本发明涉及一种合金材料，特别涉及一种全智能防垢除垢合金及其制备方法。
背景技术：
流体结垢问题在换热器、锅炉及其他工业和民用领域甚至军品航母领域中涉及流体传输和循环的系统中广泛存在。大多数情况下，工业管路系统中的流体均为单质或混合溶液状态，其中溶液组成成分、总盐度、总离子浓度、温度、压力、气体分压、ph值、流速等众多因素影响着溶质的溶解度。一旦溶液系统的溶解条件发生变化，溶质溶解度也会随之改变。当溶解度下降，使得溶质含量处于过饱和状态，就会析出晶体。当析出晶体沉积或吸附在容器壁面时，就会结垢。水处理技术领域中一般将析出的非水溶性沉积物成为水垢，一般水垢都是由钙镁等金属阳离子和碳酸根或碳酸氢根等成垢阴离子结合形成的。当溶解条件一定时，溶液系统中的钙镁离子、酸根离子和一定量的碳酸钙和碳酸镁分子处于一个相对平衡状态。一方面，由于形成的碳酸钙和碳酸镁等化合物，溶解度很低，碳酸钙和碳酸镁分子析出形成沉淀，并堆积形成水垢。另一方面，钙镁离子与酸根离子结合生成新的碳酸钙和碳酸镁分子，发生结垢现象。油气集输系统中的井下设备的结蜡、结垢和腐蚀问题会大大降低设备传热效果，严重时会引起堵塞。结垢会引起设备和管道局部垢下腐蚀，并且为srb细菌的繁殖提供有利条件。同时，结垢还会使缓蚀剂与金属表面难以接触成膜，大大降低缓蚀效果，加重设备和管道的腐蚀，甚至引起腐蚀穿孔，使管道报废。结垢沉积还会降低流体截面积，增大流体阻力和输送能量。结垢的综合作用会造成集输系统内清洗作业频繁和站内管道更换频繁，严重影响到油田的正常生产秩序，大大增加油田的生产成本。为了防止垢层堵塞管道，必须平均每月进行一次酸洗。这不仅影响了正常生产，而且会加速管道的腐蚀，缩短管道的使用寿命。化学阻垢法是通过添加药剂的方法改变了溶液系统的成分、酸碱度和离子浓度来产生阻垢效果。如前所述，化学法因为需要改变溶液系统的成分，其应用正受到越来越多的约束。长期以来人们一直在进行科研，寻找具有防垢的新型金属材料。现有技术cn103805808a虽然公开了一种用于阻垢的铜基触媒合金，但由于其含有毒性的微量金属元素铅、锑，其生产会造成一定的污染，且安全性能欠佳，该成分的合金防垢除垢尚存在提升空间，尚需更安全、稳定和效果更好的防垢除垢材料。
技术实现要素：
发明目的：本发明旨在提供一种更安全、更稳定的以及稳态电流释放量更高、电流持续释放性能更强的全智能防垢除垢合金及其制备方法，在不改变溶液系统成分和酸碱度的条件下，通过全智能防垢除垢合金持续释放自由电子，形成更稳定更强的稳态电流，降低溶液系统的阳离子浓度，从而降低成垢指数，来达到安全阻垢的目的。
发明内容：一种全智能防垢除垢合金，按质量百分比包括如下组分：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％，所述各组份经高温熔炼形成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。本发明在不改变溶液系统成分和酸碱度的条件下，通过持续释放自由电子，降低溶液系统的阳离子浓度，从而降低成垢指数，来达到阻垢的目的。cu-ni二元合金具有优异的化学稳定性，在各种环境中耐腐蚀性能非常出色，冷热加工性能优异，成本适中。cu-ni合金系虽然电负性小于溶液，但由于化学稳定性很好，其失电子能力并不强。因此，又在cu-ni二元合金基础上，选择zn和ag元素作为合金元素进行添加。其中，zn元素的电负性为1.65，是常见元素中电负性最小的金属元素之一，能够与cu-ni合金形成稳定的三元合金。ag元素的电负性为2.34，是常见元素中处理稀土和放射性元素以外电负性最大的合金元素之一。ag在cu-ni-zn合金中几乎不溶，主要以游离态出现，通过合理的成分控制和热加工工艺能够获得理想的分布状态，是理想的正极材料。随着ag含量的增加，活化电流逐渐增大。活化电流越大，释放电子的能力越强，单位流量的全智能阻垢防垢合金用量越少，整体成本更具优势，v和mn都是良好的脱氧剂，mn还可以做为脱硫剂对去除合金中的s元素，提高合金的淬性，改善合金的热加工性能，而v可以增加合金的强度和韧性，并且v会和c结合，增强合金在高温高压下抗氢腐蚀的效果，铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在合金材料中加nb，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀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点、抗拉强度、冷脆性和时效敏感性。
