CN111519065A

CN111519065A - 一种具有防垢用途的合金材料及其制备方法

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Publication number: CN111519065A
Application number: CN202010359244.4A
Authority: CN
Inventors: 侯晓伟
Original assignee: Xi'an Tongwei Industrial Technology Co ltd
Current assignee: Xi'an Tongwei Industrial Technology Co ltd
Priority date: 2020-04-29
Filing date: 2020-04-29
Publication date: 2020-08-11
Anticipated expiration: 2040-04-29
Also published as: CN111519065B

Abstract

本发明提供一种具有防垢用途的合金材料，包含如下质量百分含量的组分：Cu：45％～55％，Zn：22％～35％，Ni：11％～25％，Sn：2％～4％，Al：2％～3.5％，Mn：1.5％～3.5％，Au：0.01％～0.1％。本发明还公开其制备方法，选取熔炼原材料，进行配料计算，选取熔炼工具和熔炼工艺进行熔炼。本发明通过不同的金属元素配比，然后合金化，形成合金材料，从而防止工业生产过程中设备的结垢，提高设备的热效率，降低生产成本。

Description

一种具有防垢用途的合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金材料，具体而言，尤其涉及一种具有防垢用途的合金材料及其制备方法。

背景技术

在工业生产过程中，水经常被用作热量转移的载体，不可避免的在相关设备表面，存在严重的结垢现象，设备表面结垢会增加热阻，使设备热效率降低，增加维护成本，从而引起严重的经济损失，据统计我国因设备结垢引起的经济损失大约达到工业生产总值的0.3％，设备结垢甚至会引起爆炸，管路结垢会增加管路流体流动阻力，增加阻力损失，等一系列危害。

目前解决此类结垢问题的办法主要为添加化学药剂，进行酸洗或者碱洗，但这会造成巨大的经济成本，而且环境也不友好，会造成环境的二次污染。

因此，如何找到一种方法或者材料，该方法或者材料具有节能环保，无化学添加的特点，能够解决此类工业生产过程中结垢问题，一直是相关工作人员努力的方向。

发明内容

根据上述提出的目前解决结垢问题的办法主要为添加化学药剂，进行酸洗或者碱洗，但这会造成巨大的经济成本，而且环境也不友好，会造成环境的二次污染的技术问题，而提供一种具有防垢用途的合金材料及其制备方法。本发明主要通过不同的金属元素配比，然后合金化，形成合金材料，从而防止工业生产过程中设备的结垢，提高设备的热效率，降低生产成本。

本发明采用的技术手段如下：

一种具有防垢用途的合金材料，包含如下质量百分含量的组分：

Cu：45％～55％，Zn：22％～35％，Ni：11％～25％，Sn：2％～4％，Al：2％～3.5％，Mn：1.5％～3.5％，Au：0.01％～0.1％。

进一步地，上述具有防垢用途的合金材料，包含如下质量百分含量的组分：

Cu＝50％、Zn＝25％、Ni＝16％、Sn＝2.45％、Al＝3％、Mn＝3％、Au＝0.05％。

进一步地，所述合金材料中元素Cu、Zn、Ni、Sn、Al、Mn、Au的电极电位分别为：+0.337V、-0.763V、-0.246V、-0.136V、-1.663V、-1.179V、+1.692V；所述Cu与Zn、Cu与Ni、Zn与Sn、Au与Al、Cu与Mn之间的电位差分别为：1.1V、0.583V、0.899V、3.355V、1.516V；

合金元素间电位差越大，越有利于合金与流体介质易垢离子的电化学反应，当流体介质与该合金材料接触时，构成多元合金与电解质溶液的电极系统，合金中电极电位较低的金属首先氧化为离子，进入溶液，同时释放电子进入溶液，与Ca2+、Mg2+形成稳定的物质结构，不再形成垢体；

所述元素Au为电极电位最高的金属元素，与元素Cu之间无限固溶，提高合金的元素之间的电位差，所以比同类产品除垢能力更优；金属元素Ni使晶粒细化，提高合金的耐蚀度及强度；金属元素Sn使合金晶粒细化的同时提高合金的硬度，使合金更耐流体的冲刷磨损；金属元素Al电极电位非常低，与其他元素形成较大的电位差，有利于提高合金表面的反应自由能；Zn元素成为Zn离子进入溶液能够抑制文石向方解石转换，文石呈现淤泥状，有利于被流体冲刷带走，抑制新垢体的产生，使已经生成的垢体脱落。

本发明还提供了一种具有防垢用途的合金材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、选取熔炼原材料：

所述熔炼原材料通过以下两种方式进行选取：

方法一、各组分以纯金属形式Cu-CATH-2、Zn99.99、Ni99.50、Sn99.99、Mn99.5、Al99.5、Au99.99熔炼；

方法二、高熔点成分Mn以中间合金CuMn22形式加入，其余部分以纯金属Cu-CATH-2、Ni99.50、Al99.5、Zn99.99、Sn99.99、Au99.99熔炼；

