高炉循环冷却水水质改进研究

冯根生　宋忠平 顾飞
(北京科技大学,100083)

　　摘要　本文论述了高炉循环冷却水水质改进的重要性，在对国内钢铁企业水质调查的基础上，选用了以有机膦酸、聚羧酸为主的复配的阻垢和缓蚀剂，对鞍钢、首钢和石钢的工业水进行了阻垢和缓蚀实验研究，取得了阻垢率和缓蚀率均大于90%的结果。
　　关键词　高炉 循环冷却水 阻垢 缓蚀

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

　　现代冶金生产过程中，高炉炼铁生产是其中的重要环节。高炉生产中，影响高炉长寿的因素越来越集中在炉衬耐火材料、冷却器、冷却介质三大要素。高炉炉衬的作用在于形成高炉工作空间，减少炉子的热损失，并保护炉壳和其它金属结构免受热应力和化学侵蚀的作用。冷却器对炉衬稳定的影响是巨大的，实践表明，凡是冷却器工作良好的部位，炉衬的剥落就比较轻微，反之则严重。高炉冷却不仅降低耐火炉衬本身的温度，给炉体以直接的保护，还保护了炉壳等构件的强度，所以高炉的冷却是十分重要的。水具有化学稳定性好、热容量大、常用温度下体积变化小、流动性好、易于输送和分配、来源广泛、价格低等特点，在高炉冷却系统中被广泛使用。
　　为了提高冷却器的效果和冷却器的寿命，人们进行了大量的研究。研究表明，即使是在最薄弱的炉身下部，只要冷却水和冷却器之间无绝热物质（如水垢、气膜等），冷却器仍可长期正常工作。冷却器水管不结垢，不腐蚀，就能保证冷却器的寿命。在冷却水水质恶劣，腐蚀、结垢严重的情况下使用优质耐火材料及改进冷却设备都将是徒劳无益的。所以，采用不结垢无腐蚀的冷却水或控制冷却水在工作条件下不结垢不腐蚀，是高炉长寿高效的重要前提条件之一。
　　目前冶金工厂普遍采用的冷却介质主要是工业水，众所周知，工业水是只经过简单沉淀和过滤的天然水，其中含有大量的溶解盐类产生的金属和酸根离子、氧等可溶气体、沉淀物等杂质，使得工业水在使用过程中由于温差的变化和溶解离子浓度的变化，很容易在换热器表面产生水垢，由于水垢的导热系数不超过1.16W/（m.K），远远低于碳钢的45 W/（m.K）因此导热性能极差，1mm厚的水垢可以产生50-100℃的温差，严重的影响冷却器的传热效率。同时，由于高炉使用的冷却器大多为碳钢制造，长期使用工业水，工业水中的溶解氧、有害离子将会腐蚀冷却器，造成冷却器的损坏，它们将严重的影响到高炉的生产操作和高炉的寿命。
　　对高炉循环冷却用工业水可以采用化学的添加阻垢和缓蚀剂的方法简便可行，可以有效的保证使用的工业水不结垢、无腐蚀，保证冷却器的正常工作。

1.高炉循环冷却水水质分析

　　我们对我国的鞍钢、首钢、包钢、济钢、太钢、唐钢、马钢、广钢、邯钢、石钢、天铁、梅山等钢铁企业高炉的工业水水样进行了全分析，分析结果分别见表1，结果表明，全国十二个钢铁企业高炉用循环冷却水的水质情况为：从北方硬度较高，南方的水质要好一些。根据表中各钢铁企业工业水的饱和指数和稳定指数来判断水质有一定的局限性，因为在高炉的冷却水循环系统中，有许多不同的温度区域，不可能存在全系统碳酸钙的溶解平衡。因此，结合高炉炼铁的实际生产条件，我们强调水的稳定性要好，同时设计并测定了各钢铁企业工业水稳定性曲线，见图1。

　　从循环冷却水的稳定性来看，我国北方的工业水在温度超过50℃的情况下，稳定性急剧变差，将会出现严重的结垢问题。同时由于水中溶解氧的存在，对以碳钢为材料的冷却器存在着严重的腐蚀问题。为此我们根据高炉炼铁的工艺条件，进行了系统的循环冷却水的阻垢和缓蚀实验。

