鎂陽極

鎂是電化學陰極保護工程中常用的一種犧牲陽極材料，具有較高的化學活性，它的電極電位較負，驅動電壓高。同時，鎂表面難以形成有效的保護膜。因此，在水介質中，鎂表面的微觀腐蝕電池驅動力大，保護膜易於溶解，鎂的自腐蝕很強烈，在陰極上發生析氫反應2H++2e— H2。鎂基犧牲陽極有純鎂、Mg-Mn系合金和Mg-AI-Zn-Mn系合金等三類，其共同的特點是密度小、理論電容量大、電位負、極化率低，對鋼鐵的驅動電壓很大(>0.6V)，適用於電阻率較高的土壤和淡水中金屬構件的保護。

基本介紹

• 中文名：鎂陽極
• 類屬：化學
• 詞性：名詞
• 分類：化學名詞

犧牲陽極種類

純鎂犧牲陽極

鎂為活潑金屬，其電化學性能受雜質和合金元素的影響很大。當其含有少量雜質，特別是含有析氫過電位較低的雜質時，會使鎂的自溶傾向增大，電流效率降低。鎂中的一些雜質元素，如Fe, Co, Mn是以單質的形式固溶於鎂基體中的，而另一些雜質，如Al, Zn, Ni, Cu等元素則易與鎂形成金屬間化合物，無論哪類雜質元素，它們相對於鎂固溶體都呈現出強烈的陰極性，能增大析氫的有效面積，進一步增大鎂的腐蝕速度。儘可能降低純鎂陽極中雜質元素的含量是必要的。雜質元素的質量分數(%)應控在:Zn<0.03. Mn<0.01. Fe<0.02, Ni<0.001 } Cu<0.001. Si<0.01.但這給純鎂陽極的生產帶來了困難。一般採用合金化方法，向工業鎂中加入一定量的合金元素如Mn, Al, Zn等，就可消除雜質元素的不良影響，獲得性能優良的鎂合金犧牲陽極材料。一般的純鎂陽極由於電流效率很低(僅為30%左右)，使用壽命短，故己很少使用

Mg-Mn犧牲陽極

錳在鎂中的溶解度為3.4%，如果熔煉方法控制適當，可得到含有少量Mn晶體的Mg-Mn單相固溶體組織。錳是控制鎂中雜質的一種很有效的淨化元素，可消除雜質的不良影響，降低鎂的自腐蝕速度。在鎂合金熔煉過程中，錳與鐵能生成比較大的Fe-Mn化合物而沉積於溶體底部，而殘留在合金中的鐵則溶解於錳中或被錳所包圍，不產生陰極雜質的有害作用。但Mn在鎂合金中有偏析現象，過量的Mn反而會造成合金耐蝕性及塑性的下降。國內外生產的Mg-Mn系合金陽極的錳含量一般為0.5%-1.3%，所允許的雜質鐵和銅的含量分別小於0.03%和0.02%，比純鎂陽極中允許的雜質量高出十多倍。錳的另外一個作用是使Mg-Mn陽極在腐蝕溶解時，在鎂合金表面形成比氫氧化鎂膜更具保護作用的水化二氧化錳膜，使析氫作用進一步減弱。 有人將少量的鈣添加到Mg-Mn合金中，研究開發出一種高性能的Mg-Mn-Ca合金犧牲陽極材料，其含0.26%Mn和0.14%Ca。與Mg-Mn合金(Mg-1.27Mn )相比，該新型合金陽極的電流效率顯著提高，達到62.36% (Mg-Mn合金為50.94%)，且其驅動電壓也有所增大。據研究認為加入鈣後使合金晶粒細化，並且在鎂基體的晶界上析出了Mg2Ca陰極性化合物，從而降低了晶間腐蝕傾向，減少了晶粒的剝落，使合金的溶解變得均勻。這是Mg-Mn-Ca合金具有較優電化學性能的主要原因。

Mg-A1-Zn-Mn

根據鋁和鋅的含量不同，性能不同，其中性能較好和獲得廣泛套用的主要是Mg-6Al-3Zn-Mn合金，其表面溶解均勻，電流效率大於50%.鋁是陽極中的主要合金元素，可與鎂形成Mg17 A112強化相，提高合金的強度。但向工業鎂中單獨添加鋁時，可形成大量的Mg Al, Mg2A13, Mg4 A13等金屬間化合物，這些金屬間化合物的存在，都會增大鎂的自腐蝕速度、加速固溶體的破壞。鋅可降低鎂的腐蝕率，減小鎂的負差異效應，提高陽極電流效率。微量的錳可抵消雜質鐵、鎳的不良影響。當錳的添加量為0.3%時，可使鐵的允許含量達到0.02%，但同時也會降低電流效率。因此，雜質鐵的含量以及相應的錳含量應儘可能低。鋁、鋅、錳的同時存在可進一步降低對工業鎂中的雜質元素含量的要求。為了獲得良好的電化學性能，Mg-AI-Zn-Mn系合金的雜質含量應嚴格控制。在相近的合金成分條件下，雜質少的合金的電流效率明顯高於含雜質多的合金。

