如電流密度，電解液溫度等對高硅鑄鐵腐蝕速率的影響的研究尚屬空白。所以，有必要對電解參數(shù)與陽極板腐蝕速率的影響關(guān)系進(jìn)行深入研究，以便準(zhǔn)確地了解高硅鑄鐵陽極板的工作狀態(tài)，調(diào)整工作制度，使高硅鑄鐵陽極板始終處于最佳工作狀態(tài)。

本工作采用通電腐蝕的方法，通過在不同電解參數(shù)下進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，測量失重量，得到在不同電解參數(shù)下高硅鑄鐵試樣的腐蝕率。由于電解參數(shù)之間是相互聯(lián)系的，其中某一因素的變化會(huì)影響到其他因素，因此很難區(qū)分每個(gè)因素單獨(dú)作用的效果。在此，作者對高硅鑄鐵陽極板的腐蝕速率進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析，對各個(gè)電解參數(shù)對對陽極板腐蝕率的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行量化處理，確定了影響高硅鑄鐵陽極板腐蝕率的主要因素和次要因素。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由直流電源、電解槽和水浴鍋等組成，試驗(yàn)裝置見圖1。由直流電源控制電流大小，本試驗(yàn)采用的直流電源型號為JK3020K直流穩(wěn)壓電源，可輸出電壓為0～30 V，輸出電流為0～10 A。水浴鍋控制溫度，本試驗(yàn)使用的水浴鍋型號為NKSY-5A四孔水浴鍋，控溫范圍為室溫～100℃，水箱體積5 L，電解槽上有蓋子，可固定陽極樣和陰極樣之間的距離。

圖1 通電試驗(yàn)裝置圖Fig.1 The schematic diagram of electric corrosion equipment

1.2 試驗(yàn)方法

為分析電解參數(shù)對陽極高硅鑄鐵電極板腐蝕速率的影響，試驗(yàn)因素重點(diǎn)考慮電流密度、HNO3含量、電解液溫度和Cr6+含量四個(gè)因素，每個(gè)因素設(shè)置若干個(gè)梯度。梯度設(shè)置主要根據(jù)現(xiàn)場工況設(shè)置，如現(xiàn)場的電流密度為10～30 A/dm2，本試驗(yàn)的電流密度梯度設(shè)置為5，10，20，30，40 A/dm2。具體試驗(yàn)參數(shù)梯度設(shè)置見表1。

表1 試驗(yàn)參數(shù)梯度設(shè)置表Tab.1 The table of gradient set of experiment

在不同電解參數(shù)下陽極樣腐蝕速率的表征方法如下：分別在上述電解裝置進(jìn)行通電腐蝕12 h，再用失重法計(jì)算陽極樣的腐蝕速率，失重法具體公式見式（1）：

式中：v為腐蝕速率，（g·m-2·h-1）或（g·m-2· a-1）；m0為試樣腐蝕前的質(zhì)量，g；mt為試樣腐蝕后的質(zhì)量，g；t為試樣受侵蝕的時(shí)間，h或a；S為試樣表面積，m2。

2 結(jié)果與討論

2.1 電流密度的影響

不同電流密度對高硅鑄鐵陽極板腐蝕速率的影響見圖2，電流密度在5～10 A/dm2范圍內(nèi)，腐蝕速率變化顯著，之后平穩(wěn)增加。電流密度增大，腐蝕速率增快的原因有二，一是電流加大，導(dǎo)致陽極板區(qū)域的鐵的溶解反應(yīng)和陰極區(qū)域的析氫反應(yīng)變劇烈，可以使得陽極板腐蝕加快，另一個(gè)原因是因?yàn)殡娏鬟^大，導(dǎo)致陽極電位較高，使電極板表面形成的鈍化膜溶解加快，導(dǎo)致陽極板腐蝕加快。從圖中看，電流密度的加大對陽極板腐蝕速率影響較大，是陽極板腐蝕速率的主要影響因素。

圖2 電流密度對陽極板腐蝕速率的影響Fig.2 The effects of current density on corrosion rate of anode plate

