CC BY
5УДК 620.193, 543.24, 544.08
ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЯ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ
ЧУГУНА В КИСЛОЙ СРЕДЕ
П.К. Савина
ФГБОУ ВО «Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского»
Целью работы являлось определение направлений исследования коррозионной стойкости чугуна в кислой среде. Обоснован выбор материала чугуна в качестве объекта исследования. Исследован качественный и количественный состав выбранного для исследования образца. Осуществлен выбор методов исследования коррозии чугуна в кислых растворах. Изучена поверхность объекта исследования с помощью методов металлографической оптической и зондовой микроскопии. Отработана методика инверсионной вольтамперометрии для количественного определения ионов металлов в коррозионной среде водных растворов. Показано, что полученные данные можно положить в основу исследования коррозии чугуна в водных средах.
Ключевые слова: полярограф, ионы металлов, инверсионная вольтамперометрия, бумажная пульпа, коррозия.
Введение. В современное промышленное производство все чаще внедряются новые технологические процессы, которые протекают в агрессивных средах. Это связано с развитием технологий переработки вторичного сырья и в целом с развитием химической промышленности. Поэтому к конструкционным материалам, которые применяются в подобных производствах, предъявляют особые требования. Большая часть технологического оборудования современных производств изготавливается на основе конструкционных материалов, которые относятся к металлам и их сплавам. При взаимодействии с агрессивными средами металлы и сплавы подвергаются коррозии, которая является в большинстве случаев самопроизвольным процессом и приводит к выходу из строя машин, металлоконструкций и аппаратов [1, 2].
Данная проблема так же является актуальной для целлюлозно-бумажного производства. Техническая целлюлоза, полученная техническими методами, картон и бумага - это продукты химической переработки сырья, древесины и вторичного сырья. На данный момент заметно изменились способы получения бумаги и картона. Для их получения наиболее часто используют целлюлозу лиственных пород древесины и макулатура [3]. Сырьем на стадии химической переработки макулатуры является бумажная пульпа -этолигноцеллюлозный волокнистый материал, который получен с помощью химического или механического отделения целлюлозных волокон от древесины, волокнистых культур, макулатуры или ветоши. Водный раствор бумажной пульпы является агрессивной коррозионной средой, так как содержит ионы тяжелых металлов ^Ь (II), Cd (II) и др.), а также имеет кислую среду (pH = 2,5-3) [4]. Вследствие эксплуатации технологического оборудования в среде бумажной пульпы происходит его интенсивный коррозионный износ. Например, по данным ООО «Брянская бумажная фабрика» срок коррозионного износа мешалки, используемой в воронке размольного аппарата бумажной пульпы, составляет в среднем две недели.
Целью исследования являлось определение направлений исследования коррозионной стойкости чугуна в кислой среде.
Для реализации поставленной цели были решены следующие задачи:
- проведен анализ литературных данных, касающийся способов исследования коррозии чугуна в водных растворах;
- обоснован выбор материала чугуна в качестве объекта исследования;
- исследован качественный и количественный состав выбранного для исследования образца;
- изучена поверхность объекта исследования с помощью метода металлографической оптической и зондовой микроскопии;
- отработана методика инверсионной вольтамперометрии для количественного определения ионов металлов в коррозионной среде водных растворов.
Методы исследования. При выполнении исследований использовали метод рентгенофлуоресцентного анализа, металлографической оптической и зондовой микроскопии, инверсионной вольтамперометрии, классические титриметрические методы анализа. Статистическая обработка результатов анализа проведена с использованием программы МаШсаё.
В ходе анализа литературных данных по способам исследования коррозии в водных растворах, было установлено, что все методы исследования коррозионных процессов делятся на три группы [1]:
- эксплуатационные исследования (исследования машин, агрегатов и различного оборудования, средств защиты в условиях их дальнейшей эксплуатации);
- лабораторные исследования (испытания проходят в лабораториях, где воспроизводят различные эксплуатационные условия металлов и сплавов);
- внелабораторные исследования (испытания образцов в эксплуатационных естественных условиях, например, в море, на воздухе и т.п.).
