电解参数对高硅铸铁阳极板腐蚀速率的影响

丁箫楠，赵爱民，曾尚武，印朱凯

（北京科技大学 冶金工程研究院，北京100083）

电解参数对高硅铸铁阳极板腐蚀速率的影响

丁箫楠，赵爱民，曾尚武，印朱凯

（北京科技大学 冶金工程研究院，北京100083）

通过通电腐蚀试验测失重的方法，对不同电解参数（电流密度，电解液温度，HNO3含量，Cr6+含量）对高硅铸铁试样腐蚀率的影响进行了研究，并采用灰关联分析的方法，得到了不同电解参数对高硅铸铁试样腐蚀率的关联度。结果表明，电流密度、电解液温度是影响高硅铸铁阳极板腐蚀率的主要因素，而 HNO3含量和Cr6+含量对高硅铸铁阳极板腐蚀率的影响较小，所以在高硅铸铁阳极板的正常工作中，电流密度，电解液温度应当成为主要的控制因素。

高硅铸铁阳极；电解参数；腐蚀速率；灰关联

不锈钢板电解酸洗用电极板是在高温硝酸溶液下使用，受到严重的腐蚀作用，尤其是阳极电极板。而含硅量在15%左右的高硅铸铁因为具有良好的耐蚀性，较低的成本，在不锈钢酸洗用阳极电极板上广泛应用［1-5］。在实际生产中，高硅铸铁阳极板的腐蚀速率与阳极板的寿命直接相关，但在已有研究中，有关电解参数如电流密度，电解液温度等对高硅铸铁腐蚀速率的影响的研究尚属空白。所以，有必要对电解参数与阳极板腐蚀速率的影响关系进行深入研究，以便准确地了解高硅铸铁阳极板的工作状态，调整工作制度，使高硅铸铁阳极板始终处于最佳工作状态。

本工作采用通电腐蚀的方法，通过在不同电解参数下进行腐蚀试验，测量失重量，得到在不同电解参数下高硅铸铁试样的腐蚀率。由于电解参数之间是相互联系的，其中某一因素的变化会影响到其他因素，因此很难区分每个因素单独作用的效果。在此，作者对高硅铸铁阳极板的腐蚀速率进行灰关联分析，对各个电解参数对对阳极板腐蚀率的关联度进行量化处理，确定了影响高硅铸铁阳极板腐蚀率的主要因素和次要因素。

1 试验

1.1 试验装置

试验装置由直流电源、电解槽和水浴锅等组成，试验装置见图1。由直流电源控制电流大小，本试验采用的直流电源型号为JK3020K直流稳压电源，可输出电压为0～30 V，输出电流为0～10 A。水浴锅控制温度，本试验使用的水浴锅型号为NKSY-5A四孔水浴锅，控温范围为室温～100℃，水箱体积5 L，电解槽上有盖子，可固定阳极样和阴极样之间的距离。

图1 通电试验装置图Fig.1 The schematic diagram of electric corrosion equipment

1.2 试验方法

为分析电解参数对阳极高硅铸铁电极板腐蚀速率的影响，试验因素重点考虑电流密度、HNO3含量、电解液温度和Cr6+含量四个因素，每个因素设置若干个梯度。梯度设置主要根据现场工况设置，如现场的电流密度为10～30 A/dm2，本试验的电流密度梯度设置为5，10，20，30，40 A/dm2。具体试验参数梯度设置见表1。

表1 试验参数梯度设置表Tab.1 The table of gradient set of experiment

在不同电解参数下阳极样腐蚀速率的表征方法如下：分别在上述电解装置进行通电腐蚀12 h，再用失重法计算阳极样的腐蚀速率，失重法具体公式见式（1）：

式中：v为腐蚀速率，（g·m-2·h-1）或（g·m-2· a-1）；m0为试样腐蚀前的质量，g；mt为试样腐蚀后的质量，g；t为试样受侵蚀的时间，h或a；S为试样表面积，m2。