2.2 HNO3含量的影響

不同 HNO3含量對陽極板腐蝕速率的影響見圖3。可見隨著 HNO3含量的增加陽極板的腐蝕速率增加。HNO3含量主要影響的是溶液中的離子含量和p H，離子含量升高，溶液的電導(dǎo)率有一定提高，會(huì)促進(jìn)陽極金屬的溶解反應(yīng)，而HNO3含量增加，溶液p H減小，會(huì)導(dǎo)致陽極板的臨界點(diǎn)蝕電位的降低，導(dǎo)致陽極板的點(diǎn)蝕發(fā)生，腐蝕速率升高。

2.3 溫度的影響

不同溫度對高硅鑄鐵陽極板腐蝕速率的影響見圖4。可以看到隨著溫度的增加，陽極板的腐蝕速率逐漸增加，這是因?yàn)闇囟仍龃螅瑫?huì)使得離子的擴(kuò)散速度和電極的反應(yīng)速率加快，使得電極板的維鈍電流也增大，從而使得陽極板的腐蝕速率加大，在低溫下電解時(shí)，電解液較為粘滯，擴(kuò)散層變厚，離子擴(kuò)散慢，鐵的溶解反應(yīng)和析氫反應(yīng)受阻，使得陽極板的腐蝕速率也變慢。

圖3 不同HNO3濃度對陽極板腐蝕速率的影響Fig.2 The effect of nitric acid concentration on plate corrosion rate of anode plate

圖4 溫度對陽極板腐蝕速率的影響Fig.4 The effect of temperature on corrosion rate of anode plate

2.4 Cr6+含量的影響

Cr6+對高硅鑄鐵陽極板腐蝕速率的影響見圖5。可見陽極板的腐蝕速率隨著Cr6+含量的增加先增加再降低。經(jīng)過分析，可能是由于 Cr6+的加入，使陽極板的氧化還原電位由鈍化向過鈍化區(qū)域轉(zhuǎn)化，陽極板的腐蝕速率加快，而隨著Cr6+含量進(jìn)一步增加，Cr6+是強(qiáng)氧化離子，在陰極被還原附著在陰極上，降低了溶液的離子含量，使溶液電導(dǎo)率降低，陽極板金屬的溶解反應(yīng)被抑制，使得腐蝕速率降低。

3 關(guān)聯(lián)度分析

3.1 關(guān)聯(lián)度分析原理及方法

為了研究各個(gè)試驗(yàn)因素對陽極板腐蝕率的關(guān)聯(lián)度，采用灰關(guān)聯(lián)分析對各個(gè)試驗(yàn)因素對對陽極板腐蝕率的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行量化處理。在目前的研究中，灰關(guān)聯(lián)分析在對材料腐蝕率的研究中已有應(yīng)用，并取得了不錯(cuò)的效果［6-8］，灰關(guān)聯(lián)分析的基本思想是根據(jù)各參數(shù)幾何曲線的相似程度來判斷其聯(lián)系是否密切，曲線的形狀越接近，相應(yīng)序列之間的關(guān)聯(lián)就越大，反之就越小［4-5］。相似程度應(yīng)用關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度描述，關(guān)聯(lián)度描述了各個(gè)因素對結(jié)果的影響程度，關(guān)聯(lián)度越大，影響程度越大，關(guān)聯(lián)度的范圍在0～1之間，一般關(guān)聯(lián)度大于0.6，就可以認(rèn)為該因素對這個(gè)評價(jià)指標(biāo)有一定的影響［9-10］。對一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行分析，首先要確定系統(tǒng)行為特征的數(shù)據(jù)序列，本工作選擇腐蝕率作為高硅鑄鐵陽極板腐蝕系統(tǒng)中的行為特征，即母因素。此外，需確定影響系統(tǒng)行為特征的有效因素，即子因素。由于試驗(yàn)條件限定在一定范圍，故確定采用灰色絕對關(guān)聯(lián)度確定影響腐蝕率的主次因素。