进一步的，按质量百分比包括如下组分：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％，所述各组份经高温熔炼形成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。
进一步的，按质量百分比包括如下组分：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％，所述各组份经高温熔炼形成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。
进一步的，按质量百分比包括如下组分：cu：55％、ni：15％、zn：10％、sn：8％、ag：4％、fe：3％、nb：2％、mn：2.5％、v：0.45％、c：0.05％，所述各组份经高温熔炼形成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。
本发明还提供一种全智能防垢除垢合金的制备方法，包括如下步骤：按所述各组分的质量百分比准备原材料，原材料纯度为99.9％以上的块状物，其体积小于或等于2cm3；在加热炉的坩埚内铺入3cm厚的木炭，按重量计将cu料的一半均匀铺在木炭上，然后在cu料上均匀铺入全部ni块，再铺入3cm厚的木炭，开炉升温至1100℃-1500℃，待全部金属熔化后，加入全部fe、v、nb、c块体，搅拌至金属全部溶化后再加入全部mn块体，保温3分钟～8分钟，使熔体金属脱气；然后按照zn、sn、ag和剩余的cu顺序加入，慢速搅拌，待金属全部熔化后，去浮渣，使熔体温度降低至1230℃～1350℃，将熔体金属注入浇筑型模具中，冷却5分钟～15分钟至金属表面结壳形成金属锭，然后水冷至室温，取出金属锭。
优选的，所述加热炉为感应炉。
反应机理：当流体流经本发明时，在两者之间能够形成65μa左右的稳态电流。此电流的持续作用将使溶液中的溶剂分子产生极化效应，形成溶剂分析的偶极子。极化的偶极子与带电荷的成垢离子重新排列，形成新的成垢离子耦合物，呈悬浮态分布在溶液系统中，进一步降低了成垢反应的可能性。同时可以明显降低垢盐因电荷吸附产生的壁面沉积效应，减少钙镁垢在管路壁面的沉积。
碳酸钙、碳酸镁等不溶性分子的结晶形态在电流作用下也会发生改变。碳酸钙、碳酸镁分子一般有两种结晶形态：一种是“大理石型”结构，质地坚硬，吸附性强，总分子量较大，是正常条件下钙镁垢的常见形态。另一种是“文石型”结构，质地松软，吸附性不强，总分子量较小。一般在弱电场持续作用下形成。由于在工作时能够在全智能防垢除垢合金与流体间形成弱电场，因此可以促进“文石型”垢盐的形成，同时使已有的垢盐发生“大理石型”结构向“文石型”结构的转变，使已经板结的垢层逐渐松软脱落，达到管路系统除垢的目的。
随着垢层的脱落，管壁金属表面逐渐裸露。极化后的偶极子与裸露金属表面将发生壁面效应，使管壁金属表面沉积一定厚度的成垢离子耦合物(厚度约500μm)。这层耦合物将管壁金属与流体系统隔开，在一定程度上起到了管壁防腐的作用。由于耦合物沉积是通过偶极子与壁面金属的静电吸附产生的，与普通垢层的沉积生长过程原理不同，因此，耦合物沉积层的厚度不随时间变化，而只与管路系统的流速有关。
本发明它在不改变流体化学成分前提下，应用先进的弱电复合阻垢机理，阻止结垢的生成，并具有很强的溶解结垢能力。运行过程不需要额外维护，无磁无电，不需要外加电源。当流体中含有过量的自由电子时，成垢阳离子的电荷被自由电子中和，使其难以与酸根结合成垢。过量自由电子的存在增加了流体的离子浓度，成垢指数下降，co2分压上升，使得垢盐的溶解度增加，产生一定溶垢效应。同时，弱电场的持续作用会导致垢盐晶体发生“方解石型”向“文石型”转变，垢盐晶体变得疏松，与壁面结合力降低，导致已经板结的垢层逐渐松脱溶解。
有益效果：与现有技术相比，本发明采用更合理的配方组分，均为无毒的元素，同时进一步提升了合金的性能，且本发明的合金为沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。与现有技术的s100晶轴形成的柱状合金相比，s110晶轴形成的柱状合金结构结构更先进、更稳定，所形成的合金释放稳态电流由于结构的优化，稳态电流释放量得到了提高；电流更加趋于稳定，不易流失电子。即s110晶轴得到的合金组分电负性配位关系和电流持续释放性能得到明显强化。实验表明，将φ40mm本发明放置在5000mg/mol浓度碳酸钙溶液中，流速1000mm/s，25℃室温环境下测得的活化电流与时间的关系示于图1。从图1看出，本发明活化电流约为80μa，稳定时间约为150min，不仅完全满足阻垢器工程应用要求，且活化电流比现有的铜基触媒产品提高约60％，并且成分更加合理安全，加工成本也更低。
