本發(fā)明涉及一種合金材料，特別涉及一種全智能防垢除垢合金及其制備方法。
背景技術：
流體結垢問題在換熱器、鍋爐及其他工業(yè)和民用領域甚至軍品航母領域中涉及流體傳輸和循環(huán)的系統(tǒng)中廣泛存在。大多數(shù)情況下，工業(yè)管路系統(tǒng)中的流體均為單質(zhì)或混合溶液狀態(tài)，其中溶液組成成分、總鹽度、總離子濃度、溫度、壓力、氣體分壓、ph值、流速等眾多因素影響著溶質(zhì)的溶解度。一旦溶液系統(tǒng)的溶解條件發(fā)生變化，溶質(zhì)溶解度也會隨之改變。當溶解度下降，使得溶質(zhì)含量處于過飽和狀態(tài)，就會析出晶體。當析出晶體沉積或吸附在容器壁面時，就會結垢。水處理技術領域中一般將析出的非水溶性沉積物成為水垢，一般水垢都是由鈣鎂等金屬陽離子和碳酸根或碳酸氫根等成垢陰離子結合形成的。當溶解條件一定時，溶液系統(tǒng)中的鈣鎂離子、酸根離子和一定量的碳酸鈣和碳酸鎂分子處于一個相對平衡狀態(tài)。一方面，由于形成的碳酸鈣和碳酸鎂等化合物，溶解度很低，碳酸鈣和碳酸鎂分子析出形成沉淀，并堆積形成水垢。另一方面，鈣鎂離子與酸根離子結合生成新的碳酸鈣和碳酸鎂分子，發(fā)生結垢現(xiàn)象。油氣集輸系統(tǒng)中的井下設備的結蠟、結垢和腐蝕問題會大大降低設備傳熱效果，嚴重時會引起堵塞。結垢會引起設備和管道局部垢下腐蝕，并且為srb細菌的繁殖提供有利條件。同時，結垢還會使緩蝕劑與金屬表面難以接觸成膜，大大降低緩蝕效果，加重設備和管道的腐蝕，甚至引起腐蝕穿孔，使管道報廢。結垢沉積還會降低流體截面積，增大流體阻力和輸送能量。結垢的綜合作用會造成集輸系統(tǒng)內(nèi)清洗作業(yè)頻繁和站內(nèi)管道更換頻繁，嚴重影響到油田的正常生產(chǎn)秩序，大大增加油田的生產(chǎn)成本。為了防止垢層堵塞管道，必須平均每月進行一次酸洗。這不僅影響了正常生產(chǎn)，而且會加速管道的腐蝕，縮短管道的使用壽命。化學阻垢法是通過添加藥劑的方法改變了溶液系統(tǒng)的成分、酸堿度和離子濃度來產(chǎn)生阻垢效果。如前所述，化學法因為需要改變?nèi)芤合到y(tǒng)的成分，其應用正受到越來越多的約束。長期以來人們一直在進行科研，尋找具有防垢的新型金屬材料。現(xiàn)有技術cn103805808a雖然公開了一種用于阻垢的銅基觸媒合金，但由于其含有毒性的微量金屬元素鉛、銻，其生產(chǎn)會造成一定的污染，且安全性能欠佳，該成分的合金防垢除垢尚存在提升空間，尚需更安全、穩(wěn)定和效果更好的防垢除垢材料。
技術實現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：本發(fā)明旨在提供一種更安全、更穩(wěn)定的以及穩(wěn)態(tài)電流釋放量更高、電流持續(xù)釋放性能更強的全智能防垢除垢合金及其制備方法，在不改變?nèi)芤合到y(tǒng)成分和酸堿度的條件下，通過全智能防垢除垢合金持續(xù)釋放自由電子，形成更穩(wěn)定更強的穩(wěn)態(tài)電流，降低溶液系統(tǒng)的陽離子濃度，從而降低成垢指數(shù)，來達到安全阻垢的目的。
發(fā)明內(nèi)容：一種全智能防垢除垢合金，按質(zhì)量百分比包括如下組分：cu：40％-70％、ni：5％-20％、zn：8％-35％、sn：5％-30％、ag：0.5％-20％、fe：0.1％-8％、nb：0.01％-3％、mn：0.05％-5％、v：0.01％-2％、c：0.01％-0.5％，所述各組份經(jīng)高溫熔煉形成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。本發(fā)明在不改變?nèi)芤合到y(tǒng)成分和酸堿度的條件下，通過持續(xù)釋放自由電子，降低溶液系統(tǒng)的陽離子濃度，從而降低成垢指數(shù)，來達到阻垢的目的。