馮根生 宋忠平 顧飛
(北京科技大學(xué),100083) 摘要 本文論述了高爐循環(huán)冷卻水水質(zhì)改進的重要性，在對國內(nèi)鋼鐵企業(yè)水質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，選用了以有機膦酸、聚羧酸為主的復(fù)配的阻垢和緩蝕劑，對鞍鋼、首鋼和石鋼的工業(yè)水進行了阻垢和緩蝕實驗研究，取得了阻垢率和緩蝕率均大于90%的結(jié)果。
關(guān)鍵詞 高爐 循環(huán)冷卻水 阻垢 緩蝕 The Research of the Improvement of Blast Furnace Circulating Cooling Water Quality
Feng gensheng Wei zhongpin Gu fei
(Beijing Science and Technology University, Beijing, 100083) Abstract this paper discussed the importance of improving blast furnace circulating cooling water quality. Based on the survey of water quality of domestic steel enterprise, the built scale and corrosion inhibitor, which is composed of phosphonic acid and polycarboxylic acid, is brought forward in the experiment. The performance test of the scale and corrosion inhibitor to the industrial water of An’Gang, ShouGang and ShiGang showed that the efficiencies of scale and corrosion inhibition were more than 90 per cent.
Keyword blast furnace circulating cooling water scale inhibition corrosion inhibition 現(xiàn)代冶金生產(chǎn)過程中，高爐煉鐵生產(chǎn)是其中的重要環(huán)節(jié)。高爐生產(chǎn)中，影響高爐長壽的因素越來越集中在爐襯耐火材料、冷卻器、冷卻介質(zhì)三大要素。高爐爐襯的作用在于形成高爐工作空間，減少爐子的熱損失，并保護爐殼和其它金屬結(jié)構(gòu)免受熱應(yīng)力和化學(xué)侵蝕的作用。冷卻器對爐襯穩(wěn)定的影響是巨大的，實踐表明，凡是冷卻器工作良好的部位，爐襯的剝落就比較輕微，反之則嚴(yán)重。高爐冷卻不僅降低耐火爐襯本身的溫度，給爐體以直接的保護，還保護了爐殼等構(gòu)件的強度，所以高爐的冷卻是十分重要的。水具有化學(xué)穩(wěn)定性好、熱容量大、常用溫度下體積變化小、流動性好、易于輸送和分配、來源廣泛、價格低等特點，在高爐冷卻系統(tǒng)中被廣泛使用。
為了提高冷卻器的效果和冷卻器的壽命，人們進行了大量的研究。研究表明，即使是在最薄弱的爐身下部，只要冷卻水和冷卻器之間無絕熱物質(zhì)（如水垢、氣膜等），冷卻器仍可長期正常工作。冷卻器水管不結(jié)垢，不腐蝕，就能保證冷卻器的壽命。在冷卻水水質(zhì)惡劣，腐蝕、結(jié)垢嚴(yán)重的情況下使用優(yōu)質(zhì)耐火材料及改進冷卻設(shè)備都將是徒勞無益的。所以，采用不結(jié)垢無腐蝕的冷卻水或控制冷卻水在工作條件下不結(jié)垢不腐蝕，是高爐長壽高效的重要前提條件之一。
目前冶金工廠普遍采用的冷卻介質(zhì)主要是工業(yè)水，眾所周知，工業(yè)水是只經(jīng)過簡單沉淀和過濾的天然水，其中含有大量的溶解鹽類產(chǎn)生的金屬和酸根離子、氧等可溶氣體、沉淀物等雜質(zhì)，使得工業(yè)水在使用過程中由于溫差的變化和溶解離子濃度的變化，很容易在換熱器表面產(chǎn)生水垢，由于水垢的導(dǎo)熱系數(shù)不超過1.16W/（m.K），遠遠低于碳鋼的45 W/（m.K）因此導(dǎo)熱性能極差，1mm厚的水垢可以產(chǎn)生50-100℃的溫差，嚴(yán)重的影響冷卻器的傳熱效率。同時，由于高爐使用的冷卻器大多為碳鋼制造，長期使用工業(yè)水，工業(yè)水中的溶解氧、有害離子將會腐蝕冷卻器，造成冷卻器的損壞，它們將嚴(yán)重的影響到高爐的生產(chǎn)操作和高爐的壽命。
