CN108486481A - 一种铝电解槽打壳复合锤头的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备Fe‑Cr‑Mn‑C‑B/25CrMnSi铝电解槽打壳复合锤头的制备方法，属于双金属复合材料领域。本发明以Fe‑Cr‑Mn‑C‑B合金为打壳锤头，以焊接性能优异的ZG25CrMnSi低合金高强度钢为锤柄，通过采用铸造的方法将两种材料复合在一起，有效地提高了打壳锤头的使用寿命。

Description

一种铝电解槽打壳复合锤头的制备方法
技术领域
本发明涉及一种制备Fe-Cr-Mn-C-B/25CrMnSi铝电解槽打壳复合锤头的制备方法，属于双金属复合材料领域。
背景技术
在铝电解生产过程中打壳锤头的作用是将预焙阳极铝电解槽的进料口打开，以便让氧化铝原料能够顺利进入电解质中溶解，从而，保持铝电解生产过程持续和正常进行。因此，打壳锤头是铝电解生产下料系统的重要零部件之一。
打壳锤头的工作环境恶劣，损耗速度快。锤头在工作过程中频繁地会受到高温冰晶石、氧化铝电解质熔盐和铝液的腐蚀，并且，与高硬度的氧化铝结壳不断地摩擦，导致打壳锤头在短期内严重磨损和腐蚀而报废。我国打壳锤头一般都使用低硬度的Q235铸钢造或锻钢制备，其耐磨、耐蚀和抗氧化能力差，所以，我国打壳锤头的使用寿命非常低。打壳锤头的快速消耗不但增加了金属铝的生产成本，而且还将杂质元素铁带入了铝液中，污染了铝液、降低了铝锭的纯度和品质。另外，频繁地更换打壳锤头也增加了工人的工作量和安全生产的隐患。所以，开发新型抗磨、耐高温和抗腐蚀的打壳锤头对于金属铝生产是十分重要的。
为了提高打壳锤头的使用寿命人们多年来研究了多种方法以提高其抗磨、耐高温和抗腐蚀的能力。打壳锤头表面改性是最常用的方法之一。常用的表面改性方法有渗碳、渗氮、渗硼等。然而，由于渗层较薄，一般仅有十几微米到几百微米，所以，渗透表面改性方法对提高打壳锤头的使用寿命是十分有限的；热喷涂是另外一种经常被采用的表面改性方法。但是，涂层与基体之间是机械结合。锤头使用过程中在频繁地热应力和冲击力的作用下涂层会从表面成片脱落而失效。虽然喷砂处理能增强结合强度，但是，喷砂处理却使砂粒经常残留在工件表面。所以，热喷涂技术对提高打壳锤头的使用寿命也是有限的。实践证明：与渗碳、渗氮、渗硼和热喷涂等表面处理方法相比，堆焊是一种行之有效的方法。因为表面堆焊可以使锤头得到厚度大、合金含元素含量高的高合金复合层。该高合金复合层具有优良的抗磨、耐高温和耐腐蚀能力。然而，堆焊工艺复杂、成本高。打壳锤头堆焊一定厚度的合金层后会显著提高其生产成本。
除表面改性处理之外，提高打壳锤头使用寿命的另外一种有效方法是改变打壳锤头的材质，即：使用耐磨、耐腐蚀和抗氧化的材料代替Q235钢。其中，耐热钢是经常的选择之一。耐热钢含碳量低，含Cr、Ni、Mo等合金元素量高，具有优异的耐腐蚀和抗氧化性能。然而，由于耐热钢合金含量高，所以，其焊接性能较差，并且，耐热钢硬度低，耐磨性差。所以，耐热钢打壳锤头存在着锤头与锤杆焊接连接等方面的问题。况且，耐热钢的生产成本高。所以，耐热钢不是制造打壳锤头的理想材质。除了耐热钢之外，许多打壳锤头选用高铬铸铁进行制备，这是因为高铬铸铁具有高硬度、高耐磨性和抗高温氧化性能。实践证明：以高铬铸铁为打壳锤头材质，并采用复合铸造的方法制备的复合打壳锤头不但解决了锤头与锤杆的连接问题，而且，显著地提高了打壳锤头的使用寿命。然而，高铬铸铁的不足之处是抗腐蚀能力较差，特别是是抗铝液腐蚀的能力差。所以，高铬铸铁也不是制备打壳锤头的理想材质。因此，开发同时兼具抗磨、耐高温和耐铝液腐蚀综合能力优异的打壳锤头材质对于显著提高锤头的使用寿命具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于采用耐磨、耐腐蚀和抗高温氧化的Fe-Cr-Mn-C-B合金与低合金高强度铸钢ZG25CrMnSi相结合制备铝电解槽打壳复合锤头，从而，显著提高其使用寿命。
