铜冶炼烟气制酸系统循环冷却水腐蚀与缓蚀研究

赵 辉，解维平

（山东恒邦冶炼股份有限公司，山东烟台264109）

循环冷却水系统是有色金属冶炼烟气制酸系统必不可少的一部分，主要包括换热设备、冷却设备、循环泵及管道等设施。循环水通过换热设备进行热量交换以保证生产系统的正常运行，而腐蚀现象在换热设备中普遍存在，换热设备的损坏90%是由腐蚀导致的[1]。针对碳钢等普通材质，腐蚀可分为酸碱腐蚀、盐类腐蚀、电化学腐蚀、微生物腐蚀和化学清洗腐蚀等[2]。电化学腐蚀是腐蚀类型中最为常见的，盐类腐蚀和微生物腐蚀通过增加离子浓度或增加沉积物等加剧电化学腐蚀[3-4]。

在工业生产中，减缓腐蚀常用的手段主要有涂刷防腐层、选择合适的防腐材料、调节pH值、添加缓蚀剂等[5]。防腐材料的研制与应用虽然一直是科学研究的热点，但因成本和应用场景的限制导致实际应用方面进展缓慢。电化学技术主要是通过在阴极施加直流电减少氯离子的电荷转移和降低产生金属离子的量从而达到缓蚀作用，但缓蚀效果有限。目前来看，添加缓蚀剂仍然是减少腐蚀最为经济、简单和有效的方法[6]。笔者以某铜冶炼企业循环水系统为研究对象，通过分析补水的腐蚀性及缓蚀效果，为企业循环水系统提供一定的借鉴作用。

1 试验部分

1.1 试验水样

试验水样为某铜冶炼公司烟气制酸系统净化凉水塔的补水，其pH值为7.57，温度为37 ℃，主 要成分见表1。

表1 补水主要成分 ρ: mg/L

1.2 试剂与材料

缓蚀剂JSB-010为复配膦系缓蚀剂；试验腐蚀片为Ⅰ型A3标准Q235B碳钢挂片，规格为50 mm×25 mm×2 mm，表面积 28 cm2；无水乙醇（分析纯）；盐酸（分析纯）；氢氧化钠（分析纯）。

1.3 试验仪器

试验使用的主要设备为RCC-III型旋转挂片腐蚀仪和FA2004电子分析天平。

1.4 试验方法

使用无水乙醇擦拭A3标准碳钢挂片，晾干后置于干燥器中干燥4 h，称量，记录质量m1。然后取1 L补水于烧杯中，置于45 ℃的水浴内，按不同浓度投加缓蚀剂JSB-010，烧杯内补水温度升到45 ℃后，悬挂A3标准碳钢挂片并启动腐蚀仪。待试验 72 h 后，取出挂片按照 GB/T 18175—2014《水处理剂缓蚀性能的测定 旋转挂片法》对挂片进行酸洗和碱洗等处理并称量，记录质量m2，其中酸洗空白试验损失质量为m0。腐蚀速率V按公式（1）计算，缓蚀率W按公式（2）计算：

式中：V——腐蚀速率，mm/a；

8 760 ——年小时数，h/a；

m1——挂片原始质量，g；

m2——挂片腐蚀后质量，g；

m0——挂片酸洗空白试验损失质量，g；

10——与1 cm相当的毫米数，mm/cm；

s——挂片表面积，cm2；

ρ——挂片的密度，g/cm3；

t——腐蚀时间，h。

式中：W——缓蚀率，%；

V——添加缓蚀剂后的腐蚀速率，mm/a；

V0——未添加缓蚀剂的腐蚀速率，mm/a。

2 结果与分析

2.1 水质及腐蚀性分析

2.1.1 水质分析

循环水的腐蚀与缓蚀都是基于循环冷却水的稳定程度，目前判断循环冷却水的稳定程度主要依靠水质判断指数。以朗格利尔提出并推导的饱和pH（pHs）[7]的概念最具代表性，pHs是已知Ca量和碱度的水，处于碳酸钙平衡时的pH值。pHs可由多种方法得出，包括计算表、朗格利尔计算图、涅耳底尔计算图等方法。笔者以计算表分析净化凉水塔补水的水质稳定性，查pHs计算表，按公式（3）计算：

式中：S——含盐量系数；

T——温度系数；

H——硬度系数；

A——碱度系数。

以pHs为基础的雷兹定稳定指数RSI可用于判断水的腐蚀倾向和腐蚀程度[8]。RSI的值按公式（4）计算，水质的判断依据见表2。

表2 水质的判断依据

式中：pH值——水的实际pH值；

pHs——饱和pH值。

根据 1.1 中补水全盐量 （ρ）859.77 mg/L、温度37 ℃、硬度 （ρ）291.3 mg/L、碱度 （ρ）139.2 mg/L，S 值、T值、H值和A值分别取0.2、1.8、2.1和2.1，计算得出补水的pHs=7.1，RSI=6.64。因此，判定补水具有轻微腐蚀性。

