鍋爐水處理用銅鋅合金的性能測試研究

摘 要：鍋爐中產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備，然后明確合金冶煉工藝與樣件的化學組成，再對合金力學性能與阻垢性能進行了測試，最后結合測試結果，對鍋爐水處理用銅鋅合金力學性能和鍋爐水處理用銅鋅合金阻垢性能進行了分析。研究結果表明，銅鋅合金具有良好的阻垢性能，經銅鋅合金處理后，可有效降低甚至避免鍋爐中水垢的產生，確保鍋爐運行效果能夠達到預期要求。

關鍵詞：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備之一，鍋爐的使用會耗費大量水源，如果水源品質較差，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。數據表明，由水質原因導致的我國在役工業鍋爐失效率占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，這也是人類社會發展、人類與自然和諧共存的必然趨勢與要求。因此，開發高效、節能且環保的鍋爐用水新技術與新產品是21世紀鍋爐用水的發展方向。

如何有效抑制結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。結合市場現有的大量研究可知，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 設備準備

為滿足銅鋅合金的性能測試需求，需要準備試驗設備，見表1。

1.2 合金冶煉工藝與樣件化學組成

根據測試需求，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，具體內容見表2。

本文在進一步研究中發現，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，根據規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、金屬鎳的預熱處理，當金屬預熱至暗紅色后（溫度為600℃～700℃），在石墨坩堝內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脫氧。第三步，當石墨坩堝溫度為1150℃～1200℃時，需要去除鍋內爐渣，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，在其中摻入已經完成預熱的金屬鋅。將金屬鋅采用壓入的方式放入溶液中，避免出現燒傷現象。第五步，當金屬鋅熔化后，在其中加入金屬錫，對其進行持續加熱，加熱溫度為1200℃～1250℃。持續加熱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。

為掌握不同化學成分配比下的樣件性能，本文設計了樣件的化學成分配比，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構進行分析，如圖2所示。

1.3 合金力學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系統中，記錄測試樣件加水前的堿度、硬度和產生的蒸汽量等參數變化情況，并以此為依據，分析鍋爐中所結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性能分析

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

根據表1中記錄的銅鋅合金硬度測試結果可以看出，經過退火處理后，各測試樣件的硬度均出現明顯下降，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，應用鍋爐水循環評價裝置對上述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線實現接地，所使水均為自來水。在該鍋爐水循環評價裝置中，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。測試時將總流速調節到每小時450h，將循環補給水的流速調節到每小時3.0L，將冷卻水的流速調節到每小時100L。按照上述內容完成對測試相關參數的設置，進行為期5d的測試，要求每天測試時間在14h以上。記錄產生的蒸汽量，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、濃縮過程中會與一些陰離子發生反應形成鹽，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水中的污垢成分，又能反應鍋爐給水質量的重要技術指標。根據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，那么在經過較長時間煮沸后，就會產生沉淀，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，因此要根據水中碳酸氫根的含量來判斷碳酸鹽類的硬度。根據上述反應式，非碳酸鹽巖的硬度是根據水的總體硬度和碳酸鹽巖的硬度的差值來計算的。結合上述分析，通過測試可得水的硬度數據，如圖3和圖4所示。

根據圖3可知，無論是否經過處理，循環水硬度的變化起始都是一致的。但經過處理后，其硬度出現明顯降低。在前7h內，其變化呈明顯下降趨勢，隨后保持不變。產生該現象的原因是經過換熱裝置后，循環水吸收了蒸汽的熱量，溫度逐漸上升，并發生了反應式1和反應式2。部分鈣、鎂離子轉變后形成水垢，使其硬度逐漸下降。7h后，循環水的溫度逐漸趨于穩定，硬度也基本保持在同一水平上。合金的加入使循環水硬度下降的幅度逐漸趨于平緩，說明循環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定的結構。再結合圖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，隨后逐漸趨于穩定，達到穩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。該現象說明，在初始的硬度條件下，經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溶出鋅離子，課達到抑制水垢結晶析出的目的。

4 結語

國內、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，有些化學品毒性較強，生產過程中產生的廢水也會對環境造成污染。另外，除垢過程煩瑣、費用昂貴且耗水量大，部分化學制劑還受被洗物料、水結垢類型等因素的制約。因此需要一種既能消除水垢，又能節約能源、保護環境的物理化學方法。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化提供全面的幫助。

參考文獻

[1]牛國印，全勤儉，潘偉峰，等.新型鍋爐水處理劑在鍋爐運行中的應用總結[J].氮肥與合成氣，2023，51（7）：48-49.

[2]李陽，趙曉明，張明，等.海上稠油熱采平臺海水淡化鍋爐補給水處理系統防腐設計[J].石油化工設備，2023，52（4）：69-75.

[3]張寶軍，王永.某鍋爐補給水處理系統周期制水量下降的原因分析及解決措施[J].給水排水，2021，57（增刊2）：281-283.

[4]程會芹，田國良.全膜法水處理技術在電廠鍋爐補給水處理中的應用[J].現代工業經濟和信息化，2022，12（11）：142-144.

[5]孫玉豹，崔剛，張衛行，等.海上油田過熱蒸汽鍋爐水處理設備設計及應用[J].石油化工應用，2022，41（11）：36-39，58.

[6]宮景雯，竇培舉，高鵬，等.膜式除氧器在海上熱采鍋爐給水處理中的應用[J].科技和產業，2022，22（10）：390-393.

[7]冀光峰，梁建斌，把全龍，等.稠油熱采平臺注汽鍋爐水處理工藝技術研發及應用[J].天津科技，2021，48（10）：48-50.

[8]張晶晶，吳夢怡.探討電廠鍋爐補給水處理中全膜法處理工藝的應用[J].清洗世界，2022，38（6）：24-25，92.