對高爐循環(huán)冷卻用工業(yè)水可以采用化學(xué)的添加阻垢和緩蝕劑的方法簡便可行，可以有效的保證使用的工業(yè)水不結(jié)垢、無腐蝕，保證冷卻器的正常工作。 1.高爐循環(huán)冷卻水水質(zhì)分析 我們對我國的鞍鋼、首鋼、包鋼、濟鋼、太鋼、唐鋼、馬鋼、廣鋼、邯鋼、石鋼、天鐵、梅山等鋼鐵企業(yè)高爐的工業(yè)水水樣進行了全分析，分析結(jié)果分別見表1，結(jié)果表明，全國十二個鋼鐵企業(yè)高爐用循環(huán)冷卻水的水質(zhì)情況為：從北方硬度較高，南方的水質(zhì)要好一些。根據(jù)表中各鋼鐵企業(yè)工業(yè)水的飽和指數(shù)和穩(wěn)定指數(shù)來判斷水質(zhì)有一定的局限性，因為在高爐的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，有許多不同的溫度區(qū)域，不可能存在全系統(tǒng)碳酸鈣的溶解平衡。因此，結(jié)合高爐煉鐵的實際生產(chǎn)條件，我們強調(diào)水的穩(wěn)定性要好，同時設(shè)計并測定了各鋼鐵企業(yè)工業(yè)水穩(wěn)定性曲線，見圖1。 
從循環(huán)冷卻水的穩(wěn)定性來看，我國北方的工業(yè)水在溫度超過50℃的情況下，穩(wěn)定性急劇變差，將會出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)垢問題。同時由于水中溶解氧的存在，對以碳鋼為材料的冷卻器存在著嚴(yán)重的腐蝕問題。為此我們根據(jù)高爐煉鐵的工藝條件，進行了系統(tǒng)的循環(huán)冷卻水的阻垢和緩蝕實驗。 表1 國內(nèi)主要鋼鐵企業(yè)工業(yè)水樣分析結(jié)果| 水樣 | pH值 | 總硬度
（mg/L） | 鈣硬度
（mg/L） | 鎂硬度
（mg/L） | 堿度
（m.mol/L） | Cl-
（mg/L） | SiO2
（mg/L） | PO43-
（mg/L） | | 鞍鋼 | 7.75 | 156.06 | 114.17 | 41.89 | 2.46 | 40.53 | 1.13 | 0.299 | | 首鋼 | 7.60 | 178.79 | 106.21 | 72.58 | 2.44 | 71.60 | 4.20 | - | | 包鋼 | 7.98 | 208.75 | 140.50 | 68.25 | 3.65 | 35.79 | 2.43 | 0.10 | | 太鋼 | 7.50 | 294.31 | 210.45 | 83.86 | 2.04 | 32.10 | 2.66 | 0.26 | | 馬鋼 | 7.80 | 92.12 | 76.66 | 15.46 | 1.73 | 11.54 | 5.07 | - | | 濟鋼 | 7.15 | 262.11 | 198.23 | 63.48 | 1.87 | 46.31 | 1.49 | 1.00 | | 邯鋼 | 7.52 | 291.46 | 208.96 | 83.50 | 3.56 | 65.25 | 7.30 | - | | 廣鋼 | 7.28 | 66.00 | 56.77 | 9.23 | 1.05 | 16.03 | 2.43 | 0.10 | | 唐鋼 | 7.51 | 189.73 | 130.91 | 58.82 | 2.46 | 64.03 | 0.04 | - | | 石鋼 | 7.00 | 222.24 | 162.57 | 59.67 | 1.20 | 67.32 | 0.32 | 0.02 | | 梅山 | 7.48 | 93.88 | 81.30 | 12.57 | 1.77 | 12.64 | 2.44 | - | | 天鐵 | 7.98 | 270.82 | 197.96 | 72.86 | 4.57 | 3.63 | 1.29 | 1.00 | 2.阻垢和緩蝕藥劑的選擇 根據(jù)對目前常用的阻垢劑和緩蝕劑的分析，我們確定選擇以有機膦酸、聚羧酸為主作為實驗的阻垢劑和緩蝕劑。