本发明采用的技术解决方案的工艺步骤如下：
1、一种采用Fe-Cr-Mn-C-B耐磨合金制备铝电解槽打壳机复合锤头的工艺，其特征如下：
(1)打壳锤头为Fe-Cr-Mn-C-B高耐磨、耐腐蚀和抗氧化的铁基合金；
(2)锤柄为ZG25CrMnSi低合金高强度铸钢；
(3)ZG25CrMnSi铸钢在中频感应电炉或电弧炉中熔炼，采用砂型或V-EPC真空消失模铸造方法成型；
(4)将制备好的ZG25CrMnSi铸钢锤柄呈波浪状的复合部位插入用EPS泡沫塑料制成的复合打壳锤头的白模模型中；然后，在白模模型的外表涂覆1-2mm厚的镁砂粉基防粘砂涂料、烘干制备出EPS复合打壳锤头模型；
(5)Fe-Cr-Mn-C-B合金熔液在中频感应电炉或电弧炉中熔炼，采用V-EPC真空消失模铸造方法浇铸复合打壳锤头；
(6)将复合打壳锤头进行热处理；
(7)使用时将复合锤头的锤柄与锤杆通过焊接连接即可。
进一步地，步骤(1)中，所述复合打壳锤头的锤头材质为Fe-Cr-Mn-C-B铁基合金，其化学成分为：0.15-0.65wt％C、0.15-0.65wt％Si、6.5-9.0wt％Mn、3.5-6.5wt％Cr、0.8-1.2wt％Ni、2.5-3.5wt％B、0.15-0.2wt％Ti、S≤0.02wt％、P≤0.03wt％，余量为Fe。
进一步地，步骤(2)中，所述复合打壳锤头的锤柄材质为ZG25CrMnSi低合金高强度铸钢，其化学成分为：0.22-0.28wt％C、0.9-1.2wt％Si、0.8-1.1wt％Mn、0.8-1.1wt％Cr、S≤0.035wt％、P≤0.035wt％，余量为Fe。
锤柄的直径与锤杆相同，所谓锤杆即为连接打壳机与锤柄的一段钢棒或钢管。锤柄的长度为1-1.5倍打壳锤头的高度。为了提高打壳锤头与锤柄的连接强度，在锤柄模型(砂型铸造时为木模，V-EPC真空消失模铸造时为EPS白模模型)任意一端1/2长度的两个对称表面上加工出连续向外凸起的半圆形波浪。其中，每一个波浪的高度等于1/4锤柄直径、跨度等于1/2锤柄直径。
进一步地，步骤(3)中，所述采用V-EPC真空消失模铸造方法时，锤柄EPS白模模型的外表要涂覆1-2mm厚的镁砂粉基防粘砂涂料，然后，进行烘干，烘干温度50℃-70℃，烘干至水分低于≤3wt％即可。
当ZG25CrMnSi锤柄铸件冷却到室温后，翻箱取出，割掉浇冒口，并进行表面清砂和抛丸处理。
进一步地，步骤(4)中，所述制备EPS复合打壳锤头模型时，在锤头EPS白模模样一端的中心位置挖出一个直径等于锤柄、长度为锤头高度一半的圆洞。将ZG25CrMnSi锤柄波浪状部位插入这个圆洞中，并将铸钢锤柄与白模锤头模型的接触处用胶带纸密封以防止防粘砂涂料和水分进入两者之间的缝隙中。
进一步地，步骤(5)中，所述复合打壳锤头铸件冷却到室温后，翻箱取出，割掉浇冒口，并进行表面清砂处理。
进一步地，步骤(6)中，所述复合打壳锤头的热处理工艺为：1050℃奥氏体化加热，之后，空冷至室温，最后550℃回火处理。
