羅顯龍，黃 華，孫曉帆，羅光政，張 輝

（1.遼寧中車軌道交通裝備有限公司金屬功能材料研究院，遼寧 遼陽 111212；2.鞍山師范學(xué)院，遼寧 鞍山114001；3.遼寧中車軌道交通裝備有限公司，遼寧 遼陽 111212；4.遼陽市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所，遼寧 遼陽 111000）

1 前言

銅是人類最早使用的金屬之一，不僅可以單體存在，還能與許多金屬組成合金。白銅是銅鎳二元合金，鋅白銅是在銅鎳合金中添加鋅元素組成的三元合金；在該合金中添加1.5%的錫，就能明顯提高鋅白銅的電鍍性能和耐蝕性能，制成錫鋅白銅，使鋅白銅具有了更多的性能，廣泛應(yīng)用到機(jī)械、電子、石化等領(lǐng)域，近年來又被用于水系統(tǒng)中。

水管中結(jié)垢是水系統(tǒng)中最常見的問題，結(jié)垢會(huì)使管徑變小甚至管路堵塞。為防止結(jié)垢，工業(yè)中使用了許多辦法，但這些方法因浪費(fèi)藥劑、污染環(huán)境等原因，使其應(yīng)用越來越受到限制。目前最環(huán)保的方法是使用鋅白銅多組分合金除垢，不破壞水的成分，不需要額外能量，不產(chǎn)生任何污染。該方法是將鋅白銅多組分合金制成特定大小和形狀后裝在筒體內(nèi)，將筒體連接到水路中，利用鋅白銅多組分合金與水接觸時(shí)持續(xù)釋放的自由電子、產(chǎn)生極化現(xiàn)象的功能來阻垢。

2 鋅白銅除垢合金生產(chǎn)

2.1 生產(chǎn)工藝

遼寧中車軌道交通裝備有限公司與鞍山師范學(xué)院合作，于2020年3月成功生產(chǎn)出MD-2和MD-11兩種型號(hào)鋅白銅多組分除垢合金材料共2.45噸，利用該材料加工制造了MDCG01和MDCG02等型號(hào)除垢器151套，產(chǎn)品銷往冶金、化工、發(fā)電等領(lǐng)域，收到了良好除垢效果。鋅白銅多組分除垢合金生產(chǎn)工藝流程圖，見圖1。

圖1 生產(chǎn)工藝流程圖

2.2 關(guān)鍵工序及參數(shù)

（1）原料準(zhǔn)備：將鋅白銅、錫青銅或其它廢舊銅合金進(jìn)行分揀，去除表面雜質(zhì)后進(jìn)行破碎處理，形成銅合金破碎料和銅合金屑，將銅合金破碎料及銅合金屑分別稱重、存放。

（2）打爐：在感應(yīng)電爐內(nèi)鋪上一層石棉布，將細(xì)砂、粗砂和鎂砂按一定質(zhì)量百分比混合均勻作為底襯料，將襯料加硼酸搗固制成感應(yīng)電爐爐底襯，底襯厚度為100mm；再將細(xì)砂、粗砂和鎂砂按一定質(zhì)量百分比混合均勻作為內(nèi)襯料，然后用襯料加硼酸搗固制成感應(yīng)電爐內(nèi)襯，內(nèi)襯厚度為120mm；用烘烤器進(jìn)行32小時(shí)的烘烤，烘烤溫度90℃。爐襯參數(shù)見。

表1 爐襯參數(shù)

（3）內(nèi)襯熔化燃燒。感應(yīng)電爐送電，按額定加熱功率的五檔分別送電并加熱一段時(shí)間，直到爐溫達(dá)到1650～1720，感應(yīng)電爐內(nèi)襯熔化并完全燃燒為止；各檔送電功率與時(shí)間見表2。

表2 送電功率與加熱時(shí)間表

（4）吹氬熔煉。將銅合金破碎料倒入感應(yīng)電爐內(nèi)，在銅合金破碎料升溫熔化過程中，補(bǔ)加5%～8%的銅合金屑并吹氬，保證銅合金熔液的液面不暴露在空氣中。

（5）成分調(diào)整：對完全熔化后的銅合金熔液進(jìn)行取樣，化驗(yàn)其中銅、鎳、鋅、錫等元素的含量，并根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果添加相應(yīng)金屬，使其化學(xué)成分達(dá)到成品要求；加入質(zhì)量百分比為1.5%銅錳合金脫氧劑，脫氧4～10分鐘后出渣。

（6）出爐鑄錠：將銅合金熔液倒入中間包，并在銅合金熔液表面撒上一層碳化稻殼，出爐溫度1320℃～1380℃，然后進(jìn)行模鑄，制成除垢合金坯。

2.3 除垢合金性能

①化學(xué)成分：化學(xué)成分及質(zhì)量百分比：Cu 58%，Zn 17%，Ni 21%，Sn 3.2%，Cr 0.7%,其余為不可避免的雜質(zhì)。②微電流的穩(wěn)定值：在總硬度1200Mg/L、流速2.5m/s的水中，微電流的穩(wěn)定值達(dá)到34μA。③鹽霧試驗(yàn)：按照《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》GB/T10125-2012標(biāo)準(zhǔn)，中性鹽霧試驗(yàn)達(dá)到580小時(shí)無銹蝕。

3 除垢器的生產(chǎn)工藝與結(jié)構(gòu)