2 结果与讨论

2.1 电流密度的影响

不同电流密度对高硅铸铁阳极板腐蚀速率的影响见图2，电流密度在5～10 A/dm2范围内，腐蚀速率变化显著，之后平稳增加。电流密度增大，腐蚀速率增快的原因有二，一是电流加大，导致阳极板区域的铁的溶解反应和阴极区域的析氢反应变剧烈，可以使得阳极板腐蚀加快，另一个原因是因为电流过大，导致阳极电位较高，使电极板表面形成的钝化膜溶解加快，导致阳极板腐蚀加快。从图中看，电流密度的加大对阳极板腐蚀速率影响较大，是阳极板腐蚀速率的主要影响因素。

图2 电流密度对阳极板腐蚀速率的影响Fig.2 The effects of current density on corrosion rate of anode plate

2.2 HNO3含量的影响

不同 HNO3含量对阳极板腐蚀速率的影响见图3。可见随着 HNO3含量的增加阳极板的腐蚀速率增加。HNO3含量主要影响的是溶液中的离子含量和p H，离子含量升高，溶液的电导率有一定提高，会促进阳极金属的溶解反应，而HNO3含量增加，溶液p H减小，会导致阳极板的临界点蚀电位的降低，导致阳极板的点蚀发生，腐蚀速率升高。

2.3 温度的影响

不同温度对高硅铸铁阳极板腐蚀速率的影响见图4。可以看到随着温度的增加，阳极板的腐蚀速率逐渐增加，这是因为温度增大，会使得离子的扩散速度和电极的反应速率加快，使得电极板的维钝电流也增大，从而使得阳极板的腐蚀速率加大，在低温下电解时，电解液较为粘滞，扩散层变厚，离子扩散慢，铁的溶解反应和析氢反应受阻，使得阳极板的腐蚀速率也变慢。

图3 不同HNO3浓度对阳极板腐蚀速率的影响Fig.2 The effect of nitric acid concentration on plate corrosion rate of anode plate

图4 温度对阳极板腐蚀速率的影响Fig.4 The effect of temperature on corrosion rate of anode plate

2.4 Cr6+含量的影响

Cr6+对高硅铸铁阳极板腐蚀速率的影响见图5。可见阳极板的腐蚀速率随着Cr6+含量的增加先增加再降低。经过分析，可能是由于 Cr6+的加入，使阳极板的氧化还原电位由钝化向过钝化区域转化，阳极板的腐蚀速率加快，而随着Cr6+含量进一步增加，Cr6+是强氧化离子，在阴极被还原附着在阴极上，降低了溶液的离子含量，使溶液电导率降低，阳极板金属的溶解反应被抑制，使得腐蚀速率降低。

3 关联度分析

3.1 关联度分析原理及方法

为了研究各个试验因素对阳极板腐蚀率的关联度，采用灰关联分析对各个试验因素对对阳极板腐蚀率的关联度进行量化处理。在目前的研究中，灰关联分析在对材料腐蚀率的研究中已有应用，并取得了不错的效果［6-8］，灰关联分析的基本思想是根据各参数几何曲线的相似程度来判断其联系是否密切，曲线的形状越接近，相应序列之间的关联就越大，反之就越小［4-5］。相似程度应用关联系数和关联度描述，关联度描述了各个因素对结果的影响程度，关联度越大，影响程度越大，关联度的范围在0～1之间，一般关联度大于0.6，就可以认为该因素对这个评价指标有一定的影响［9-10］。对一个实际系统进行分析，首先要确定系统行为特征的数据序列，本工作选择腐蚀率作为高硅铸铁阳极板腐蚀系统中的行为特征，即母因素。此外，需确定影响系统行为特征的有效因素，即子因素。由于试验条件限定在一定范围，故确定采用灰色绝对关联度确定影响腐蚀率的主次因素。

图5 Cr6+浓度对阳极板腐蚀速率的影响Fig.5 The effect of Cr6+concentration on corrosion rate of anode plate

关联度计算：

作关联分析先要指定参考的数据列，设有m个子因素（Y1，Y2，……Ym）与母因素X0有一定关联作用，它们有n组数据或序列：

母序列：X0（k），k=1，2，……n。

子序列：Yi（k），k=1，2，……n，i=1，2…m。

则其相应的始点零化序列为：

则母序列X0（k）与子序列Yi（k）的灰色绝对关联度的计算公式为［11］：

式中：

灰色绝对关联度εi越大，说明该试验因素对腐蚀率的影响越大。

3.2 阳极板腐蚀速率影响因素关联度计算

试验选用的电解参数和腐蚀速率见表2。

表2 不同电解参数下阳极板的腐蚀速率Tab.2 Corrosion rates of anodic plates with different electrolytic parameters

