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厚壁無縫鋼管為什么會生銹?如何為厚壁無縫鋼管除銹?
我們日常的生產和生活離不開鋼鐵材料,但是世界上每年因銹蝕而損失的鋼鐵數量十分巨大。因此,如何保護鋼鐵防止其銹蝕意義重大。
厚壁無縫鋼管銹蝕原理是什么?我們可以根據下圖所示的小實驗進行探究:在第1支試管中加入少量氯化鈣(氯化鈣可吸收空氣中的水蒸氣,起干燥作用),放入一根鐵釘,塞緊試管口。在第2支試管中放入一根鐵釘,加入經煮沸并迅速冷卻的蒸餾水浸沒鐵釘,再注入植物油,使水面上形成油層。在第3支試管中放入一根鐵釘,加入少量蒸餾水使鐵釘的一部分浸在水中。 連續一周定時對三支試管進行觀察并記錄現象。我們從實驗結果可以發現第1支、第2支試管中的鐵釘沒有生銹,但第3支試管中的鐵釘卻生銹了,鐵釘表面出現了紅棕色的鐵銹。由此可見鐵生銹需要水、氧氣的參與。
鋼鐵制品的腐蝕過程,是一個復雜的化學反應過程。鐵銹通常為紅棕色,不同情況下會生成不同形式的鐵銹,鐵銹主要由氧化鐵的水合物(Fe2O3·nH2O)和氫氧化鐵[Fe(OH)3]組成。鋼鐵表面的鐵銹結構疏松,不能阻礙內部的鐵與氧氣、水蒸氣等接觸,最終導致鐵全部生銹。
你知道應如何除去鐵表面的銹跡嗎?
常用的除鐵銹方法可以分為物理方法和化學方法兩類。物理方法主要是利用打磨的方式除去鐵銹,例如用砂紙、砂輪、鋼絲刷、鋼絲球等進行打磨。化學方法主要是利用酸與鐵銹發生化學反應,從而達到除銹的目的。
其實,只需要將鋼鐵制品與水和氧氣隔絕,就可以阻止鋼鐵銹蝕。因此,防止鐵生銹最簡單的方法是保持鋼鐵制品表面光潔干燥。防止鋼鐵生銹還可在其表面形成保護層,如涂油、噴漆、燒制搪瓷、噴塑等。在日常生活中,人們經常會對車廂、水桶等采取涂油漆的措施,而機器需要涂礦物性油。除此之外,還可以在鋼鐵表面采用電鍍、熱鍍等方法鍍上一層不易生銹的金屬,如鋅、錫、鉻、鎳等。這些金屬表面能夠形成一層致密的氧化物薄膜,從而防止鐵制品和水、空氣等物質接觸而生銹。另外,還可以將鋼鐵組成合金,以改變其內部的組織結構,例如在鉻、鎳等金屬中加入普通鋼里制成不銹鋼,有效地增加了鋼鐵制品的抗生銹能力。
生活中常見的除銹劑主要成分為鹽酸、稀硫酸,它們能與氧化鐵反應,反應原理為:Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O、 Fe2O3+ 3H2SO4=Fe2(SO4)3+3H2O。除銹劑沿著銹層和雜質層的裂痕滲透至鋼鐵制品表面,對銹層和雜質層產生溶解、剝落作用,從而使銹層、雜質和氧化皮從鋼鐵制品表面脫落。但是酸具有一定的腐蝕性,因此,在除銹時需要身穿防護服。另外,酸與鐵會產生氫氣,遇明火會發生爆炸,所以,除銹操作時需要禁止煙火。
鹽酸、稀硫酸都能與氧化鐵反應,選擇哪種酸進行工業除銹更好呢?在選擇時主要考慮四個因素:除銹效果、酸的生產成本、酸的運輸儲存、使用安全環保。
