Q235钢在煤浸出液中的腐蚀行为

薛 慧,葛红花,蒋以奎,温东辉,袁 群

(1. 上海电力学院 上海热交换系统节能工程技术研究中心 上海市电力材料防护与新材料重点实验室，上海 200090；2. 宝钢股份研究院, 上海 201900)



Q235钢在煤浸出液中的腐蚀行为

薛 慧1,葛红花1,蒋以奎1,温东辉2,袁 群1

(1. 上海电力学院 上海热交换系统节能工程技术研究中心 上海市电力材料防护与新材料重点实验室，上海 200090；2. 宝钢股份研究院, 上海 201900)

采用离子色谱对某长焰煤浸出液进行了成分分析，用电化学阻抗谱和极化曲线研究了煤浸出液中离子含量和温度对Q235钢腐蚀的影响，用失重试验研究了Q235钢在不同转速和不同溶液中的腐蚀行为。结果表明:煤浸出液中主要的阳离子为Na+和Ca2+，主要的阴离子为SO42-和Cl-;煤浸出液中离子含量增加和温度升高都会使Q235钢的耐蚀性降低;转速增大，Q235钢在煤浸出液中的腐蚀速率增大，当转速为60 r/min时，Q235钢的腐蚀速率达到0.304 7 mm/a，约为静态时的2.3倍;Cl-和SO42-含量的增加都会促进Q235钢的腐蚀，SO42-和Cl-同时存在对Q235钢的侵蚀作用增强。

Q235钢；煤浸出液；运煤敞车；腐蚀；电化学阻抗谱；极化曲线

我国运煤敞车钢结构腐蚀严重，其使用寿命比国际水平短10 a左右[1]。铁道科学研究院曾调查分析了大秦线上的各种类型的运煤敞车车体腐蚀情况，发现多数使用不到半年车体内部油漆保护涂层就受到较为严重的破坏，部分基体金属出现锈蚀，此外,车体内侧也受到较为严重的机械损伤，尤其是端板上时常可见明显的划痕[2]。C62A型运煤敞车(主要材质为普通碳钢Q235)较其他耐候钢车型出现更为严重的腐蚀。

运煤敞车在使用过程中不仅跟一般的敞车一样会受到大气腐蚀，而且还会遭受特殊腐蚀环境的影响。首先，煤炭在运输过程中，为了防止煤粉飞扬，常需要洒水使之呈湿煤状，遇到雨雪天气时水也会积存在敞车底部，再加上选煤厂会对原煤进行洗选加工，洗选后的煤炭即使经过脱水处理，仍然含有大量的水分，煤中可溶性的侵蚀性离子便溶于水中，使敞车钢结构受到电化学腐蚀[3]。其次，冬天运煤时通常加入氯盐来降低其冰点，防止冻结，这就引入了大量腐蚀性的氯离子[4]。再次，运煤敞车在运输过程中，车体表面会不断地受到煤块的冲击摩擦，导致内侧保护层磨损破裂，用抓斗或卸车机装卸煤也易使敞车的地板磨损变形[5]。

针对运煤敞车钢结构腐蚀严重的现状，本工作主要研究Q235钢在煤浸出液中的腐蚀行为，旨在确定运煤敞车严重腐蚀的主要因素，为运煤敞车的腐蚀控制提供依据。

1　试验

1.1煤浸出液成分分析

选取国内某长焰煤作为待测煤种，采用HC-300T2型高速多功能粉碎机，控制粉碎时间为1 min，将煤磨碎。称取煤样50 g，放入锥形瓶中，加入100 mL水，放在THZ-320型摇床中微动混合6 h后取出，过滤后得到澄清的煤浸出液(煤水质量比1∶2)。

根据中华人民共和国煤炭行业标准《煤矿水中碘离子的测定方法》(MT/T 892-2000)，用UV-2700紫外分光光度计测碘离子含量，其余离子含量均用ICS-2100离子色谱测得。

1.2试验介质

根据煤浸出液的分析结果配制出模拟煤浸出液，在模拟液基础上配制不同浓缩倍数，以及不同SO42-和Cl-含量的测试液进行试验。

1.3试样

试验材料为Q235钢板，其主要成分如表1所示。电化学测试时将Q235钢板加工成10 mm×10 mm的电极片，在工作面的背面焊上导线，非工作面用环氧树脂密封。试验前用不同型号的金相砂纸打磨工作面至光亮，然后依次用酒精和去离子水清洗，以除去表面的污垢。

挂片试验采用50 mm×25 mm×2 mm的试片，一端打孔，孔径为4 mm，用不同型号的金相砂纸进行打磨，再用酒精、丙酮依次进行清洗，用吹风机吹干，放于干燥密封器中备用。