2.1.2 腐蚀性分析

通过挂片腐蚀试验验证补水的腐蚀性，在不添加缓蚀剂的条件下腐蚀试验连续进行72 h，腐蚀量 m1-m2-m0=0.021 9 g，根据公式 （1）计算补水对Q235B碳钢的腐蚀速率为0.121 mm/a，腐蚀情况见图1。

图1 补水对挂片的腐蚀

由图1可以看出：Q235B碳钢挂片表面粘有软垢和红色锈状物，清理干净后表面不光滑，有较明显的腐蚀。为摸索腐蚀规律，每隔24 h取出挂片称量并计算腐蚀速率，试验结果见图2。

图2 不同试验时间下的腐蚀速率

从图2可以看出：腐蚀速率随腐蚀时间延长呈增加趋势。分析其原因有：①随着腐蚀的发生，光滑的表面出现腐蚀坑或腐蚀面，导致与水接触的表面积增加，从而增加了腐蚀速率；②腐蚀坑内更容易形成原电池，加重电化学腐蚀，随着腐蚀坑的增加，电化学腐蚀更加严重；③时间越长结垢越多，垢下腐蚀也随之增加，直至紧密的硬垢形成保护层。这也可以解释新设备的耐腐蚀性能更好，而旧设备的腐蚀速率相对较高。

2.2 缓蚀分析

2.2.1 缓蚀剂用量

缓蚀剂JSB-010是由羟基乙叉二膦酸（HEDP）等多种药剂复配的一种以阴极为主的混合型缓蚀剂。缓蚀剂JSB-010的缓蚀机理是在金属表面形成保护层，抑制反应的活化点，即抑制阴极析氢反应和阳极溶解反应。为摸索缓蚀剂JSB-010的最佳用量，分别按质量浓度30，50，80，100 mg/L进行缓蚀试验，不同缓蚀剂用量条件下的腐蚀速率见图3。

图3 不同缓蚀剂用量条件下的腐蚀速率

由图3可以看出：随着缓蚀剂JSB-010用量的增加，腐蚀速率呈下降趋势，当缓蚀剂质量浓度达到 100 mg/L 时，腐蚀速率仅为 0.024 mm/a（缓蚀率为79.34%），满足HG/T 2431—2018《水处理剂 阻垢缓蚀剂Ⅲ》中缓蚀阻垢剂的腐蚀速率小于等于0.075 mm/a的要求。从试验现象发现，缓蚀剂JSB-010质量浓度在80 mg/L以下时，挂片表面结有较多的软垢和锈状物，且垢下腐蚀较为明显。当缓蚀剂质量浓度达到80 mg/L时，挂片表面的软垢和锈状物明显减少，仅在侧边和挂孔处存在一定的腐蚀。当缓蚀剂质量浓度达到100 mg/L时，挂片表面光滑，仅在挂孔处存在轻微腐蚀，主要是挂孔处与旋转轴（PVC材质）连接，缓蚀剂无法在PVC材料表面形成保护层导致的。因此，针对净化凉水塔补水水质，确定缓蚀剂JSB-010的最佳用量为质量浓度100 mg/L。

2.2.2 补水温度

为考察温度对缓蚀剂JSB-010的影响，保持缓蚀剂质量浓度100 mg/L，调节补水温度在25～50℃的条件下进行了缓蚀试验，不同温度条件下的腐蚀速率见图4。

图4 不同温度条件下的腐蚀速率

从图4可以看出：随着温度升高，腐蚀速率呈上升趋势，当补水温度达到50 ℃时，腐蚀速率为0.031 mm/a。净化凉水塔循环水回水温度一般低于45 ℃，因此，缓蚀剂JSB-010在净化凉水塔能起到较好的缓蚀作用。

2.2.3 缓蚀剂稳定性验证

为验证缓蚀剂JSB-010的缓蚀稳定性，在缓蚀剂JSB-010质量浓度100 mg/L的条件下进行了6组平行试验，试验结果见图5。

图5 缓蚀稳定性试验结果

从图5可以看出：缓蚀剂JSB-010的缓蚀性能稳定，缓蚀效果良好。

3 结论

1）通过RSI指标判断净化凉水塔补水是具有轻微腐蚀性的水质，试验得出补水的腐蚀速率一般在0.121 mm/a以上。腐蚀速率随着腐蚀时间的增加而增加，即存在一定腐蚀的设备更易被腐蚀。

2）缓蚀剂JSB-010可应用于铜冶炼烟气制酸系统净化凉水塔，缓释剂最佳质量浓度为100 mg/L，在此条件下的缓蚀率为79.34%，且缓蚀性能稳定。