cu-ni二元合金具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性，在各種環(huán)境中耐腐蝕性能非常出色，冷熱加工性能優(yōu)異，成本適中。cu-ni合金系雖然電負性小于溶液，但由于化學穩(wěn)定性很好，其失電子能力并不強。因此，又在cu-ni二元合金基礎上，選擇zn和ag元素作為合金元素進行添加。其中，zn元素的電負性為1.65，是常見元素中電負性最小的金屬元素之一，能夠與cu-ni合金形成穩(wěn)定的三元合金。ag元素的電負性為2.34，是常見元素中處理稀土和放射性元素以外電負性最大的合金元素之一。ag在cu-ni-zn合金中幾乎不溶，主要以游離態(tài)出現(xiàn)，通過合理的成分控制和熱加工工藝能夠獲得理想的分布狀態(tài)，是理想的正極材料。隨著ag含量的增加，活化電流逐漸增大。活化電流越大，釋放電子的能力越強，單位流量的全智能阻垢防垢合金用量越少，整體成本更具優(yōu)勢，v和mn都是良好的脫氧劑，mn還可以做為脫硫劑對去除合金中的s元素，提高合金的淬性，改善合金的熱加工性能，而v可以增加合金的強度和韌性，并且v會和c結合，增強合金在高溫高壓下抗氫腐蝕的效果，鈮能細化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性，提高強度，但塑性和韌性有所下降。在合金材料中加nb，可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、氮、氨腐蝕能力并改善焊接性能。合金材料添加微量的c元素，目的在于提高材料的屈服點、抗拉強度、冷脆性和時效敏感性。
進一步的，按質(zhì)量百分比包括如下組分：cu：45％-65％、ni：10％-20％、zn：10％-20％、sn：7％-30％、ag：2％-20％、fe：2％-8％、nb：0.01％-2％、mn：0.05％-5％、v：0.01％-2％、c：0.01％-0.5％，所述各組份經(jīng)高溫熔煉形成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。
進一步的，按質(zhì)量百分比包括如下組分：cu：50％-60％、ni：12％-18％、zn：10％-15％、sn：7％-10％、ag：2％-8％、fe：2％-6％、nb：0.01％-2％、mn：0.05％-5％、v：0.01％-2％、c：0.01％-0.2％，所述各組份經(jīng)高溫熔煉形成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。
進一步的，按質(zhì)量百分比包括如下組分：cu：55％、ni：15％、zn：10％、sn：8％、ag：4％、fe：3％、nb：2％、mn：2.5％、v：0.45％、c：0.05％，所述各組份經(jīng)高溫熔煉形成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。
本發(fā)明還提供一種全智能防垢除垢合金的制備方法，包括如下步驟：按所述各組分的質(zhì)量百分比準備原材料，原材料純度為99.9％以上的塊狀物，其體積小于或等于2cm3；在加熱爐的坩堝內(nèi)鋪入3cm厚的木炭，按重量計將cu料的一半均勻鋪在木炭上，然后在cu料上均勻鋪入全部ni塊，再鋪入3cm厚的木炭，開爐升溫至1100℃-1500℃，待全部金屬熔化后，加入全部fe、v、nb、c塊體，攪拌至金屬全部溶化后再加入全部mn塊體，保溫3分鐘～8分鐘，使熔體金屬脫氣；然后按照zn、sn、ag和剩余的cu順序加入，慢速攪拌，待金屬全部熔化后，去浮渣，使熔體溫度降低至1230℃～1350℃，將熔體金屬注入澆筑型模具中，冷卻5分鐘～15分鐘至金屬表面結殼形成金屬錠，然后水冷至室溫，取出金屬錠。
優(yōu)選的，所述加熱爐為感應爐。
反應機理：當流體流經(jīng)本發(fā)明時，在兩者之間能夠形成65μa左右的穩(wěn)態(tài)電流。此電流的持續(xù)作用將使溶液中的溶劑分子產(chǎn)生極化效應，形成溶劑分析的偶極子。極化的偶極子與帶電荷的成垢離子重新排列，形成新的成垢離子耦合物，呈懸浮態(tài)分布在溶液系統(tǒng)中，進一步降低了成垢反應的可能性。同時可以明顯降低垢鹽因電荷吸附產(chǎn)生的壁面沉積效應，減少鈣鎂垢在管路壁面的沉積。