表1　Q235钢的化学成分(质量分数)

1.4试验仪器和试验参数

电化学试验在PAR STST2273电化学工作站上进行，试验温度为30 ℃(温度试验除外)。试验采用三电极体系，铂片为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极。电化学阻抗测试频率为0.01 Hz～100 kHz，交流扰动电压幅值为10 mV。极化曲线的扫描速率为1 mV/s，扫描范围为-0.35～0.2 V(相对于开路电位)。

腐蚀失重试验采用THZ-320型摇床，试验温度为30 ℃，挂片转速分别为0,30,60 r/min，浸泡时间为72 h。

2　结果与讨论

2.1煤浸出液成分

表2为煤水质量比1∶2的煤浸出液中的主要离子含量。可以看出,煤中含有的主要阴离子为SO42-、Cl-、NO3-、I-，其中SO42-含量最大，Cl-次之。Cl-半径较小，是一种扩散性能较好的酸性阴离子[6]，具有较强的侵蚀性[7-8]，能够破坏碳钢表面的氧化膜，使碳钢表面一直处于活化状态[9]。并且Cl-还能与碳钢活性表面形成强酸弱碱盐氯化物，氯化物水解生成H+使腐蚀表面pH降低，促进了碳钢的腐蚀[10]。SO42-是含氧阴离子，可阻碍碳钢表面致密氧化物的形成，加快碳钢溶解[11]。表2还显示，浸出液中主要的阳离子为Na+和Ca2+。另外测得该煤浸出液的pH为7.99，电导率为420 μS/cm。

2.2煤浸出液中Q235钢的电化学腐蚀行为

2.2.1 煤浸出液中离子含量对Q235钢腐蚀行为的影响

图1为Q235钢在不同浓缩倍数的煤浸出模拟液中浸泡1 h的Nyquist图。可以看出,在四种溶液(以浓缩倍数表示)中，Nyquist图均显示一个时间常数。可用图2的等效电路进行拟合拟合,结果见表3。其中Rs为溶液电阻，Rct为电荷转移电阻，Q为常相位角元件，因为腐蚀过程中存在弥散效应，所以用Q代替电容元件C能取得更好的拟合效果，n的大小与腐蚀电流分布的均匀度和电极的表面粗糙度有关[12]。通常，Rct越小，金属或合金在介质中的耐蚀性能越差[13]。从表3可以看出：随着浓缩倍数的增大，溶液电阻越来越小，由模拟液的477.3 Ω·cm2减小到25倍浓缩液的28.58 Ω·cm2；电荷转移电阻也随着浓缩倍数的增大而减小，由模拟液的927.2 Ω·cm2减小到25倍浓缩液的55.46 Ω·cm2，即随着离子含量的增大，电极反应阻力减小，Q235钢的溶解更易进行，Q235钢的耐蚀性下降。

表2　煤浸出液中主要离子的含量

表3　图1中Nyquist图的拟合结果

图3为Q235钢在不同浓缩倍数的模拟煤浸出液中的极化曲线，可以看出，Q235钢在这四种溶液中的阳极极化曲线均显示活性溶解状态。表4是从极化曲线获得的自腐蚀电位Ecorr、腐蚀电流密度Jcorr和阳极极化Tafel斜率ba，可见随着浓缩倍数的增大，阳极极化的塔菲尔斜率减小，自腐蚀电位逐渐负移，腐蚀电流密度由模拟液的9.11 μA/cm2增大到25倍浓缩液的20.61 μA/cm2，试样的腐蚀明显加剧。说明Q235钢在离子含量更大的溶液中具有更小的阳极溶解阻力。

运煤车在实际运行过程中，煤粉中的可溶性物质不断溶解在水中，使煤浸出液中的可溶性离子含量不断增加，煤浸出液对钢的腐蚀性将不断增大。

2.2.2 温度对Q235钢腐蚀行为的影响

温度是影响金属腐蚀速率的重要参数之一，运煤敞车所处腐蚀体系的温度随着环境温度的变化而变化。图4为Q235钢在不同温度的浓缩25倍模拟煤浸出液中浸泡1 h的Nyquist图，用图2所示的等效电路进行拟合，表5为拟合结果。可见随着温度的升高，溶液电阻有所减小，由20 ℃时的35.76 Ω·cm2减小到50 ℃时的23.98 Ω·cm2；电荷转移电阻也由624.3 Ω·cm2(20 ℃)减小到410.6 Ω·cm2(50 ℃)，即温度升高，Q235钢在溶液中的耐蚀性下降。

可以用Arrhenius公式表示电极反应速率常数与温度的关系[14]：

(1)