始点零化结果如表3。

表3 始点零化结果Tab.3 The results of nullifying the starting point

求出绝对关联度：

可以看出ε3＞ε1＞ε4＞ε2，故各电解参数对高硅铸铁阳极板腐蚀速率的影响从大到小排列为电解液温度、电流密度、HNO3含量、Cr6+含量。其中电解液温度和电流密度的关联度较为接近，对阳极板腐蚀速率影响较大，HNO3含量和Cr6+含量对阳极板腐蚀速率影响较小。所以在高硅铸铁阳极板的正常工作中，电流密度，电解液温度应当成为主要实际的控制因素。

4 结论

（1）高硅铸铁的腐蚀速率随着电流密度的增加而增加，随着温度的升高而增加，随着 HNO3含量的增加而增加，随着 Cr6+含量的增加，先增加再降低。

（2）通过灰关联分析，得到各电解参数对高硅铸铁阳极板的腐蚀速率的影响从大到小排列的顺序为电解液温度＞电流密度＞HNO3含量＞Cr6+含量，其中电解液温度和电流密度的关联度较为接近，对阳极板腐蚀速率影响较大，应该成为高硅铸铁阳极板正常工作时的主要控制因素。

［1］徐增华.金属耐蚀材料 第一讲铸铁［J］.腐蚀与防护，2001，22（1）：46-48.

［2］Corrosion properties of high silicon iron-based alloys in nitric acid［J］.China Foundry，2007，4：276-279.

［3］陈海林，贺立红，陈连龙，等.冷轧带钢电解清洗电极板腐蚀机理的分析［C］//中国金属学会，2012年全国轧钢生产技术会论文集（上）［S.l］：中国金属学会，2012：5.

［4］余竹焕，强军锋，刘林，等.高硅铸铁耐腐蚀性的研究［J］.铸造，2006（6）：636-639.

［5］师素粉.铸铁材料在水环境（海水、淡水、盐水）中的腐蚀研究［D］.太原：太原科技大学，2008.

［6］梁平，杜翠薇，李晓刚，等.X70管线钢在鹰潭土壤模拟溶液中腐蚀因素灰关联分析［J］.腐蚀与防护，2009，30（4）：231-233.

［7］冯国强，金名惠，黄辉桃.灰关联度在土壤腐蚀加速试验方法评价中的应用［J］.腐蚀与防护，2000，21（11）：481-484.

［8］喻西崇，赵金洲，邬亚玲，等.利用灰色理论预测注水管道腐蚀速率的变化趋势［J］.腐蚀与防护，2003，24（2）：51-54，69.

［9］邓聚龙.灰色系统基本方法［M］.武汉：华中理工大学出版社，1987：17-41.

［10］邓聚龙.灰理论基础［M］.武汉：华中科技大学出版社，2002：137-141.

［11］秦庆伟.铝电解惰性阳极及腐蚀率预测研究［D］.长沙：中南大学，2004.

Effects of Electrolytic Parameters on Corrosion Rate of High Silicon Cast Iron Anode Plates

DING Xiao-nan，ZHAO Ai-min，ZENG Shang-wu，YIN Zhu-kai
（Engineering Research Institute of USTB，Beijing 100083，China）

The effect of different electrolytic parameters（current density，temperature of electrolyte，nitric acid concentration，Cr6+concentration）on the corrosion rate of high silicon cast iron was studied by the method of weight loss in the process of electrolytic corrosion，and the gray correlation analysis was used to rank the correlation extent of affecting factors on the corrosion rate of high silicon cast iron samples.The results showed that the current density and the temperature of electrolyte had the major effect on the corrosion rate of high silicon cast iron samples，and nitric acid concentration，Cr6+concentration affected less.So the current density and the temperature of electrolyte should become the primary limited factor in the daily operation of high silicon cast iron anode plates.

high silicon cast-iron anode；electrolytic parameter；corrosion rate；gray correlation analysis

TG174.4

A

1005-748X（2015）11-1104-05

10.11973/fsyfh-201511020

2014-10-31

赵爱民（1962-），教授，博士，从事金属凝固与控制，耐磨材料研究，010-62332598，aimin.zhao@ustb.edu.cn