鎂合金鑄軋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)循環(huán)冷卻水處理研究

高 珊，王艷秋，劉獻(xiàn)博

(遼寧科技大學(xué) 化工學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

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鎂合金鑄軋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)循環(huán)冷卻水處理研究

高 珊，王艷秋，劉獻(xiàn)博

(遼寧科技大學(xué) 化工學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

摘要：針對(duì)鑄軋循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的結(jié)垢、腐蝕和生物污垢三方面問(wèn)題，選定了以自來(lái)水+緩蝕阻垢劑處理方法作為處理方案。以HT-p13F為實(shí)驗(yàn)藥劑，并以鎂合金鑄軋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行條件及環(huán)境為基礎(chǔ)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出了鎂合金駐扎實(shí)驗(yàn)平臺(tái)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的處理方案和設(shè)計(jì)參數(shù)：以HT-p13F為緩蝕阻垢劑，投加濃度為10 mg/L，投加周期為6 d，緩蝕率為93.90%，阻垢率為99.45%。

關(guān)鍵詞：循環(huán)冷卻水；緩蝕阻垢劑；失重法

1引言

21世紀(jì)全球面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問(wèn)題就是水資源短缺，這個(gè)問(wèn)題已引起世界各國(guó)的重視[1]。我國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家，水資源地域分布不均，在工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，水資源短缺問(wèn)題日顯嚴(yán)重。工業(yè)用水中循環(huán)冷卻水的耗水量占了相當(dāng)大的比重，而我國(guó)冶金、發(fā)電、石油、化工等行業(yè)工業(yè)循環(huán)冷卻水年耗水量占到工業(yè)用水量的50%～80%。由此可見(jiàn)，提高循環(huán)冷卻水的利用率是目前解決我國(guó)工業(yè)用水緊張、減少水污染物排放的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2～4]。

冷卻水在循環(huán)系統(tǒng)中不斷循環(huán)使用，由于多種因素的綜合作用，會(huì)產(chǎn)生比直流系統(tǒng)更為嚴(yán)重的沉積物的附著、設(shè)備腐蝕和微生物的大量滋生，以及由此形成的粘泥污垢堵塞管道的問(wèn)題，它們會(huì)威脅和破壞鑄軋工藝長(zhǎng)期安全生產(chǎn)，甚至造成經(jīng)濟(jì)損失[5]。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的大多數(shù)設(shè)備是由金屬制造，由于循環(huán)水的長(zhǎng)期使用，會(huì)發(fā)生腐蝕穿孔等現(xiàn)象[6]。循環(huán)冷卻水在長(zhǎng)期循環(huán)使用后會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢、腐蝕和微生物滋生問(wèn)題，只有有效的處理解決好這三方面問(wèn)題才能確保穩(wěn)定生產(chǎn)，節(jié)約資源，降低能耗。從而減少環(huán)境污染，解決生物粘泥或軟垢粘泥附引起的腐蝕、冷卻水流量減少進(jìn)而降低冷卻效率等問(wèn)題[7]。 通過(guò)碳酸鈣沉淀法、靜態(tài)掛片法、動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)掛片法，研究緩蝕阻垢劑的性能，可以解決鎂合金鑄軋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)結(jié)垢、腐蝕和生物污垢問(wèn)題，最后依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合理論及經(jīng)驗(yàn)，為未來(lái)鎂合金鑄軋實(shí)驗(yàn)設(shè)備推廣的循環(huán)冷卻水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參數(shù)。

2實(shí)驗(yàn)方法

2．1儀器及藥劑

電子天平，曝氣控制器，智能型蠕動(dòng)泵，數(shù)顯恒溫水浴鍋。

緩蝕阻垢劑(HT-p13F)、丙酮、無(wú)水乙醇、硫酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀、乙二胺四乙酸二鈉、鹽酸、碳酸氫鈉、氯化鈣，所選藥劑均為分析純。

2．2實(shí)驗(yàn)試片及其處理

本實(shí)驗(yàn)試片材質(zhì)為Ⅰ型標(biāo)準(zhǔn)黃銅試片， (50±0.1)mm×(25±0.1)mm×(2±0.1)mm，掛孔Φ(4±0.1)mm，試片總面積28.00 cm2。①取出試片，用脫脂棉擦除新片表面的油脂，擦拭后分別用400、800、1000型號(hào)的水砂紙打磨，打磨時(shí)，為防止砂紙上的顆粒對(duì)試片的產(chǎn)生不同程度的劃痕，從而造成影響，可將砂紙蘸取水，從而避免影響。②用脫脂棉擦拭并清洗掛片，隨后再用蒸餾水反復(fù)沖洗干凈。③將試片浸與無(wú)水乙醇中，并用脫脂棉擦洗。④擦洗后，將試片置干凈濾紙上，用濾紙簡(jiǎn)單吸附后用冷風(fēng)吹干。⑤用濾紙將試片包好，置于干燥器中24 h以上后稱(chēng)重待用。