碳酸鈣、碳酸鎂等不溶性分子的結晶形態(tài)在電流作用下也會發(fā)生改變。碳酸鈣、碳酸鎂分子一般有兩種結晶形態(tài)：一種是“大理石型”結構，質(zhì)地堅硬，吸附性強，總分子量較大，是正常條件下鈣鎂垢的常見形態(tài)。另一種是“文石型”結構，質(zhì)地松軟，吸附性不強，總分子量較小。一般在弱電場持續(xù)作用下形成。由于在工作時能夠在全智能防垢除垢合金與流體間形成弱電場，因此可以促進“文石型”垢鹽的形成，同時使已有的垢鹽發(fā)生“大理石型”結構向“文石型”結構的轉變，使已經(jīng)板結的垢層逐漸松軟脫落，達到管路系統(tǒng)除垢的目的。
隨著垢層的脫落，管壁金屬表面逐漸裸露。極化后的偶極子與裸露金屬表面將發(fā)生壁面效應，使管壁金屬表面沉積一定厚度的成垢離子耦合物(厚度約500μm)。這層耦合物將管壁金屬與流體系統(tǒng)隔開，在一定程度上起到了管壁防腐的作用。由于耦合物沉積是通過偶極子與壁面金屬的靜電吸附產(chǎn)生的，與普通垢層的沉積生長過程原理不同，因此，耦合物沉積層的厚度不隨時間變化，而只與管路系統(tǒng)的流速有關。
本發(fā)明它在不改變流體化學成分前提下，應用先進的弱電復合阻垢機理，阻止結垢的生成，并具有很強的溶解結垢能力。運行過程不需要額外維護，無磁無電，不需要外加電源。當流體中含有過量的自由電子時，成垢陽離子的電荷被自由電子中和，使其難以與酸根結合成垢。過量自由電子的存在增加了流體的離子濃度，成垢指數(shù)下降，co2分壓上升，使得垢鹽的溶解度增加，產(chǎn)生一定溶垢效應。同時，弱電場的持續(xù)作用會導致垢鹽晶體發(fā)生“方解石型”向“文石型”轉變，垢鹽晶體變得疏松，與壁面結合力降低，導致已經(jīng)板結的垢層逐漸松脫溶解。
有益效果：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明采用更合理的配方組分，均為無毒的元素，同時進一步提升了合金的性能，且本發(fā)明的合金為沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。與現(xiàn)有技術的s100晶軸形成的柱狀合金相比，s110晶軸形成的柱狀合金結構結構更先進、更穩(wěn)定，所形成的合金釋放穩(wěn)態(tài)電流由于結構的優(yōu)化，穩(wěn)態(tài)電流釋放量得到了提高；電流更加趨于穩(wěn)定，不易流失電子。即s110晶軸得到的合金組分電負性配位關系和電流持續(xù)釋放性能得到明顯強化。實驗表明，將φ40mm本發(fā)明放置在5000mg/mol濃度碳酸鈣溶液中，流速1000mm/s，25℃室溫環(huán)境下測得的活化電流與時間的關系示于圖1。從圖1看出，本發(fā)明活化電流約為80μa，穩(wěn)定時間約為150min，不僅完全滿足阻垢器工程應用要求，且活化電流比現(xiàn)有的銅基觸媒產(chǎn)品提高約60％，并且成分更加合理安全，加工成本也更低。
附圖說明
圖1為本發(fā)明與現(xiàn)有銅基觸媒合金活化電流效果對比圖。
具體實施方式
實施例1：
本發(fā)明所述全智能防垢除垢合金，各組分的質(zhì)量百分比為：cu：55％、ni：15％、zn：10％、sn：8％、ag：4％、fe：3％、nb：2％、mn：2.5％、v：0.45％、c：0.05％，各組份經(jīng)化合成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。
