锌白铜多组分除垢合金及除垢器生产技术

罗显龙，黄 华，孙晓帆，罗光政，张 辉

（1.辽宁中车轨道交通装备有限公司金属功能材料研究院，辽宁 辽阳 111212；2.鞍山师范学院，辽宁 鞍山114001；3.辽宁中车轨道交通装备有限公司，辽宁 辽阳 111212；4.辽阳市锅炉压力容器检验研究所，辽宁 辽阳 111000）

1 前言

铜是人类最早使用的金属之一，不仅可以单体存在，还能与许多金属组成合金。白铜是铜镍二元合金，锌白铜是在铜镍合金中添加锌元素组成的三元合金；在该合金中添加1.5%的锡，就能明显提高锌白铜的电镀性能和耐蚀性能，制成锡锌白铜，使锌白铜具有了更多的性能，广泛应用到机械、电子、石化等领域，近年来又被用于水系统中。

水管中结垢是水系统中最常见的问题，结垢会使管径变小甚至管路堵塞。为防止结垢，工业中使用了许多办法，但这些方法因浪费药剂、污染环境等原因，使其应用越来越受到限制。目前最环保的方法是使用锌白铜多组分合金除垢，不破坏水的成分，不需要额外能量，不产生任何污染。该方法是将锌白铜多组分合金制成特定大小和形状后装在筒体内，将筒体连接到水路中，利用锌白铜多组分合金与水接触时持续释放的自由电子、产生极化现象的功能来阻垢。

2 锌白铜除垢合金生产

2.1 生产工艺

辽宁中车轨道交通装备有限公司与鞍山师范学院合作，于2020年3月成功生产出MD-2和MD-11两种型号锌白铜多组分除垢合金材料共2.45吨，利用该材料加工制造了MDCG01和MDCG02等型号除垢器151套，产品销往冶金、化工、发电等领域，收到了良好除垢效果。锌白铜多组分除垢合金生产工艺流程图，见图1。

图1 生产工艺流程图

2.2 关键工序及参数

（1）原料准备：将锌白铜、锡青铜或其它废旧铜合金进行分拣，去除表面杂质后进行破碎处理，形成铜合金破碎料和铜合金屑，将铜合金破碎料及铜合金屑分别称重、存放。

（2）打炉：在感应电炉内铺上一层石棉布，将细砂、粗砂和镁砂按一定质量百分比混合均匀作为底衬料，将衬料加硼酸捣固制成感应电炉炉底衬，底衬厚度为100mm；再将细砂、粗砂和镁砂按一定质量百分比混合均匀作为内衬料，然后用衬料加硼酸捣固制成感应电炉内衬，内衬厚度为120mm；用烘烤器进行32小时的烘烤，烘烤温度90℃。炉衬参数见。

表1 炉衬参数

（3）内衬熔化燃烧。感应电炉送电，按额定加热功率的五档分别送电并加热一段时间，直到炉温达到1650～1720，感应电炉内衬熔化并完全燃烧为止；各档送电功率与时间见表2。

表2 送电功率与加热时间表

（4）吹氩熔炼。将铜合金破碎料倒入感应电炉内，在铜合金破碎料升温熔化过程中，补加5%～8%的铜合金屑并吹氩，保证铜合金熔液的液面不暴露在空气中。

（5）成分调整：对完全熔化后的铜合金熔液进行取样，化验其中铜、镍、锌、锡等元素的含量，并根据化验结果添加相应金属，使其化学成分达到成品要求；加入质量百分比为1.5%铜锰合金脱氧剂，脱氧4～10分钟后出渣。

（6）出炉铸锭：将铜合金熔液倒入中间包，并在铜合金熔液表面撒上一层碳化稻壳，出炉温度1320℃～1380℃，然后进行模铸，制成除垢合金坯。

2.3 除垢合金性能

①化学成分：化学成分及质量百分比：Cu 58%，Zn 17%，Ni 21%，Sn 3.2%，Cr 0.7%,其余为不可避免的杂质。②微电流的稳定值：在总硬度1200Mg/L、流速2.5m/s的水中，微电流的稳定值达到34μA。③盐雾试验：按照《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》GB/T10125-2012标准，中性盐雾试验达到580小时无锈蚀。