陰極保護是基於電化學腐蝕原理的一種防腐蝕手段。美國腐蝕工程師協會對陰極保護的定義是：通過施加外加的電動勢把電極的腐蝕電位移向氧化性較低的電位而使腐蝕速率降低。犧牲陽極陰極保護就是在金屬構築物上連線或焊接電位較負的金屬,如鋁、鋅或鎂。陽極材料不斷消耗,釋放出的電流供給被保護金屬構築物而陰極極化，從而實現保護。外加電流陰極保護是通過外加直流電源向被保護金屬通以陰極電流，使之陰極極化。該方式主要用於保護大型或處於高土壤電阻率土壤中的金屬結構。

保護電位是指陰極保護時使金屬腐蝕停止（或可忽略）時所需的電位。實踐中，鋼鐵的保護電位常取-0.85V（CSE），也就是說，當金屬處於比-0.85V（CSE）更負的電位時，該金屬就受到了保護，腐蝕可以忽略。

化學反應方程式

陽極反應：Mg－2e→Mg2+

陰極反應：H2O+ O2+2e →2OH－

鎂犧牲陽極的作用是使陰極（如鋼鐵等金屬）的腐蝕速率降低，達到保護陰極的目的。

鎂合金保護陰極的基本前提是陰極在沒有外加干擾的情況下的腐蝕屬於電化學腐蝕（即腐蝕的過程有電流產生），但並不是所有的電化學腐蝕都能用犧牲陽極來保護，具體的套用過程中應具備以下條件：

1）腐蝕介質必須是能導電的，以便能建立連續的電路。

2）被保護的金屬材料所處的介質中要容易進行陰極化，否則耗電量大，不易進行陰極保護。

3）對於複雜的金屬設備或構築物，要考慮幾何上的禁止作用，防止保護電流的不均勻性。

4）電絕緣（陰陽極之間）

5）電連續性（陰極系統間）

6）罐內保護禁止用鎂合金犧牲陽極。

根據用途的不同，鎂合金犧牲陽極的形狀和尺寸也不相同，通常所用的D、S型陽極主要用在土壤環境中，帶狀陽極主要套用於高電阻率的土壤、淡水及空間狹窄的局部場合。

元素的作用

Mn：錳易同有害雜質元素化合，從而消除了Fe對合金耐腐蝕性能的影響，使腐蝕速率大大降低。錳與鐵形成Mn－Fe化合物，由於重力的作用使化合物沉澱在坩堝底部，其餘沒有形成化合物的Fe被錳包圍，從而大大減少了其對合金耐腐蝕性能的影響，提高了電流效率，為減少Fe在陽極中的危害，Fe：Mn的比例應小於0.032。

Fe：Fe在陽極中的溶解度很小，在合金液結晶的過程中，Fe析出在晶界上與鎂形成一個電偶對，由於Fe與Mg的之間存在較大的電位差，所以容易產生電流，使陽極自溶傾向加重，加快了合金的腐蝕速率，降低了陽極的電流效率。

Ni：與鎂形成化合物Mg2Ni，以網狀形式分布在晶界上面，從而會加重鎂陽極的腐蝕，降低電流效率。

Cu：與鎂形成Mg2Cu，或MgCu2，分布於晶界，增大了鎂陽極的自腐蝕從而降低陽極的電流效率。

Si:在鎂中的溶解度很小，與鎂形成Mg2Si分布在晶界和晶內，與Fe共存的時候，加大了鎂合金的自溶傾向，使陽極 的電流效率降低。

Al：高電位中的鋁是有害元素，它能與鎂形成陰極相，加快腐蝕速率，鋁的存在還降低了錳在鎂中的溶解度。

低電位陽極中主要元素的作用：

Al：鋁與鎂形成Mg17Al12相， Mg17Al12以網狀或島狀分布在晶界附近，由於Mg17Al12有較好的耐腐蝕性，所以使合金整體的耐蝕性提高。

Zn：鋅的添加可以提高合金的抗海水腐蝕的能力，主要是因為鋅降低了Fe、 Ni等雜質的危害。

Mn：錳在低電位陽極中的主要作用就是淨化，他的原理和高電位的相同。

陽極的熔煉

陽極的熔煉直接關係到陽極的質量，原材料的品質、所使用熔劑、熔煉方法、裝備等，都是影響陽極質量的因素。

原料：爐料必須是乾燥的，沒有油、氧化物、砂土、和鏽蝕等污染，並且不能混有異種金屬。

熔劑：熔劑主要有兩種作用，覆蓋作用和精煉作用。覆蓋劑的熔點較低，密度小，在合金熔化的過程中，在合金液表面形成一層連續、完整的覆蓋層，隔絕空氣和水汽，防止鎂的氧化或抑制鎂的燃燒。精煉劑對夾雜物有良好的潤濕、吸附能力，並利用熔劑與熔體的密度差把金屬夾雜物隨同溶劑自熔體中排出去。