鹽酸、硫酸哪一個除銹能力強?我們將帶銹的鐵釘分別放置于等體積、等氫離子濃度的鹽酸和硫酸中,最后發現鹽酸的除銹效果更好。通過實驗也可說明當其它條件相同時,稀硫酸與金屬氧化物的反應速率比鹽酸慢。
那么從生產、運輸以及安全使用方面比較,鹽酸、硫酸哪一個更占優勢?鹽酸的工業制備是通過電解飽和食鹽水先得到氫氣和氯氣,兩種氣體反應后生成氯化氫氣體,經過水吸收形成了鹽酸,氯化氫氣體并不能無限制地溶解在水中,因此濃鹽酸的溶質質量分數最多在37%左右。而硫酸是通過高溫煅燒硫鐵礦先制得二氧化硫,二氧化硫與氧氣反應后生成三氧化硫,三氧化硫被濃硫酸吸收成為焦硫酸,焦硫酸加水轉成硫酸。因此,從原料、制備過程以及對環境的影響上,鹽酸優于硫酸。濃鹽酸需要密封儲存在玻璃瓶或塑料桶中,運輸則需要內部襯有橡膠的特制鋼罐車。濃硫酸的質量分數****可以達到98%,它的儲存與運輸都可以用鋼制或鋁制的容器。在這方面,硫酸強于鹽酸。
溶質質量分數較大的鹽酸具有揮發性,揮發出的氯化氫氣體對人體有強烈的刺激和腐蝕作用,而溶質質量分數低的鹽酸卻相對比較穩定。濃硫酸在使用前需要進行稀釋,稀釋會產生大量的熱,容易造成燙傷,并且濃硫酸的腐蝕性要遠強于濃鹽酸。由此可以看出鹽酸的使用較為安全。
根據以上信息,顯然鹽酸的除銹效果更好,成本更低,使用更加安全。
另外,在化學實驗室中我們還可以自制相對比較環保的除銹劑。****步,先將檸檬酸18g、糊精0.8g、鉬酸鈉3g、磷酸1.1g和水60g放入混合罐內,室溫下勻速攪拌30 min。第二步,在混合溶液中加入甘油8g,室溫下勻速攪拌10 min,攪拌轉速為25 r/min。第三步,在混合溶液中加入添加劑碘化鈉0.06g,室溫下勻速攪拌30min,攪拌轉速為25r/min。
用檸檬酸代替鹽酸、稀硫酸可以解決目前除銹劑污染環境的弊端,甘油可以加強除銹劑在金屬表面的附著性能。而且這種除銹劑除了除銹功能外,還具有防銹功能。
當然鋼鐵銹蝕會損失金屬資源,但是鋼鐵銹蝕的原理也有有利的一面。例如糕點包裝中常使用脫氧劑,其主要成分包含鐵粉。脫氧劑利用鐵粉生銹的原理消耗氧氣,從而防止食品變質。
同時,鐵生銹是放熱反應,人們利用該作用生產了“自熱帖”。“自熱帖”的主要成分是鐵粉、蛭石、活性炭、無機鹽(例如食鹽)、水等。在自然條件下,鐵進行氧化反應的速度緩慢,為了加快該反應的速度,需采用表面積大的鐵粉末。活性炭的作用是形成原電池促進反應;同時利用活性炭的強吸附性,在其疏松的結構中儲存水。無機鹽的作用是和活性炭形成原電池促進反應。蛭石是一種鐵鎂質鋁硅酸鹽礦物,可以起到儲熱的作用。
在化學實驗室中我們也可以自制“自熱帖”,按照5:2:2:2的質量比稱量鐵粉、活性炭、食鹽、蛭石。將稱量好的鐵粉、活性炭、食鹽、蛭石(蛭石也可以不加)倒入燒杯中,加幾滴水,用玻璃棒充分攪勻后,裝入無紡布袋中,放入自封袋密封(或者使用塑封機密封),使用時取出即可。另外,鐵粉和活性炭顆粒越細(鐵粉以100目為宜,活性炭為150目為宜)反應越快,升溫越明顯。