3結(jié)果與分析

3．1HT-p13F藥劑阻垢性能測(cè)定

本實(shí)驗(yàn)采用碳酸鈣沉淀法(GB/T 16632-2008)，對(duì)所選定的HT-p13F水處理劑進(jìn)行阻垢性能的測(cè)定。將試液和空白試液分別置于兩個(gè)潔凈的錐形瓶中，兩錐形瓶浸入(80±1)℃的恒溫水浴鍋中(試液的液面不得高于水浴的液面)，恒溫放置10 h，冷至室溫后用中速定量濾紙過(guò)濾。分別計(jì)算試液和空白試液鈣離子濃度，每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)做3組平行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可以看出，添加水處理劑(HT-p13F)后，消耗EDTA體積明顯變小，即Ca2+濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未添加水處理劑的試液濃度，鈣離子得到很好地絡(luò)合而未形成碳酸鈣沉淀被析出，通過(guò)計(jì)算得出其阻垢率達(dá)到99.45%，阻垢效果良好。

3．2HT-p13F在酸性介質(zhì)中緩蝕效果測(cè)定

分別取配置好的水處理劑藥劑0、0.5、1.0、1.5、2.0、

表1　試液與空白試液消耗

2.5、3.0、3.5、4.0 mL于100 mL容量瓶中，用去離子水定容。搖勻后轉(zhuǎn)移至100 mL燒杯中，將之前處理并稱(chēng)好質(zhì)量的試片按序用防腐繩懸掛于燒杯中，懸掛試片時(shí)應(yīng)避免與燒杯壁接觸，試片上方應(yīng)距液面有一定距離，以防溶液揮發(fā)使試片裸露。使試片完全浸沒(méi)在試液中，放在恒溫水浴(30 ℃)中4 h后取出，處理后放于干燥器24 h后稱(chēng)量，計(jì)算質(zhì)量差。添加不同體積試液質(zhì)量損失值與空白試液試片質(zhì)量損失的關(guān)系如圖1所示。

通過(guò)對(duì)圖1的觀察可看出，在酸性介質(zhì)條件下，添加任何體積試液均未對(duì)試片起到緩蝕效果。由此可得出結(jié)論，該藥劑不適用于酸性溶液， 即在使用過(guò)程中不宜加酸調(diào)節(jié)或應(yīng)用于酸洗溶液的緩蝕阻垢。

3．3HT-p13F緩蝕性能測(cè)定

本實(shí)驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)掛片法(動(dòng)態(tài)失重法)，通過(guò)加入不同濃度藥劑，計(jì)算實(shí)驗(yàn)前后的試片質(zhì)量損失、藥劑的腐蝕率和緩蝕率，從而選擇最佳濃度及最佳緩蝕效果。取400 mL實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水置與500 mL燒杯中，放在水浴鍋中，待溫度達(dá)到30 ℃時(shí)，滴加0、0.5、1、1.66、3.32、4.97、6.62 mL提前配置好的試液，攪勻。將處理好并稱(chēng)量記錄的試片用防腐繩固定于旋轉(zhuǎn)軸上，慢慢調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸，使試片完全浸沒(méi)于溶液中，保持試片上方與液面之間距離在2 cm左右，固定旋轉(zhuǎn)軸，記錄液面高度并標(biāo)記。調(diào)節(jié)程控器，設(shè)定固定轉(zhuǎn)速，開(kāi)啟開(kāi)關(guān)，使其旋轉(zhuǎn)運(yùn)行試片線速度:0.30～0.40 m/s。記錄時(shí)間，在1～2 h補(bǔ)加蒸餾水，使液面保持標(biāo)記的高度。設(shè)備運(yùn)行72 h后，關(guān)閉開(kāi)關(guān)，取下試片，用蒸餾水將試片沖洗干凈，并置于10%硫酸溶液中3～5 min，取出用蒸餾水沖洗，沖洗后置于0.1氫氧化鈉溶液中約30 s，取出繼續(xù)用蒸餾水沖洗，沖洗后用蘸有無(wú)水乙醇的脫脂棉反復(fù)擦洗，并用濾紙簡(jiǎn)單吸濕后用冷分吹干，用濾紙包好置于干燥器中24 h以上，稱(chēng)量其質(zhì)量。試片酸洗空白試驗(yàn)即不經(jīng)旋轉(zhuǎn)掛片實(shí)驗(yàn)，直接將處理并稱(chēng)量好的試片進(jìn)行掛片實(shí)驗(yàn)的后續(xù)處理，計(jì)算處理后試片質(zhì)量損失值，做三組平行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，去除偏差較大的結(jié)果，對(duì)剩余數(shù)據(jù)求平均值，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，藥劑投加濃度在0～10 mg/L期間，其緩蝕率隨投加濃度的增加而增加，當(dāng)添加試液體積3.32 mL(10mg/L)時(shí)，緩蝕率達(dá)到最大值，為93.90%，腐蝕率為0.000 5 mm/a。隨后隨著投加濃度的增加，緩蝕率開(kāi)始出現(xiàn)下降趨勢(shì)，后期再隨著藥劑濃度的增加，由于藥劑對(duì)銅試片的作用已達(dá)到一種飽和狀態(tài)，故緩蝕率趨于平衡不變。通過(guò)變化趨勢(shì)可以看出投加濃度為10 mg/L為最佳投加濃度。