Fe-Cr-B合金是近年来开发的一种新型耐磨、耐热和耐腐蚀的铁基合金。该合金的显微组织中因含有大量高硬度的M2B硼化物，所以，Fe-Cr-B合金的耐磨性能优异。另外，研究业已表明：M2B硼化物在铝液中稳定性高，具有优异地抗铝液侵蚀的能力。并且，Fe-Cr-B合金含碳量较低、含Cr量较高。所以，Fe-Cr-B合金又具有优异地抗氧化能力。Fe-Cr-Mn-C-B合金是一种在Fe-Cr-B合金的基础上新开发出的合金。该合金兼有Fe-Cr-B合金的各种优点，并且，显著地降低了铬含量，适当增加了锰含量，可以在确保M2B硼化物体积百分数不减少或有增加的情况下因残余奥氏体的增加而使韧性略有改善。从而，有效地降低了Fe-Cr-B合金的生产成本。本发明以Fe-Cr-Mn-C-B合金为打壳锤头，以焊接性能优异的ZG25CrMnSi低合金高强度钢为锤柄，通过采用铸造的方法将两种材料复合在一起，有效地解决了打壳锤头制备中所存在的各种问题。
实践证明：Fe-Cr-Mn-C-B/25CrMnSi复合打壳锤头的使用寿命是Q235锤头的8倍以上，高于其他各种类型和方法制成的打壳锤头。并且，其性能价格比也是各类打壳锤头最佳的。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
实施例1
某铝业公司240KA电解槽使用的打壳锤头为Φ95mm×450mm的圆钢棒,锤杆为Φ50mm的Q235钢钢棒。制备Fe-Cr-Mn-C-B/25CrMnSi复合打壳锤头时，首先用EPS泡沫塑料制作锤柄的白模模样，其尺寸为Φ50mm×500mm。然后，在锤柄白模模样一端250mm长度的两个对称表面上加工出连续向外凸起的半圆形波浪。其中，每一个波浪的高度23.75mm、跨度47.5mm。之后，将整个锤柄EPS模样涂覆1-2mm厚的镁砂粉基防粘砂涂料，并在50℃的烘箱内干燥24小时或在自然环境中充分干燥，使水分含量低于3wt％。
将锤柄EPS模样及浇注系统置于真空消失模(V-EPC)铸造专用砂箱中，用40～50目的干石英砂填埋。然后，将之置于振实台上振动紧实。砂箱的上部用塑料薄膜覆盖，安放浇口杯，抽真空等待浇注。
在中频感应电炉中熔炼ZG25CrMnSi钢。控制锤柄ZG25CrMnSi的化学成分为：0.25wt％C、0.95wt％Si、1.0wt％Mn、1.0wt％Cr、0.03wt％S和0.03wt％P。钢水在经过预脱氧、扒渣、测温后浇注到锤柄的EPS白模模样中。待铸件冷却到室温后，从砂型中翻出铸件，割掉浇冒口，清理掉铸件表面的粘砂和涂料，之后，进行抛丸处理。
用EPS泡沫塑料制作锤头的白模模样。制作时在锤头EPS白模模样一端的中心位置上挖出一个Φ50mm×250mm的洞。然后，将ZG25CrMnSi锤柄波浪状部位插入这个圆洞中。将铸钢锤柄与白模锤头模型的接触处用胶带纸密封以防止防粘砂涂料和水分进入两者之间的缝隙中。之后，将整个复合锤头的EPS模样涂覆1-2mm厚的镁砂粉基防粘砂涂料，在50℃的烘箱内将EPS模样干燥24小时或在自然环境中充分干燥，使水分含量低于3wt％。将EPS模样及浇注系统置于消失模(V-EPC)专用砂箱中，用40～50目的干石英砂填埋。然后，将之置于振实台上振动紧实。砂箱的上部用塑料薄膜覆盖，安放浇口杯，抽真空等待浇注。
在中频感应电炉中熔炼Fe-Cr-Mn-C-B合金。控制耐磨合金的化学成分为：0.32wt％C、0.35wt％Si、7.5wt％Mn、3.8wt％Cr、1.2wt％Ni、2.8wt％B、0.15wt％Ti、0.012wt％S、0.025wt％P。合金熔液在经过预脱氧、扒渣、加铝脱氧、加钛铁定氮和测温后浇注到复合锤头的EPS模样中。