3.1 生產(chǎn)工藝

①熱鍛或軋制：將除垢合金坯進(jìn)行加熱，然后進(jìn)行熱鍛或軋制，制成圓棒。②精準(zhǔn)熱處理：對除垢合金圓棒進(jìn)行精準(zhǔn)熱處理，以調(diào)整晶粒取向，提高除垢性能③對熱處理后的除垢合金棒進(jìn)行切削加工，制成喘流體，將湍流體裝入筒體內(nèi)，制成除垢器。

3.2 除垢器結(jié)構(gòu)

套筒式除垢器由筒體、可調(diào)溶垢組件、入口連接件、出口連接件組成，其結(jié)構(gòu)示意圖，見圖2。

圖2 喘流孔圓板和套筒式除垢器結(jié)構(gòu)示意圖

（1）可調(diào)溶垢組件：由若干個(gè)湍流體組成，且湍流體的間距能夠調(diào)節(jié)；湍流體由除垢合金制成；圓筒體的一端為入水口，另一端為出水口；入口連接件設(shè)于圓筒體的入水口一端，出口連接件設(shè)于圓筒體的出水口一端。出口連接件為法蘭、法蘭頂絲、外接絲頭、封堵絲頭或內(nèi)螺紋筒絲頭。

（2）湍流體為圓片狀湍流體，其上密布多個(gè)湍流錐孔，湍流錐孔的大端朝向水流入方向，小端朝向水流出方向；圓片狀湍流體沿圓筒體的軸向并排設(shè)置在圓筒體內(nèi)，各圓片狀湍流體之間通過隔離件進(jìn)行間隔；通過改變隔離件的寬度能夠調(diào)節(jié)圓片狀湍流體的間距。

（3）隔離件為隔離套或彈簧；位于兩端的湍流體與圓筒體的封頭內(nèi)端面、入口連接件的端面或出口連接件的端面之間貼合在一起或者設(shè)有隔離套或彈簧。

（4）圓筒體在靠近入水口的一端設(shè)有過濾芯及排污口，過濾芯為片狀濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，排污口處設(shè)排污閥。

4 除垢器的應(yīng)用

4.1 除垢器使用方法

①使用前，對工況下的水流速度進(jìn)行檢測，根據(jù)水壓及水流速度，計(jì)算水與鋅白銅多組分除垢合金接觸面積，確定圓筒體的直徑、湍流孔板的數(shù)量及間距，選擇筒式除垢器型號(hào)。②將筒式除垢器安裝在管路上，來水通過入口連接件流入圓筒體內(nèi)，在入水口一端截面積增大，來水的流減速緩，水中雜質(zhì)沉積下來；這些雜質(zhì)由過濾芯攔截后，通過排污口定期排出。③經(jīng)過濾后的水流通過前端湍流孔板向后流動(dòng)，水中鈣離子、鎂離子或其它易成垢陽離子與除垢合金釋放的自由電子產(chǎn)生極化作用，阻止鈣離子、鎂離子或其它易成垢陽離子與碳酸根、碳酸氫根、硫酸根及其它易成垢陰離子聚集后生成水垢。④水流自出水連接件流至后續(xù)管道中，水中的自由電子與后續(xù)管道內(nèi)的鈣離子、鎂離子及其它易成垢陽離子繼續(xù)發(fā)生極化作用，有利于將后續(xù)管道內(nèi)的水垢溶解。⑤當(dāng)由水流速度檢測儀自動(dòng)檢測的水流速度值超過設(shè)定值時(shí)，水流速度檢測儀將檢測值自動(dòng)反饋給控制系統(tǒng)并報(bào)警，通過自動(dòng)或手動(dòng)對管路系統(tǒng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)來調(diào)節(jié)管路中水的流速，進(jìn)而控制水流速度在設(shè)定范圍內(nèi)。⑥當(dāng)管路系統(tǒng)的壓力無法調(diào)節(jié)或調(diào)節(jié)后仍達(dá)不到要求時(shí)，自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)節(jié)湍流孔板間距，當(dāng)間距變大時(shí)水流速度減小，當(dāng)間距變小時(shí)水流速度變大，以此來調(diào)節(jié)水與湍流孔板的接觸強(qiáng)度。

4.2 除垢器的現(xiàn)場應(yīng)用

鋅白銅多組分套筒除垢器MDCG01，于2020年6月12日應(yīng)用于鞍山源鑫鋼鐵有限公司的加熱爐汽化冷卻系統(tǒng)上，該汽化冷卻系統(tǒng)由高位汽化罐，下降管，縱、橫爐底水管和上升管組成的自然循環(huán)系統(tǒng)。汽化罐由水泵進(jìn)行補(bǔ)水，汽化冷卻裝置用新水量約為8～15t/h，循環(huán)水量300～500t/h。加熱爐參數(shù)見表3。

表3 加熱爐參數(shù)表

經(jīng)過6個(gè)月運(yùn)行，該汽化冷卻系統(tǒng)于2020年12月20日檢修，期間沒有對汽化罐的上水系統(tǒng)進(jìn)行軟化處理，但檢查發(fā)現(xiàn)，橫、縱爐膛管及爐外上升和下降管均沒有增加水垢，汽化罐內(nèi)水垢也比之前減少30%以上，取得了良好效果。

5 結(jié)論

（1）鋅白銅多組分除垢合金在水中產(chǎn)生穩(wěn)定的微電流阻止水中離子結(jié)合，具有防垢除垢功能。

（2）形成了鋅白銅多組分除垢合金的熔煉和加工工藝，參數(shù)合理，技術(shù)可靠。

（3）目前已生產(chǎn)出2個(gè)型號(hào)除垢合金和2個(gè)型號(hào)除垢器產(chǎn)品，應(yīng)用于冶金、化工、發(fā)電行業(yè)，收到良好效果。