有機膦酸可以與金屬離子有較強的螯合作用。它們與結(jié)垢物質(zhì)的金屬離子生成溶解度很大的螯合物，螯合后的金屬離子不能與結(jié)垢物質(zhì)的陰離子接觸生成沉淀，因而起到阻垢作用。有機膦酸都具有較高的表面活性，阻礙結(jié)垢物質(zhì)離子的靠近和聚集，即使結(jié)垢晶粒長大，離子也不能進入正常的晶格，發(fā)生結(jié)晶扭歪畸變，長大的晶體也難于形成致密的垢層。
聚羧酸類的阻垢作用是首先在水溶液中可以解離成負離子，與碳酸鈣微晶體發(fā)生碰撞發(fā)生物理化學(xué)吸附過程，把有成垢可能的微晶體在一定程度上聚集起來。這種凝聚作用是在分子鏈上完成的，然后又通過分子鏈的作用，吸附產(chǎn)物在溶液中分散，使體系呈現(xiàn)平均分散狀態(tài)，使微晶體穩(wěn)定地懸浮在水溶液中。這種凝聚與隨后的分散作用。有效的抑制結(jié)垢。同時聚羧酸還具有對對粘泥、粉塵、腐蝕產(chǎn)物和生物碎屑等起到分散作用，這些聚合物在水中具有很高的表面活性，它們在水中容易吸附導(dǎo)晶核上，使晶核的表面能降低，使小晶核重新溶解，使大晶核的晶格畸變，破壞垢的結(jié)晶單元的取向。
因此有機膦酸和聚羧酸具有良好的抑制碳酸鈣、硫酸鈣、鐵甚至磷酸鹽從水中析出的能力，具有阻止結(jié)垢物質(zhì)的結(jié)晶按正常晶格長大并粘附在金屬換熱器面上的能力。
有機膦酸與金屬離子具有較強的螯合作用，添加少量的二價金屬離子生成穩(wěn)定的螯合膜可以有效的抑制金屬的腐蝕。 3.實驗結(jié)果 根據(jù)研究和其它行業(yè)的先進經(jīng)驗，采用復(fù)配的水處理藥劑具有藥劑用量少、效果好的特點，我們確定了以有機膦酸和聚羧酸為主的多組復(fù)配的水處理藥劑，針對我國北方的鞍鋼、首鋼和石鋼的高爐循環(huán)冷卻工業(yè)水進行了阻垢和緩蝕實驗。結(jié)果見圖2。 
從圖2可以看到，采用不同的阻垢和緩蝕水處理方案，效果有所不同，方案3、4無論對鞍鋼、首鋼還是石鋼高爐使用的工業(yè)水都具有良好的阻垢和緩蝕效果。選擇的復(fù)配水處理藥劑具有良好的適應(yīng)性。只要工業(yè)水中含CaO在150～200mg/L左右，都可以使用水處理藥劑解決結(jié)垢問題，同時也解決腐蝕問題。
我們的方案已經(jīng)在石家莊鋼鐵集團有限責(zé)任公司投入使用，經(jīng)過二年的運行，效果良好，既能阻垢，又能緩蝕，阻垢率和緩蝕率均超過90%，取得了滿意的結(jié)果。 4.結(jié)果分析討論 對于鞍鋼、首鋼和石鋼高爐循環(huán)冷卻工業(yè)水的水質(zhì)改進得到了阻垢率和緩蝕率均超過90%的結(jié)果，我們認(rèn)為與所采用的水處理藥劑具有良好的阻垢和緩蝕作用不可分割的。
選擇的水處理藥劑的阻垢機理主要是晶格畸變效應(yīng)、增溶作用和分散作用。
晶格畸變效應(yīng)，就是說加入水處理藥劑后，導(dǎo)致水垢的晶體變形，主要原因是水處理藥劑吸附水垢晶體的活性點，而抑制晶體的正常生成，產(chǎn)生晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，使晶體數(shù)目減少，阻止水中沉淀物的生成。達到阻垢的目的。同時晶粒變得圓滑，晶粒增長受到干擾而歪曲，晶粒變得細小，形成的垢層松軟，極易被水流洗掉，達到除垢目的。
增溶效應(yīng)是添加水處理劑后能提高成垢化合物的溶解度，使得成垢化合物繼續(xù)溶于水中，達到阻垢的目的。
分散作用是少量的水處理藥劑已足夠?qū)λ傅木w的活性點有特殊的吸引力，抑制其生成，以達到不沉淀的目的。
水處理藥劑較強的螯合作用使得金屬表面生成了一層螯合膜，有效的隔絕了有害物質(zhì)對金屬的腐蝕，達到緩蝕的目的。 5.結(jié)論 通過對全國部分重點鋼鐵企業(yè)高爐循環(huán)冷卻工業(yè)水的調(diào)查和分析及對鞍鋼、首鋼和石鋼工業(yè)水的阻垢及緩蝕實驗和討論，我們可以得到以下幾點結(jié)論：
1、通過對全國十二個鋼鐵企業(yè)高爐用循環(huán)冷卻工業(yè)水的水質(zhì)分析、評價，表明絕大部分工業(yè)冷卻水水質(zhì)較差，為延長高爐壽命，必須進行水質(zhì)處理。
2、使用化學(xué)藥劑處理工業(yè)水既能阻垢又能緩蝕，效果顯著。
3、以有機膦酸、聚羧酸和二價金屬鹽類等藥劑復(fù)配的水處理藥劑，對鞍鋼、首鋼、石鋼工業(yè)水進行阻垢和緩蝕實驗，均取得阻垢率和緩蝕率超過90%的良好效果。
參考文獻（略） | 