2.阻垢和缓蚀药剂的选择

　　根据对目前常用的阻垢剂和缓蚀剂的分析，我们确定选择以有机膦酸、聚羧酸为主作为实验的阻垢剂和缓蚀剂。
　　有机膦酸可以与金属离子有较强的螯合作用。它们与结垢物质的金属离子生成溶解度很大的螯合物，螯合后的金属离子不能与结垢物质的阴离子接触生成沉淀，因而起到阻垢作用。有机膦酸都具有较高的表面活性，阻碍结垢物质离子的靠近和聚集，即使结垢晶粒长大，离子也不能进入正常的晶格，发生结晶扭歪畸变，长大的晶体也难于形成致密的垢层。
　　聚羧酸类的阻垢作用是首先在水溶液中可以解离成负离子，与碳酸钙微晶体发生碰撞发生物理化学吸附过程，把有成垢可能的微晶体在一定程度上聚集起来。这种凝聚作用是在分子链上完成的，然后又通过分子链的作用，吸附产物在溶液中分散，使体系呈现平均分散状态，使微晶体稳定地悬浮在水溶液中。这种凝聚与随后的分散作用。有效的抑制结垢。同时聚羧酸还具有对对粘泥、粉尘、腐蚀产物和生物碎屑等起到分散作用，这些聚合物在水中具有很高的表面活性，它们在水中容易吸附导晶核上，使晶核的表面能降低，使小晶核重新溶解，使大晶核的晶格畸变，破坏垢的结晶单元的取向。
　　因此有机膦酸和聚羧酸具有良好的抑制碳酸钙、硫酸钙、铁甚至磷酸盐从水中析出的能力，具有阻止结垢物质的结晶按正常晶格长大并粘附在金属换热器面上的能力。
　　有机膦酸与金属离子具有较强的螯合作用，添加少量的二价金属离子生成稳定的螯合膜可以有效的抑制金属的腐蚀。

3.实验结果

　　根据研究和其它行业的先进经验，采用复配的水处理药剂具有药剂用量少、效果好的特点，我们确定了以有机膦酸和聚羧酸为主的多组复配的水处理药剂，针对我国北方的鞍钢、首钢和石钢的高炉循环冷却工业水进行了阻垢和缓蚀实验。结果见图2。

　　从图2可以看到，采用不同的阻垢和缓蚀水处理方案，效果有所不同，方案3、4无论对鞍钢、首钢还是石钢高炉使用的工业水都具有良好的阻垢和缓蚀效果。选择的复配水处理药剂具有良好的适应性。只要工业水中含CaO在150～200mg/L左右，都可以使用水处理药剂解决结垢问题，同时也解决腐蚀问题。
　　我们的方案已经在石家庄钢铁集团有限责任公司投入使用，经过二年的运行，效果良好，既能阻垢，又能缓蚀，阻垢率和缓蚀率均超过90%，取得了满意的结果。

4.结果分析讨论

　　对于鞍钢、首钢和石钢高炉循环冷却工业水的水质改进得到了阻垢率和缓蚀率均超过90%的结果，我们认为与所采用的水处理药剂具有良好的阻垢和缓蚀作用不可分割的。
　　选择的水处理药剂的阻垢机理主要是晶格畸变效应、增溶作用和分散作用。
　　晶格畸变效应，就是说加入水处理药剂后，导致水垢的晶体变形，主要原因是水处理药剂吸附水垢晶体的活性点，而抑制晶体的正常生成，产生晶体结构发生畸变，使晶体数目减少，阻止水中沉淀物的生成。达到阻垢的目的。同时晶粒变得圆滑，晶粒增长受到干扰而歪曲，晶粒变得细小，形成的垢层松软，极易被水流洗掉，达到除垢目的。
　　增溶效应是添加水处理剂后能提高成垢化合物的溶解度，使得成垢化合物继续溶于水中，达到阻垢的目的。
　　分散作用是少量的水处理药剂已足够对水垢的晶体的活性点有特殊的吸引力，抑制其生成，以达到不沉淀的目的。
　　水处理药剂较强的螯合作用使得金属表面生成了一层螯合膜，有效的隔绝了有害物质对金属的腐蚀，达到缓蚀的目的。

5.结论

　　通过对全国部分重点钢铁企业高炉循环冷却工业水的调查和分析及对鞍钢、首钢和石钢工业水的阻垢及缓蚀实验和讨论，我们可以得到以下几点结论：
　　1、通过对全国十二个钢铁企业高炉用循环冷却工业水的水质分析、评价，表明绝大部分工业冷却水水质较差，为延长高炉寿命，必须进行水质处理。
　　2、使用化学药剂处理工业水既能阻垢又能缓蚀，效果显著。
　　3、以有机膦酸、聚羧酸和二价金属盐类等药剂复配的水处理药剂，对鞍钢、首钢、石钢工业水进行阻垢和缓蚀实验，均取得阻垢率和缓蚀率超过90%的良好效果。

参考文献（略）