式中:K为反应速率常数;ER为反应的活化能。当温度升高时，Q235钢反应速率常数变大，反应速率随之加快。此外，温度升高，溶液中主要的活性离子SO42-和Cl-穿越双电层的能力增大，反应能力增强，从而促进了腐蚀[15]。

表5　图4中的Nyquist图的拟合结果

2.2.3 转速对Q235钢腐蚀行为的影响

运煤敞车在运行中，煤水混合物与车厢钢板之间可能会存在一定的相对运动，特别是在非匀速运行的时候。由表6可以看出，随着转速的增大，Q235钢的腐蚀速率增大，当转速达到60 r/min时，Q235钢的腐蚀速率达到0.304 7 mm/a，约为静态时的2.3倍。

腐蚀体系中金属表面与电解液的相对运动[16-17]既能够促进阴极过程中的氧去极化，还能够去除或者减弱阳极过程中的浓差极化，金属的腐蚀速率因而会显著加快。另外Q235钢在溶液中静态浸泡时，随着腐蚀的不断进行，腐蚀产物堆积在金属表面，对Q235钢基体起到一定的保护作用。当挂片不停的转动时，表面的浮锈不断的脱离金属表面，从而腐蚀速率较静态时显著提升。

表6　Q235钢在不同转速的模拟煤浸出液中的腐蚀速率

2.2.4 不同溶液中Q235钢的腐蚀行为

溶液中离子含量的成倍增加促进了钢的腐蚀，这一方面与溶液电导率的增大有关，另一方面可能也与溶液中侵蚀性离子含量的增加有关。根据表2可知，煤浸出液中的主要侵蚀性阴离子为SO42-和Cl-。由表7可见，随着模拟液中离子含量的成倍增加，腐蚀速率随之增大；模拟液中所有离子含量成倍增加时,钢的腐蚀速率要大于仅将SO42-或Cl-含量增加相同倍数的腐蚀速率，说明SO42-和Cl-同时存在时，对Q235钢的侵蚀作用更强。

3　结论

(1) 某长焰煤浸出液中主要阴离子为SO42-、Cl-、NO3-、I-，其中SO42-含量最大，Cl-次之；主要的阳离子为Na+和Ca2+。

表7　Q235钢在不同溶液中的腐蚀速率(摇床转速为60 r/min)

(2) Q235钢在煤浸出液中处于活性溶解状态，发生全面腐蚀。随着煤浸出液中离子含量的成倍增加，钢的电极反应阻力减小，耐蚀性下降，腐蚀电流密度显著增大。

(3) 温度对Q235钢在煤浸出液中的腐蚀影响较为显著，温度升高，钢的电荷转移电阻减小，腐蚀加快。

(4) Q235钢在煤浸出液中的腐蚀速率随着摇床转速的增大而加大。当转速为60 r/min时，Q235钢的腐蚀速率达到静态时的2.3倍。

(5) 不同溶液中Q235钢的失重试验显示，随着模拟液中离子含量的成倍增加，钢腐蚀速率随之增大；SO42-和Cl-同时存在对Q235钢的侵蚀作用更强。

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Corrosion Behavior of Q235 Steel in Coal Leaching Solution

XUE Hui1, GE Hong-hua1, JIANG Yi-kui1, WEN Dong-hui2, YUAN Qun1

(1. Shanghai Key Laboratory of Materials Protection and Advanced Materials in Electric Power, Shanghai Engineering Research Center of Energy-Saving in Heat Exchange Systems, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090,China； 2. Research Institute of Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China)

The composition of a long-flame coal leaching solution was analyzed by ion chromatography. The effects of ion concentration and temperature on the corrosion behavior of Q235 steel in coal leaching solution were investigated by electrochemical impedance spectroscopy and polarization curves. The corrosion behaviors of Q235 steel in different stirring rates and various solutions were analyzed through weight loss experiments. Results show that the main cations are Na+and Ca2+and the main anions are SO42-and Cl-in the coal leaching solution. The increase of ion concentration and temperature can reduce the corrosion resistance of Q235 steel in coal leaching solution. The corrosion rate of Q235 steel was accelerated with increasing stirring rate. When the stirring rate was 60 r/min, the corrosion rate reached 0.304 7 mm/a that was about 2.3 times higher than that in static state. Increasing concentration of Cl-or SO42-, or both existence of SO42-and Cl-in solution could promote corrosion of Q235 steel.

Q235 steel; coal leaching solution; coal open wagon; corrosion; electrochemical impedance spectroscopy; polarization curve

10.11973/fsyfh-201604007

2015-03-30

上海市科委项目(10DZ2210400; 14DZ2261000)资助

葛红花(1967-),教授,博士,从事腐蚀与防护和工业水处理研究,13371895962,gehonghua@shiep.edu.cn

TG174

A

1005-748X(2016)04-0300-05