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文档简介
一种新型金属表面除垢方法的机理及实验 研究 (1 绵阳职业技术学院,四川 绵阳 621000;2XX 大 学机械工程学院,XX 400044) 摘 要:文章主要介绍采用突然改变极性和增大电流的 电化学法,来清除附着在金属表面上垢层的原理和实验方 法。通过实验发现:这种新型电化学法对于清除金属表面 上的结垢、附生物、海藻、海生物等物质能获得非常满意 的效果,从而为清洗金属船壳,管道结垢和锅炉垢层处理 提出一种简便易行的方法。 关键词:电化学;金属表层;附着物;除垢方法 中图分类号:G115 文献标识码:A 文章编号:1007 6921(XX)04011402 1 概述 金属表面上的附着物对该装置的工作性能有很大的影 响。关于船壳上的海生物的影响在1中已作了介绍,本 文不再叙述。水管内的垢层减小了管道的过水截面积,使 得管道流体阻力增加,换热设备的热效率降低,严重时还 会发生腐蚀穿孔或垢层与杂物将水道堵塞造成事故。因此 清除金属表面上的垢层、附生物、海藻、海生物及其它物 质已越来越引起企业人士的关注。 目前为了清除属表面上的附着物,大多采用化学法、 热力法或电气-机械法和电化学法等2。其中,电化学 法具有较高的效率和经济效益。在清洗金属的外表层时, 清洗效果主要与金属阳极的腐蚀特性有关。但是在清洗金 属内表面或船壳时,它要剥落的附着层是整片的,为了把 附着层去掉不得不使用辅助的机械破碎3。 如何使用电化学法高效去除附着在金属表层上的附着 物,其核心思想是找到一种最简便的方法,在金属与附着 层的交界面处尽可能地增大气体的释放量4。根据电解 原理,增加气体 释放量的最简单办法是改变电流的极性,因为在阴极 释放的氢气体积要比在阳极所释放的氧气体积大两倍以上。 这种改变电极极性的清洗方法已在清洗铸件、轧钢件及其 它金属的氧化物方面取得了比较好的效果。然而,清除金 属氧化皮的机理与清除附着在金属面上的非导电材料的附 着层和附生物的机理是不相同的,它们所采用的电解液成 分也不同。在工程实践中,从化学腐蚀和环境安全角度出 发,常常不允许采用盐酸、硫酸或者含有氰化物的碱化物 来清洗铜热交换器上的附着物、高炉冷却管的附生物、地 下管网中的结垢和船壳上的海藻与海生物。 2 电化学法清除金属表面垢层的基本原理 根据已有的研究和经验,采用改变电流的极性清洗附 着在金属面上的附着物时,使用弱电解液能取得比较好的 效果。为此进行了如下实验:选取两根管道,管道内径均 为 200mm,管道内表面垢层的厚度为 1015mm,管内注入 4的氯化钠水溶液,在管中央放置一只空心的铜电极。 实验用直流电源的主要技术参数为:直流电压 110V, 直流电流强度 24A。 直流电源是由蓄电池组组成。清洗时,电极上发生的 电化学反应是阴极的析氢过程和阳极的析氧过程。氢在阴 极的反应式为: 740)this.width=740“ border=undefined onmousewheel=“return zoom_img(event,this)“ NaCl 溶液中,在阳极处氧分子的析出过程可分为两步: 氢氧根离子或水分子放电和氧原子的结合。氢氧根离子按 照下述方程式进行: 740)this.width=740“ border=undefined onmousewheel=“return zoom_img(event,this)“ 电解过程中产生的气体,其数量变化服从法拉第定律。 即在电极上析出的物质数量与通过溶液的电流强度和通电 时间成正比,即与通过溶液的库仑电量成正比5。740) this.width=740“ border=undefined onmousewheel=“return zoom_img(event,this)“ 式中:m电极上析出的物质质量,g; Q通过的电量,C; M原子或分子的摩尔质量; n 电极反应中电子得失数; t 电解时间,s; I 电解时的电流强度,A。 当电量为 It 库仑时,电解过程中 H2 的理论产量为: 740)this.width=740“ border=undefined onmousewheel=“return zoom_img(event,this)“ 3 实验室实验 实验时,首先使管道与直流电源的正极相连接,空心 铜电极则与直流电源的负极相连。电流密度 100A/m2,正极 与负极间的距离为 0.050.1m,通电 20min 后,用肉眼观 察管壁的状况,发现管壁上的附着物完好无损。然后,取 其中的一根管道作为比较时的参考,另一根管道则改变它 的极性,并将其电流密度突然增加到 500A/m2,通电时间为 30s。经检查,管道内壁上的结垢完全崩塌下来并被破坏, 然后用低压压力水很顺利地将结垢冲走。反复实验均获得 相同的效果。 实验表明:在改变极性的同时,突然提高电流密度能 大大加速附着层的剥落效果。如果进一步再增加电流密度, 效果不仅不明显,而且还在金属表面上产生损伤,在管道 的某些点处腐蚀还相当严重。分析结垢产生崩塌的原因, 当以管道为正极时,由电解产生的氧气泡数量仅为氢气泡 的一半,氧气泡的单个直径却大于氢气泡,于是在疏松状 垢层中形成了许多气室小孔。这些小孔在垢层内部造成局 部的应力集中。当换向后,同时施加在负极上的电流突然 提高 45 倍时,则在金属与附着层的界面上释放的氢气量 将增大 810 倍,大量气泡从金属面上迸发出来,其迸发 足以剥落和清除任何成分的附着层,使它整片的崩落下来。 反之,若只将电流密度增加 23 倍,它所产生的气泡量也 能够透过附着层和它的微裂隙,但是却不能将附着层剥落。 必须说明:这种利用氢气泡的力学作用使金属附着层脱落, 只发生在金属接触附着层具有充分的多孔性才能产生,而 这正是水垢、附生物、海藻、海生物等所具有的特性。实 验还表明:附着层的厚度对它的脱落速度影响不大,主要 影响因素是垢层的多孔性能;例如,清洗一个圆柱形锅炉 时,它的底部垢层较厚,锅炉壁上的垢层厚度只有底部的 五分之一,然而清洗锅炉底部的垢层用了 10min,清洗锅炉 壁则花了 30min2 。 4 结语 根据所得的实验结果得出以下看法:清洗时,首先 应将管道壁连接直流电源的正极,空心铜电极与负极相连, 通电一段时间,电流密度不能太大;改变两电极的极性, 使管道壁连接直流电源的负极,空心铜电极与直流电源的 正极相连,将电流密度突然提高到 500A/m2,通电半分钟, 用压力水冲走崩塌的附着物;采用电化学法清洗附着在 金属面上的附着物要比目前常用的化学法、热力法或电气 机械法简单,有效和更经济,在特定的条件下有它的应用 范围;本方法最适合清洗锅炉加热管的外壁、高炉的冷 却水管和制冷管的结垢。 参考文献 1 廖振方,陈德淑.空化射脉冲射流清洗船壳 J.清洗世界,XX,19:2123. 2 . - , . 1983, 1:HT5”,58889 3 Z.F.Liao,Tang. Theoretical Analysis and Experimental Study of the Self-excited Oscillation Pulsed Jet D
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