全智能防垢除垢合金的制備方法如下：按所述各組分的質(zhì)量百分比準備原材料，原材料純度為99.9％以上的塊狀物，其體積小于或等于2cm3；在加熱爐的坩堝內(nèi)鋪入3cm厚的木炭，按重量計將cu料的一半均勻鋪在木炭上，然后在cu料上均勻鋪入全部ni塊，再鋪入3cm厚的木炭，開爐升溫至1380℃，待全部金屬熔化后，加入全部fe、v、nb、c塊體，攪拌至金屬全部溶化后再加入全部mn塊體，保溫4分鐘～6分鐘，使熔體金屬脫氣；然后按照zn、sn、ag和剩余的cu順序加入，慢速攪拌，待金屬全部熔化后，去浮渣，使熔體溫度降低至1230℃～1350℃，將熔體金屬注入澆筑型模具中，冷卻8分鐘～12分鐘至金屬表面結殼形成金屬錠，然后水冷至室溫，取出金屬錠，得到沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。本實施例的合金釋放的活化電流更高，并且作用時間更長，效果更加穩(wěn)定。
實施例2：
與前述實施例不同之處在于，本實施例各組分的質(zhì)量百分比為：cu：45％、ni：18％、zn：15％、sn：10％、ag：4％、fe：2.5％、nb：3.5％、mn：1.5％、v：0.48％、c：0.02％，各組份經(jīng)化合成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。
本實施例的制備方法與實施例1中所述的一致。
實施例3：
與前述實施例不同之處在于，本實施例各組分的質(zhì)量百分比為：cu：57％、ni：13％、zn：8％、sn：7％、ag：6％、fe：5％、nb：1％、mn：2.5％、v：0.45％、c：0.05％，各組份經(jīng)化合成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。
本實施例的制備方法與實施例1中所述的一致。
實施例4：
與前述實施例不同之處在于，本實施例各組分的質(zhì)量百分比為：cu：60％、ni：11％、zn：11％、sn：9％、ag：2％、fe：2％、nb：2％、mn：2.5％、v：0.42％、c：0.08％，各組份經(jīng)化合成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。
本實施例的制備方法與實施例1中所述的一致。
實施例5：
與前述實施例不同之處在于，本實施例各組分的質(zhì)量百分比為：cu：60％、ni：10％、zn：8％、sn：10％、ag：3％、fe：4％、nb：3％、mn：1.5％、v：0.4％、c：0.1％，各組份經(jīng)化合成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。
本實施例的制備方法與實施例1中所述的一致。
實施例6：
與前述實施例不同之處在于，本實施例各組分的質(zhì)量百分比為：cu：40％、ni：6％、zn：18％、sn：5％、ag：19.5％、fe：8％、nb：0.15％、mn：0.35％、v：2％、c：0.5％，各組份經(jīng)化合成一種沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。
本實施例的制備方法與實施例1中所述的一致。
本發(fā)明采用更合理、更安全的配方組分，均為無毒的元素，同時進一步提升了合金的防垢阻垢性能，且本發(fā)明的合金為沿s110晶軸定向生長的柱狀晶體合金。與現(xiàn)有技術的s100晶軸形成的柱狀合金相比，s110晶軸形成的柱狀合金結構結構更先進、更穩(wěn)定，所形成的合金釋放穩(wěn)態(tài)電流由于結構的優(yōu)化，穩(wěn)態(tài)電流釋放量得到了提高；電流更加趨于穩(wěn)定，不易流失電子。即s110晶軸得到的合金組分電負性配位關系和電流持續(xù)釋放性能得到明顯強化。實驗表明，將φ40mm本發(fā)明放置在5000mg/mol濃度碳酸鈣溶液中，流速1000mm/s，25℃室溫環(huán)境下測得的活化電流與時間的關系示于圖1。從圖1看出，本發(fā)明活化電流約為80μa，穩(wěn)定時間約為150min，不僅完全滿足阻垢器工程應用要求，且活化電流比現(xiàn)有的銅基觸媒產(chǎn)品提高約60％，并且成分更加合理安全，加工成本也更低。