На первоначальной стадии исследования коррозионного процесса нами было принято решение ограничиться лабораторными исследованиями. Так как объектом лабораторных исследований является металлический образец, возникла проблема поиска материалов проявляющих коррозионную стойкость в кислой среде.
По данным, представленным в исследованиях [2,5], в качестве перспективного материала мы рассмотрели чугун, модифицированный шаровидным графитом. Данный сплав был выбран нами в качестве объекта исследования коррозионного процесса в водных растворах.
При выборе способов коррозионного исследования руководствовались принципами, изложенными в исследованиях [1,6], в соответствии с которыми выделяются следующие этапы:
- исследование качественного и количественного состава выбранного образца чугуна;
- изучение поверхности объекта исследования;
- изучение механизма коррозионного процесса;
- установление качественного и количественного состава продуктов коррозии.
В рамках настоящей работы нами была предпринята попытка реализации первых двух этапов из перечисленных.
Определение в сплаве химических элементов проводилось по большей части дробным методом при помощи микрокристаллоскопических и капельных реакций. В ходе исследования была составлена схема качественного анализа выбранного образца (рис.1).
Результаты исследования. В ходе качественного анализа в образце чугуна были обнаружены ионы Бе3+, Мо2+.
Исследование количественного состава выбранного образца осуществляли с помощью рентгенофлюоресцентного анализа и перманганатометрии. РФА (рентгенофлуоресцентный анализ) - метод физического анализа, основанный на анализе спектра, который получают путем воздействия на материал рентгеновскими лучами.
Во время облучения атом переходит в возбужденное состояние, которое сопровождается переходом электронов на квантовые уровни наиболее высокого порядка. В таком состоянии атом находится достаточно мало времени, а после этого возвращается в
свое основное состояние. В это время электроны, которые находятся на внешних оболочках, или заполняют освободившиеся свободные места, а лишнюю энергию выпускают в виде фотонов, или передают энергию другим электронам, находящимся на внешних оболочках (они называются ожэ-электронами). В это время каждый атом выделяет фотоэлектрон, энергия которого имеет строгое значение. К примеру, железо во время облучения рентгеновским излучением испускает фотоны, равные Ка, или 6,4 кэВ. Соответственно, по количеству квантов и энергии можно судить о строении вещества.
Рис. 1. Схема качественного анализа образца чугуна, модифицированного шаровидным
графитом
Из данных, которые представлена на рисунке 2 следует, что процентное содержание элементов в составе выбранного образца составляет: Бе - 99,19%, Мо -0,805%, Мп -0,00912%.
Определение железа в исследуемом образце проводили методом перманганатометрии в солянокислой среде. Для этого точно известную навеску стружек образца растворяли в соляной кислоте. Пробу, предварительно восстановленную до Бе2+ с помощью гранул цинка, титровали в сернокислом растворе до образования бледно-розового цвета, который вызван избыточной каплей перманганата. Процентное содержание железа в чугуне составило 87,80%, но с учетом легких элементов, углерода и других примесей, пересчитанный процент составил около 95,00%.
В чугуне, модифицированным шаровидным графитом, количество углерода составило около 2,55%, а количество молибдена составило 0,805%.
Исследование поверхности выбранного образца осуществляли методами металлографической оптической и зондовой микроскопии.
Рис. 2. Результаты рентгенофлуоресцентного анализа чугуна, модифицированного
шаровидным графитом
Металлографический микроскоп - прибор для наблюдения и фотографирования структуры металлов и сплавов, использующий свет, отражённый от зеркальной поверхности непрозрачного объекта - шлифа. При этом установлено, что чугун имеет кристаллические включения шаровидного графита (рис. 3).
Рис. 3. Результаты исследования поверхности методом металлографической оптической микроскопии чугуна, модифицированного шаровидным графитом
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) — это группа методов определения локальных механических, электрических, магнитных и других свойств поверхности и формирования изображения поверхности и материалов при помощи микрозондов.
Анализируя полученные данные по воздействию коррозионной среды на исследуемый образец, был сделан вывод о том, что чугун подвергается избирательной коррозии (рис. 4).