附图说明
图1为本发明与现有铜基触媒合金活化电流效果对比图。
具体实施方式
实施例1：
本发明所述全智能防垢除垢合金，各组分的质量百分比为：cu：55％、ni：15％、zn：10％、sn：8％、ag：4％、fe：3％、nb：2％、mn：2.5％、v：0.45％、c：0.05％，各组份经化合成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。
全智能防垢除垢合金的制备方法如下：按所述各组分的质量百分比准备原材料，原材料纯度为99.9％以上的块状物，其体积小于或等于2cm3；在加热炉的坩埚内铺入3cm厚的木炭，按重量计将cu料的一半均匀铺在木炭上，然后在cu料上均匀铺入全部ni块，再铺入3cm厚的木炭，开炉升温至1380℃，待全部金属熔化后，加入全部fe、v、nb、c块体，搅拌至金属全部溶化后再加入全部mn块体，保温4分钟～6分钟，使熔体金属脱气；然后按照zn、sn、ag和剩余的cu顺序加入，慢速搅拌，待金属全部熔化后，去浮渣，使熔体温度降低至1230℃～1350℃，将熔体金属注入浇筑型模具中，冷却8分钟～12分钟至金属表面结壳形成金属锭，然后水冷至室温，取出金属锭，得到沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。本实施例的合金释放的活化电流更高，并且作用时间更长，效果更加稳定。
实施例2：
与前述实施例不同之处在于，本实施例各组分的质量百分比为：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％，各组份经化合成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。
本实施例的制备方法与实施例1中所述的一致。
实施例3：
与前述实施例不同之处在于，本实施例各组分的质量百分比为：cu：57％、ni：13％、zn：8％、sn：7％、ag：6％、fe：5％、nb：1％、mn：2.5％、v：0.45％、c：0.05％，各组份经化合成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。
本实施例的制备方法与实施例1中所述的一致。
实施例4：
与前述实施例不同之处在于，本实施例各组分的质量百分比为：cu：60％、ni：11％、zn：11％、sn：9％、ag：2％、fe：2％、nb：2％、mn：2.5％、v：0.42％、c：0.08％，各组份经化合成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。
本实施例的制备方法与实施例1中所述的一致。
实施例5：
与前述实施例不同之处在于，本实施例各组分的质量百分比为：cu：60％、ni：10％、zn：8％、sn：10％、ag：3％、fe：4％、nb：3％、mn：1.5％、v：0.4％、c：0.1％，各组份经化合成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。
本实施例的制备方法与实施例1中所述的一致。
实施例6：
与前述实施例不同之处在于，本实施例各组分的质量百分比为：cu：40％、ni：6％、zn：18％、sn：5％、ag：19.5％、fe：8％、nb：0.15％、mn：0.35％、v：2％、c：0.5％，各组份经化合成一种沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。
本实施例的制备方法与实施例1中所述的一致。
本发明采用更合理、更安全的配方组分，均为无毒的元素，同时进一步提升了合金的防垢阻垢性能，且本发明的合金为沿s110晶轴定向生长的柱状晶体合金。与现有技术的s100晶轴形成的柱状合金相比，s110晶轴形成的柱状合金结构结构更先进、更稳定，所形成的合金释放稳态电流由于结构的优化，稳态电流释放量得到了提高；电流更加趋于稳定，不易流失电子。即s110晶轴得到的合金组分电负性配位关系和电流持续释放性能得到明显强化。实验表明，将φ40mm本发明放置在5000mg/mol浓度碳酸钙溶液中，流速1000mm/s，25℃室温环境下测得的活化电流与时间的关系示于图1。从图1看出，本发明活化电流约为80μa，稳定时间约为150min，不仅完全满足阻垢器工程应用要求，且活化电流比现有的铜基触媒产品提高约60％，并且成分更加合理安全，加工成本也更低。