熔劑的質量直接影響了合金的質量，所以熔劑的選擇要嚴格控制雜質的含量。

熔劑材料的要求：

1）能夠減少或防止熔體表面的氧化或燃燒。

2）溶劑與熔體容易分離，能夠有效地去除熔體中夾雜物。

3）不含對熔體有害的夾雜物和雜質元素。

4）對環境無污染，原材料損耗低。

5）原料來源廣，價格低廉，不會明顯增加材料的生產成本。

熔煉過程的控制：鎂是很活潑的元素，在熔煉過程中很容易被氧化（燃燒），鎂燃燒時表面形成一層氧化鎂薄膜，氧化鎂是良好的保溫材料，而且疏鬆多孔，當鎂燃燒時放出大量的熱，但是由於氧化鎂的絕熱效果，使這些熱量很難散出去，外界的冷空氣也不容易進來，這樣造成惡性循環，使表面溫度急劇升高，鎂溶液的氧化也就越來越嚴重。所以在鎂合金熔煉的過程中要用適當的方法來將鎂熔體與空氣隔絕。一般有熔劑保護和氣體保護兩種。

熔劑保護：前文說的覆蓋劑。

氣體保護：主要有SF6、SO2等氣體。他們的保護方式都是在合金液的表面形成一層緻密的薄膜，隔絕空氣。

Mg+SO2→MgO+MgS

Mg+O2 →MgO

MgO+SF6 →MgF2+SO2F2

在使用FS6氣體保護時，如果含有水蒸氣，會大大加劇鎂的氧化，還會生成有毒性氣體HF。

鎂合金中夾雜物的去除：鎂合金中的夾雜物與熔體之間存在一定的密度差，加入溶劑後，溶劑將夾雜物吸附，然後自然沉降在坩堝底部。

鎂合金的澆鑄過程應注意安全，要求生產人員使用面罩和勞保服，在澆鑄過程中要嚴格控制水汽的危害，只要有水汽的存在就會增加熔體發生爆炸和著火的危險，尤其是當水汽與鎂熔體接觸時，會產生潛在的爆炸源H2。

H2O+Mg（L）=MgO+H2+Q

H2+O2=H2O+Q

由此循環的不斷放熱，使鎂熔體表面的溫度急劇上升，導致鎂熔體的燃燒和爆炸。

計算輸出電流

IMG=150000×F×Y/p
式中：IMG----單支鎂陽極的輸出電流，mA；
F------重量修整係數
Y------電位修正係數
p------土壤電阻率，Ω.m
我們在設計中根據《給水排水設計手冊》，取F為1.16；Y為 0.93；p按實測當地土壤電阻率取平均值為2100Ω.com。經計算得IMG=77mA。
（2）每組鎂陽極支數計算式為：
N=b×IA/IMG
式中：b---備用係數，根據寧波地區土壤電阻率低的情況，取2；
IA----每組陽極需輸出保護電流，mA；我們在實施中取每組陽極保護長度為250m，最小保護電流密度取0.15mA/m2，被保護管道管徑為1.6m。則IA=0.15×1.6×3.14×250=188.4mA。所以：N=2×188.4/77= 4.89≈5支。
（3）陽極使用壽命來訪者睬用美國HARCO防腐公司的經驗公式：
T=57.08Wη /IMG
式中：W-----為單支陽極重量（磅）；我們採用鎂陽極質量為14kg,乘以2.2化為重量磅數。
η -----為係數，通常取0.75。
則設計壽命為：T=57.08×14×2.2×0.75/77≈17年。

市場現狀

中國防腐材料行業在國內的發展已日趨成熟，隨著行業及國家標準的日趨完善，陰極保護專業技術與實際性能也越來越被長輸管線及儲油罐大型項目的投資者所青睞，過去投資過的項目通過幾年的檢測與評估確實達到了良好的效果。怎樣做到投資與效果統一，必須做到設計現場實際測量考察且選擇知名度較高、技術過硬的防腐材料廠家。

國內做防腐材料設計過硬的設計院：中國石油西南設計院、勝利油田設計院、華北設計院等。

國內知名度較高的防腐材料的廠家包括有：焦作市益瑞合金、焦作市成邦防腐材料等。

套用

主要性能

極高的電化學性能、陽極消耗均勻、壽命長、單位質量發電量大，是理想的犧牲陽極材料，適用於土壤、淡水介質中金屬構築物的陰極保護。

使用範圍

犧牲陽極陰極保護方法中，鎂陽極可用於電阻率在20歐.米到100歐.米的土壤或淡水環境。