Избирательная коррозия основана на том, что один из элементов главным образом удаляется из сплава, оставляя при этом остаток (чаще пористый), элементов, которые являются более стойкими к конкретной окружающей среде. В нашем случае пористыми остатками являются вкрапления углерода.
Рис. 4. Результаты исследования поверхности методом зондовой микроскопии (а, б) чугуна,
модифицированного шаровидным графитом
В ходе исследования была отработана методика количественного определения продуктов коррозии, в основе которой лежит метод инверсионной вольтамперометрии. Сущность метода состоит в предварительном накоплении анализируемого вещества на индикаторном (рабочем) электроде электролизом при контролируемом потенциале с его последующим электрохимическим растворением при линейно изменяющемся потенциале.
В таблице 1 представлены оптимальные вольтамперометрические характеристики определения ионов металлов ^п(П), Pb(П), Cd(II)) при их одновременном присутствии в водных растворах.
Таблица 1
Вольтамперометрические характеристики определения Pb (II), Cd (II), Zn (II) _в водных растворах_
Параметры Pb(П) Cd(П) Zn(II)
Напряжение ^ мВ -1400 -950 -1000
Время накопления, с 40 (варьируется) 40 (варьируется) 40 (варьируется)
Время успокоения, с 10 10 10
Циклы 3 3 3
Диапазон 2 2 2
Частота, Гц 75 75 75
Скорость, об/мин 1000 1000 1000
При определении концентрации ионов металлов получены следующие вольтамперометрические зависимости (рис. 5, табл. 2).
ПЬ _!_ »
- / ^ Cd Zu
:
i
;
\
//
;
; ¿Г
- i ; йЙ № rilB
; i . ■ _ : , . , , _
Рис. 5. Вольтамперометрические зависимости
Таблица 2
Обработка результатов анализа вольтамперометрического определения продуктов _коррозии в водных растворах бумажной пульпы_
Элементы Концентрации, мкг/л
С1 С2 Сср.
Кадмий 1,14±0,15 1,26±0,15 1,20±0,15
После действия водного раствора на исследуемый образец чугуна было выявлено, что в раствор перешли ионы кадмия.
Выводы. Таким образом, поставленная цель исследования достигнута - определены направления исследования коррозионной стойкости чугуна в кислой среде. Выполнены первоначальные исследования коррозионного процесса: выбран объекты исследования; изучен его качественный и количественный состав; исследована поверхность до воздействия коррозионной среды. Определены основные вольтамперометрические характеристики методики определения количественного состава продуктов коррозии. Полученные нами данные могут быть положены в основу исследования коррозии чугуна в водных средах.
Список литературы
1. Абдиев Д.А. Исследование физико-химической сущности коррозионных процессов для обоснования методов защиты металлов от коррозии // Аллея науки. - 2019. -Т. 1, - № 3(30). - С. 709-713.
2. Есенин В.Н., Денисович Л.И. Стойкость металлических материалов в водных и водно-гликолевых растворах // Журнал прикладной химии. - 2008. - Т. 81. - № 11. - С. 1772.
3. Лыков А.С., Никитина Т.М. Способ переработки бумажной макулатуры, содержащей соединения тяжелых и цветных металлов // Патент на изобретение RU 2140476 C1, 27.10.1999. Заявка № 98100374/12 от 20.01.1998.
4. Казаков Я.В. Характеристики деформативности как основополагающий критерий в оценке качества целлюлозно-бумажных материалов: авторефер. ... д-ра техн. н. -Архангельск, 2015. - 47 с.
5. Шарая О.А. Водолазская Н.В. Способы повышения износостойкости изделий из чугуна путем упрочняющей обработки их поверхности // Инновации в АПК. - 2020. - № 4(28). - С. 106-116.
6. Козлова Т.В. [и др.] Исследования продуктов коррозии низкоуглеродистых сталей электрохимическими методами // Труды Академэнерго. - 2017. - № 3. - С. 108-125.
7. Памфилов Е.А., Лукашов С.В., Кузнецов С.В., Прозоров Я.С. Современные методы исследования коррозионно-механического изнашивания // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2015. - Т. 17. - №1. - С. 146.