步骤二、配料计算：

通过设定的合金元素Cu、Zn、Ni、Sn、Al、Mn、Au的质量百分含量计算熔炼中所需要的各元素的质量，利用各元素的质量计算熔炼中所需要的中间合金或纯金属的含量；

步骤三、选择熔炼工具；

步骤四、选取熔炼工艺进行熔炼。

进一步地，步骤二中，考虑金属烧损，其中金属元素Ni、Au不易烧损，烧损率考虑为零，其余各金属元素按照如下烧损率：Cu：1％，Zn：2.5％，Mn：2.5％，Al：2％，Sn：1.5％。

进一步地，步骤三中，所述熔炼工具采用以镁砂为炉衬的感应电炉。

进一步地，步骤四中，采用步骤一中的方法二时，所述熔炼工艺包括如下步骤：

S1、依次将覆盖剂、Cu-CATH-2、Ni99.50、Cu-CATH-2加入感应电炉中，首次加入的Cu-CATH-2进行铺底；

S2、升温熔化并加热至1300～1350℃；

S3、加入Cu-P脱氧剂脱氧；

S4、加入Zn99.99、Sn99.99、Al99.5、Au99.99，搅拌，形成均匀熔体；

S5、炉前检验；

S6、必要时除气处理；

S7、在浇注前3min内加入中间合金CuMn22；

S8、调整温度、出炉浇注。

进一步地，步骤S8中，所述温度调整至1200℃。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的具有防垢用途的合金材料及其制备方法，将直径

的本合金试验芯片，放进流速1m/s，浓度4900mg/mol的碳酸钙溶液中，测得电流值与时间的关系，可见由于本发明添加的金属元素Au、Au为电极电位最高的金属元素，可以提高合金表面的反应自由能，比同类产品除垢能力更强。

2、本发明提供的具有防垢用途的合金材料及其制备方法，合金析出的二价阳离子阻碍了成垢晶体的结晶过程，即影响了成垢晶体的形核，又影响了成垢晶体的生长速度，预防了新垢在设备表面或者管道内部的形成。

3、本发明提供的具有防垢用途的合金材料及其制备方法，由于合金与溶液的电化学反应，促进了已经形成的垢体晶体结构，由方解石型向文石型转换，文石型为一种比较松散的晶体结构，促成了设备表面或者管道内部既有垢体的脱落。

综上，应用本发明的技术方案能够解决现有技术中的目前解决结垢问题的办法主要为添加化学药剂，进行酸洗或者碱洗，但这会造成巨大的经济成本，而且环境也不友好，会造成环境的二次污染的问题。

基于上述理由本发明可在电力、冶金、化工、钢铁、造纸等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中合金芯片在碳酸钙溶液中产生电流值与时间关系曲线。

图2为本发明中凝汽器出口水硬度、电导率与运行时间关系曲线图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图所示，本发明提供了一种具有防垢用途的合金材料，包含如下质量百分含量的组分：

步骤一、选取熔炼原材料：

所述熔炼原材料通过以下两种方式进行选取：

步骤二、配料计算：

步骤三、选择熔炼工具；

步骤四、选取熔炼工艺进行熔炼。

S2、升温熔化并加热至1300～1350℃；

S3、加入Cu-P脱氧剂脱氧；

S5、炉前检验；

S6、必要时除气处理；

S7、在浇注前3min内加入中间合金CuMn22；

S8、调整温度、出炉浇注。

进一步地，步骤S8中，所述温度调整至1200℃。

实施例1

本实施例中，将直径

的采用本发明合金材料制作成的合金试验芯片，放进流速1m/s，浓度4900mg/mol的碳酸钙溶液中，测得电流值与时间的关系，如图1所示，可见由于本发明添加的金属元素Au、Au为电极电位最高的金属元素，可以提高合金表面的反应自由能，比同类产品除垢能力更强。

本实施例中：合金材料各组分的质量百分比分别为：Cu＝50％、Zn＝25％、Ni＝16％、Sn＝2.45％、Al＝3％、Mn＝3％、Au＝0.05％，经测试具有此种组分的合金，除垢能力最优。

具体的应用案例：

案例一、国内某化工厂换热器，由于循环水中含有大量的钙镁离子及微生物，导致换热器每运行5-6个月左右会形成一层1-1.5mm厚的硬垢，2018年7月年检修时安装了含有本发明合金材料的除垢装置，到2019年10月检修时检查设备，发现换热器表面干净无垢，循环水进出水口温差常年维持在8℃，换热器运行稳定。

案例二、国内某电厂凝汽器，由于水质不稳定导致结垢严重，于2018年5月检修时投入含有本发明合金材料的除垢装置，并停止加药，除垢装置投入使用后，定时对循环水的水质进行检测，发现凝汽器出口水全硬、钙硬、电导率明显高于入水口，说明凝汽器内部的垢体已经开始溶解，随着除垢装置的不断投入使用，凝汽器进出水口的水质变化值趋于稳定，说明装置达到了除垢防垢的目的。具体测试结果见图2。