圖5 Cr6+濃度對陽極板腐蝕速率的影響Fig.5 The effect of Cr6+concentration on corrosion rate of anode plate

關(guān)聯(lián)度計(jì)算：

作關(guān)聯(lián)分析先要指定參考的數(shù)據(jù)列，設(shè)有m個(gè)子因素（Y1，Y2，……Ym）與母因素X0有一定關(guān)聯(lián)作用，它們有n組數(shù)據(jù)或序列：

母序列：X0（k），k=1，2，……n。

子序列：Yi（k），k=1，2，……n，i=1，2…m。

則其相應(yīng)的始點(diǎn)零化序列為：

則母序列X0（k）與子序列Yi（k）的灰色絕對關(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式為［11］：

式中：

灰色絕對關(guān)聯(lián)度εi越大，說明該試驗(yàn)因素對腐蝕率的影響越大。

3.2 陽極板腐蝕速率影響因素關(guān)聯(lián)度計(jì)算

試驗(yàn)選用的電解參數(shù)和腐蝕速率見表2。

表2 不同電解參數(shù)下陽極板的腐蝕速率Tab.2 Corrosion rates of anodic plates with different electrolytic parameters

始點(diǎn)零化結(jié)果如表3。

表3 始點(diǎn)零化結(jié)果Tab.3 The results of nullifying the starting point

求出絕對關(guān)聯(lián)度：

可以看出ε3＞ε1＞ε4＞ε2，故各電解參數(shù)對高硅鑄鐵陽極板腐蝕速率的影響從大到小排列為電解液溫度、電流密度、HNO3含量、Cr6+含量。其中電解液溫度和電流密度的關(guān)聯(lián)度較為接近，對陽極板腐蝕速率影響較大，HNO3含量和Cr6+含量對陽極板腐蝕速率影響較小。所以在高硅鑄鐵陽極板的正常工作中，電流密度，電解液溫度應(yīng)當(dāng)成為主要實(shí)際的控制因素。

4 結(jié)論

（1）高硅鑄鐵的腐蝕速率隨著電流密度的增加而增加，隨著溫度的升高而增加，隨著 HNO3含量的增加而增加，隨著 Cr6+含量的增加，先增加再降低。

（2）通過灰關(guān)聯(lián)分析，得到各電解參數(shù)對高硅鑄鐵陽極板的腐蝕速率的影響從大到小排列的順序?yàn)殡娊庖簻囟龋倦娏髅芏龋綡NO3含量＞Cr6+含量，其中電解液溫度和電流密度的關(guān)聯(lián)度較為接近，對陽極板腐蝕速率影響較大，應(yīng)該成為高硅鑄鐵陽極板正常工作時(shí)的主要控制因素。

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Effects of Electrolytic Parameters on Corrosion Rate of High Silicon Cast Iron Anode Plates

DING Xiao-nan，ZHAO Ai-min，ZENG Shang-wu，YIN Zhu-kai
（Engineering Research Institute of USTB，Beijing 100083，China）

The effect of different electrolytic parameters（current density，temperature of electrolyte，nitric acid concentration，Cr6+concentration）on the corrosion rate of high silicon cast iron was studied by the method of weight loss in the process of electrolytic corrosion，and the gray correlation analysis was used to rank the correlation extent of affecting factors on the corrosion rate of high silicon cast iron samples.The results showed that the current density and the temperature of electrolyte had the major effect on the corrosion rate of high silicon cast iron samples，and nitric acid concentration，Cr6+concentration affected less.So the current density and the temperature of electrolyte should become the primary limited factor in the daily operation of high silicon cast iron anode plates.

high silicon cast-iron anode；electrolytic parameter；corrosion rate；gray correlation analysis

TG174.4

A

1005-748X（2015）11-1104-05

10.11973/fsyfh-201511020

2014-10-31

趙愛民（1962-），教授，博士，從事金屬凝固與控制，耐磨材料研究，010-62332598，aimin.zhao@ustb.edu.cn