3 除垢器的生产工艺与结构

3.1 生产工艺

①热锻或轧制：将除垢合金坯进行加热，然后进行热锻或轧制，制成圆棒。②精准热处理：对除垢合金圆棒进行精准热处理，以调整晶粒取向，提高除垢性能③对热处理后的除垢合金棒进行切削加工，制成喘流体，将湍流体装入筒体内，制成除垢器。

3.2 除垢器结构

套筒式除垢器由筒体、可调溶垢组件、入口连接件、出口连接件组成，其结构示意图，见图2。

图2 喘流孔圆板和套筒式除垢器结构示意图

（1）可调溶垢组件：由若干个湍流体组成，且湍流体的间距能够调节；湍流体由除垢合金制成；圆筒体的一端为入水口，另一端为出水口；入口连接件设于圆筒体的入水口一端，出口连接件设于圆筒体的出水口一端。出口连接件为法兰、法兰顶丝、外接丝头、封堵丝头或内螺纹筒丝头。

（2）湍流体为圆片状湍流体，其上密布多个湍流锥孔，湍流锥孔的大端朝向水流入方向，小端朝向水流出方向；圆片状湍流体沿圆筒体的轴向并排设置在圆筒体内，各圆片状湍流体之间通过隔离件进行间隔；通过改变隔离件的宽度能够调节圆片状湍流体的间距。

（3）隔离件为隔离套或弹簧；位于两端的湍流体与圆筒体的封头内端面、入口连接件的端面或出口连接件的端面之间贴合在一起或者设有隔离套或弹簧。

（4）圆筒体在靠近入水口的一端设有过滤芯及排污口，过滤芯为片状滤网结构，排污口处设排污阀。

4 除垢器的应用

4.1 除垢器使用方法

①使用前，对工况下的水流速度进行检测，根据水压及水流速度，计算水与锌白铜多组分除垢合金接触面积，确定圆筒体的直径、湍流孔板的数量及间距，选择筒式除垢器型号。②将筒式除垢器安装在管路上，来水通过入口连接件流入圆筒体内，在入水口一端截面积增大，来水的流减速缓，水中杂质沉积下来；这些杂质由过滤芯拦截后，通过排污口定期排出。③经过滤后的水流通过前端湍流孔板向后流动，水中钙离子、镁离子或其它易成垢阳离子与除垢合金释放的自由电子产生极化作用，阻止钙离子、镁离子或其它易成垢阳离子与碳酸根、碳酸氢根、硫酸根及其它易成垢阴离子聚集后生成水垢。④水流自出水连接件流至后续管道中，水中的自由电子与后续管道内的钙离子、镁离子及其它易成垢阳离子继续发生极化作用，有利于将后续管道内的水垢溶解。⑤当由水流速度检测仪自动检测的水流速度值超过设定值时，水流速度检测仪将检测值自动反馈给控制系统并报警，通过自动或手动对管路系统压力进行调节来调节管路中水的流速，进而控制水流速度在设定范围内。⑥当管路系统的压力无法调节或调节后仍达不到要求时，自动或手动调节湍流孔板间距，当间距变大时水流速度减小，当间距变小时水流速度变大，以此来调节水与湍流孔板的接触强度。

4.2 除垢器的现场应用

锌白铜多组分套筒除垢器MDCG01，于2020年6月12日应用于鞍山源鑫钢铁有限公司的加热炉汽化冷却系统上，该汽化冷却系统由高位汽化罐，下降管，纵、横炉底水管和上升管组成的自然循环系统。汽化罐由水泵进行补水，汽化冷却装置用新水量约为8～15t/h，循环水量300～500t/h。加热炉参数见表3。

表3 加热炉参数表

经过6个月运行，该汽化冷却系统于2020年12月20日检修，期间没有对汽化罐的上水系统进行软化处理，但检查发现，横、纵炉膛管及炉外上升和下降管均没有增加水垢，汽化罐内水垢也比之前减少30%以上，取得了良好效果。

5 结论

（1）锌白铜多组分除垢合金在水中产生稳定的微电流阻止水中离子结合，具有防垢除垢功能。

（2）形成了锌白铜多组分除垢合金的熔炼和加工工艺，参数合理，技术可靠。

（3）目前已生产出2个型号除垢合金和2个型号除垢器产品，应用于冶金、化工、发电行业，收到良好效果。