下面以本实施例合金材料组分为例，对其制备过程进行具体的描述：

以制备500kg此种合金为例：

步骤一：选取熔炼原材料

本实施例中，熔炼原材料选取方法二，即：

方法二、高熔点成分Mn以中间合金CuMn22形式加入，其余部分以纯金属Cu-CATH-2、Ni99.50、Al99.5、Zn99.99、Sn99.99、Au99.99熔炼。

鉴于Mn熔点较高，以中间合金的形式熔炼比较合适，本实施例选用方法二。

步骤二：配料计算

考虑金属烧损，其中金属元素Ni、Au不易烧损，烧损率考虑为零，其余各金属元素按照如下烧损率：Cu：1％，Zn：2.5％，Mn：2.5％，Al：2％，Sn：1.5％。

配料计算熔炼500kg元素含量Cu＝50％、Zn＝25％、Ni＝16％、Sn＝2.45％、Al＝3.5％、Mn＝3％、Au＝0.05％合金所需要的合金元素：

计算熔炼需要中间合金CuMn22量：

计算熔炼需要Cu-CATH-2量：

中间合金CuMn22带入Cu量＝69.91kg×78％＝54.53kg；

计算熔炼需要Ni99.50量：

计算熔炼需要Zn99.99量：

计算熔炼需要Sn99.99量：

计算熔炼需要Al99.5量：

计算熔炼需要Au99.99量：

步骤三：选择熔炼工具

杂质碳是该合金最有害的元素，所以不宜使用木炭做覆盖剂，也不宜用石墨坩埚熔炼合金，采用以镁砂为炉衬的感应电炉比较合适。

步骤四：熔炼工艺

S1、将覆盖剂、Cu-CATH-2(铺底)、Ni99.50、Cu-CATH-2加入感应电炉中；

S2、升温熔化并加热至1300～1350℃；

S3、加入Cu-P脱氧剂脱氧；

S5、炉前检验(常规操作)；

S6、必要时除气处理(常规操作)；

S7、在浇注前3min内加入中间合金CuMn22；

S8、调整温度至1200℃、出炉浇注。

实施例2

本实施例中，合金材料各组分的质量百分比分别为：Cu＝55％、Zn＝23％、Ni＝14％、Sn＝2.47％、Al＝2.5％、Mn＝3％、Au＝0.03％，配料计算、熔炼工具与熔炼工艺均与实施例1类似，不再做进一步阐述。

实施例3

本实施例中，合金材料各组分的质量百分比分别为：Cu＝45％、Zn＝35％、Ni＝11％、Sn＝2.49％、Al＝3.5％、Mn＝3％、Au＝0.01％，配料计算、熔炼工具与熔炼工艺均与实施例1类似，不再做进一步阐述。

本发明的合金材料为一种特殊成分的合金材料，该合金材料特别适用于电力、冶金、化工、钢铁、造纸等行业，具有防垢防腐蚀功能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种具有防垢用途的合金材料，其特征在于，包含如下质量百分含量的组分：

2.根据权利要求1所述的具有防垢用途的合金材料，其特征在于，包含如下质量百分含量的组分：

3.根据权利要求2所述的具有防垢用途的合金材料，其特征在于，所述合金材料中元素Cu、Zn、Ni、Sn、Al、Mn、Au的电极电位分别为：+0.337V、-0.763V、-0.246V、-0.136V、-1.663V、-1.179V、+1.692V；所述Cu与Zn、Cu与Ni、Zn与Sn、Au与Al、Cu与Mn之间的电位差分别为：1.1V、0.583V、0.899V、3.355V、1.516V；

所述元素Au为电极电位最高的金属元素，与元素Cu之间无限固溶，提高合金的元素之间的电位差；金属元素Ni使晶粒细化，提高合金的耐蚀度及强度；金属元素Sn使合金晶粒细化的同时提高合金的硬度，使合金更耐流体的冲刷磨损；金属元素Al电极电位非常低，与其他元素形成较大的电位差，有利于提高合金表面的反应自由能；Zn元素成为Zn离子进入溶液能够抑制文石向方解石转换，文石呈现淤泥状，有利于被流体冲刷带走，抑制新垢体的产生，使已经生成的垢体脱落。

4.一种如权利要求1-3任意权利要求所述的具有防垢用途的合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、选取熔炼原材料：

所述熔炼原材料通过以下两种方式进行选取：

步骤二、配料计算：

步骤三、选择熔炼工具；

步骤四、选取熔炼工艺进行熔炼。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤二中，考虑金属烧损，其中金属元素Ni、Au不易烧损，烧损率考虑为零，其余各金属元素按照如下烧损率：Cu：1％，Zn：2.5％，Mn：2.5％，Al：2％，Sn：1.5％。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述熔炼工具采用以镁砂为炉衬的感应电炉。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤四中，采用步骤一中的方法二时，所述熔炼工艺包括如下步骤：

S2、升温熔化并加热至1300～1350℃；

S3、加入Cu-P脱氧剂脱氧；

S5、炉前检验；

S6、必要时除气处理；

S7、在浇注前3min内加入中间合金CuMn22；

S8、调整温度、出炉浇注。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S8中，所述温度调整至1200℃。