8. Винникова О.С., Лукашов С.В., Пашаян А.А. Проблемы утилизации отработанных травильных растворов сталепрокатных заводов: новые подходы и решения // Экология и промышленность России. - 2010. - № 11. - С. 49-51.
9. Памфилов Е.А., Лукашов С.В., Прозоров Я.С. Модель механохимического разрушения деталей оборудования для производства технологической стружки // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. - 2012. - № 5 (329). - С. 108-116.
10. Лукашов С.В. Разработка сорбционно-каталитических способов утилизации сточных вод, содержащих формальдегид и хром (VI): дисс. ... к-та хим. наук. - Брянск, 2005.
Сведения об авторе
Савина П.К. - студент кафедры химии, ФГБОУ ВО «Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского», e-mail: savinapolina1501@mail.ru.
APPROACHES TO THE STUDY OF CORROSION OF CAST IRON AND STEEL IN
AQUEOUS SOLUTIONS OF PAPER PULP
P.K. Savina
Bryansk State University named after Academician I.G. Petrovsky
The purpose was determine directions study corrosion resistance cast iron in an acidic environment. The choice cast iron material as an object research is justified. The qualitative and quantitative composition of the sample selected for the study was investigated. The choice of methods for investigating the corrosion of cast iron in acidic solutions has been carried out. The surface of the object of study was studied using metallographic optical and probe microscopy methods. The method of inversion voltammetry for the quantitative determination of metal ions in the corrosive environment of aqueous solutions has been developed. It is shown that the obtained data can be used as a basis for the study of cast iron corrosion in aqueous media.
Keywords: polarograph, metal ions, inversion voltammetry, paper pulp, corrosion.
References
1. Abdiev D.A. Investigation of the physico-chemical essence of corrosion processes for substantiating methods of protecting metals from corrosion // Alley of Science. - 2019. - Vol. 1. - №3 (30). - Pp. 709-713.
2. Yesenin V.N. Denisovich L.I. Resistance of metallic materials in aqueous and water-glycol solutions // Journal of Applied Chemistry. - 2008. - Vol. 81, - №11. - P. 1772.
3. Lykov A.S., Nikitina T.M. A method for processing paper waste paper containing compounds of heavy and non-ferrous metals // Patent for invention RU 2140476 C1, 10/27/1999. Application No. 98100374/12 dated 20.01.1998.
4. Kazakov Ya.V. Characteristics of deformability as a fundamental criterion in assessing the quality of pulp and paper materials: abstract... S.D. in Technical Sciences. -Arkhangelsk, 2015. - 47 p.
5. Sharaya O.A. Vodolazskaya N.V. Ways to increase the wear resistance of cast iron products by strengthening their surface treatment / O.A. Sharaya, // Innovations in agriculture. -2020. - №4 (28). - Pp. 106-116.
6. Kozlova T.V. [et al.] Studies of corrosion products of low-carbon steels by electrochemical methods // Proceedings of Akademenergo. - 2017. - №3. - Pp. 108-125.
7. Pamfilov E.A., Lukashov S.V., Kuznetsov S.V., Prozorov Ya.S. Modern research methods of corrosion-mechanical wear // Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. - 2015. - Vol. 17. - №1. - P. 146.
8. Vinnikova O.S., Lukashov S.V., Pashayan A.A. Problems of utilization of spent pickling solutions of steel rolling plants: new approaches and solutions // Ecology and industry of Russia. - 2010. - №11. - Pp. 49-51.
9. Pamfilov E.A., Lukashov S.V., Prozorov Ya.S. Model of mechanochemical destruction of equipment parts for the production of technological chips // Izvestia of higher educational institutions. Forest magazine. - 2012. - № 5 (329). - Pp. 108-116.
10. Lukashov S.V. Development of sorption-catalytic methods of wastewater disposal containing formaldehyde and chromium (VI): diss. ... Ph. D. in Chemical Sciences. - Bryansk, 2005.
About author
Savina P.K. - student of the Department of Chemistry, Bryansk State University named after Academician I.G. Petrovsky, e-mail: savinapolina1501@mail.ru.