3．4溫度對(duì)藥劑HT-p13F緩蝕效果的影響測(cè)定

由于鎂合金鑄軋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，溫度會(huì)隨環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生一定的變化，故本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的過(guò)程中改變實(shí)驗(yàn)溫度，使其最高溫度達(dá)到60 ℃，最低溫度30 ℃，并不斷調(diào)節(jié)改變溫度，其他條件保持不便，通過(guò)與空白實(shí)驗(yàn)的試片質(zhì)量損失值的對(duì)比，評(píng)定溫度對(duì)該藥劑緩蝕效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　試片質(zhì)量損失值與其在變溫和恒溫條件下的關(guān)系

由表2可以看出，在變溫與恒溫兩種環(huán)境條件下，試片的質(zhì)量損失值相差為0.000 1 g，改變溫度，使質(zhì)量損失增大了10%，在可以接受范圍，即可認(rèn)為溫度變化對(duì)藥劑的緩蝕效果無(wú)影響。

3．5投加周期的測(cè)定

為了達(dá)到節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本目的，確定藥劑的有效作用時(shí)間，即確定最合適的投加周期在實(shí)際生產(chǎn)中具有重要的意義。本研究在失重法確定最佳投加濃度的基礎(chǔ)上，改變實(shí)驗(yàn)運(yùn)行周期，設(shè)定3、6、9 d三個(gè)時(shí)間梯度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，并作不投加藥劑的空白對(duì)照試驗(yàn)，根據(jù)試片質(zhì)量的損失值來(lái)判斷藥劑的有效作用時(shí)間，找到合適的藥劑投加周期。本實(shí)驗(yàn)除改變實(shí)驗(yàn)運(yùn)行周期外，基本操作緩蝕性能的測(cè)定操作。選擇的投加藥劑濃度為測(cè)定緩蝕性能實(shí)驗(yàn)中得到的最佳投加濃度10 mg/L，即投加試液3.32 mL。不同作用時(shí)間與試片質(zhì)量損失值之間的關(guān)系如表3所示。

由表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示可知，在運(yùn)行周期從3～6 d之間，質(zhì)量損失增大0.000 5 g，而6～9 d則增大0.001 8 g，設(shè)定為6 d時(shí)，達(dá)到最佳的緩蝕效果，極大的降低的試片的質(zhì)量損失，即藥劑的最佳作用時(shí)間為6 d，即在實(shí)際生產(chǎn)中可設(shè)定6 d為一個(gè)投加周期。

表3　不同作用時(shí)間與試片質(zhì)量損失值之間的關(guān)系

4結(jié)語(yǔ)

HT-p13F阻垢率可達(dá)到99.45%，具有很好的阻垢效果。HT-p13F試劑，在1 mol/L酸性介質(zhì)中對(duì)黃銅試片沒(méi)有任何緩蝕效果，即該藥劑在使用時(shí)不宜添加酸調(diào)節(jié)，不適用于酸洗處理。該藥劑在投加濃度為10 mg/L時(shí)達(dá)到最佳緩蝕效果，緩蝕率達(dá)到93.90%。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分階段改變實(shí)驗(yàn)溫度，最終測(cè)得其對(duì)黃銅試片的緩蝕效果沒(méi)有明顯影響。在只改變運(yùn)行周期的條件下，實(shí)驗(yàn)顯示在周期設(shè)定為6 d時(shí)緩蝕效果最佳。針對(duì)鎂合金駐扎循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的環(huán)境條件，本實(shí)驗(yàn)可推薦使用該藥劑，投加濃度為10 mg/L，投加周期為6 d。

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Study on the Circulating Cooling Water Treatment on the Magnesium Alloy Cast Rolling Experiment Platform

Gao Shan，Wang Yanqiu，Liu Xianbo

(SchoolofChemicalEngineering，UniversityofScienceandTechnologyLiaoning，Anshan114051，China)

Abstract:To deal with the problems of scaling，corrosion and biofouling occurred in the long-term operation process ofroll-casting circulating cooling water system，the article selects the handling method of tap water plus corrosion inhibitor asthe best treatment scheme.Taking HT-p13Fas experimental agentsand based on the condition and environment of circulating cooling water systemon magnesium alloy cast rolling experiment platform，the article conducts an experimental verification.Through the above experimental results，the article obtains the treatment scheme and design parameter of circulating cooling water system on magnesium alloy cast rollingexperimental platform.When takingthe HT-p13F as corrosion inhibitorswhose dosingconcentration is 10 mg/L and dosing period is six days，the corrosion rate is 93.90% and the scale inhibiting ratiois 99.45%.

Key words:circulating cooling water; corrosion and scale inhibitor; weight loss method

文章編號(hào)：1674-9944(2016)02-0057-03

中圖分類(lèi)號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：高珊(1990—)，女，遼寧鞍山人，遼寧科技大學(xué)化工學(xué)院碩士研究生。 王艷秋(1971—)，女，遼寧鞍山人，高級(jí)工程師，主要從事污水處理方面的教學(xué)與研究工作。

收稿日期：2015-11-20