复合锤头冷却到室温后，翻箱取出铸件，割掉浇冒口，并清理打磨表面。之后，将复合锤头在1050℃奥氏体化加热，然后空冷淬火+550℃回火处理。
使用时将复合锤头与锤杆焊接连接即可。
实际使用结果表明：Fe-Cr-Mn-C-B/25CrMnSi铝电解槽打壳复合锤头的使用寿命是常规Q235钢锤头的8倍。

Claims (8)

1.一种铝电解槽打壳复合锤头的制备方法，所述复合锤头的打壳锤头为Fe-Cr-Mn-C-B高耐磨、耐腐蚀和抗氧化的铁基合金，锤柄为ZG25CrMnSi低合金高强度铸钢，其特征在于，制备方法具体步骤如下：
(1)ZG25CrMnSi铸钢在中频感应电炉或电弧炉中熔炼，采用砂型或V-EPC真空消失模铸造方法成型；
(2)将制备好的ZG25CrMnSi铸钢锤柄呈波浪状的复合部位插入用EPS泡沫塑料制成的复合打壳锤头的白模模型中；然后，在白模模型的外表涂覆1-2mm厚的镁砂粉基防粘砂涂料、烘干制备出EPS复合打壳锤头模型；
(3)Fe-Cr-Mn-C-B合金熔液在中频感应电炉或电弧炉中熔炼，采用V-EPC真空消失模铸造方法浇铸复合打壳锤头；
(4)将复合打壳锤头进行热处理；
(5)使用时将复合锤头的锤柄与锤杆通过焊接连接即可。
2.如权利要求1所述的一种铝电解槽打壳复合锤头的制备方法，其特征在于，所述复合打壳锤头的锤头材质为Fe-Cr-Mn-C-B铁基合金，其化学成分为：0.15-0.65wt％C、0.15-0.65wt％Si、6.5-9.0wt％Mn、3.5-6.5wt％Cr、0.8-1.2wt％Ni、2.5-3.5wt％B、0.15-0.2wt％Ti、S≤0.02wt％、P≤0.03wt％，余量为Fe。
3.如权利要求1所述的一种铝电解槽打壳复合锤头的制备方法，其特征在于，所述复合打壳锤头的锤柄材质为ZG25CrMnSi低合金高强度铸钢，其化学成分为：0.22-0.28wt％C、0.9-1.2wt％Si、0.8-1.1wt％Mn、0.8-1.1wt％Cr、S≤0.035wt％、P≤0.035wt％，余量为Fe。
4.如权利要求1所述的一种铝电解槽打壳复合锤头的制备方法，其特征在于，锤柄的直径与锤杆相同，所谓锤杆即为连接打壳机与锤柄的一段钢棒或钢管；锤柄的长度为1-1.5倍打壳锤头的高度；为了提高打壳锤头与锤柄的连接强度，在锤柄模型任意一端1/2长度的两个对称表面上加工出连续向外凸起的半圆形波浪；其中，每一个波浪的高度等于1/4锤柄直径、跨度等于1/2锤柄直径；锤柄模型砂型铸造时为木模，V-EPC真空消失模铸造时为EPS白模模型。
5.如权利要求1所述的一种铝电解槽打壳复合锤头的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述采用V-EPC真空消失模铸造方法时，锤柄EPS白模模型的外表要涂覆1-2mm厚的镁砂粉基防粘砂涂料，然后，进行烘干，烘干温度50℃-70℃，烘干至水分低于≤3wt％即可；当ZG25CrMnSi锤柄铸件冷却到室温后，翻箱取出，割掉浇冒口，并进行表面清砂和抛丸处理。
6.如权利要求1所述的一种铝电解槽打壳复合锤头的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述制备EPS复合打壳锤头模型时，在锤头EPS白模模样一端的中心位置挖出一个直径等于锤柄、长度为锤头高度一半的圆洞；将ZG25CrMnSi锤柄波浪状部位插入这个圆洞中，并将铸钢锤柄与白模锤头模型的接触处用胶带纸密封以防止防粘砂涂料和水分进入两者之间的缝隙中；将整个复合锤头的EPS模样涂覆1-2mm厚的镁砂粉基防粘砂涂料，在50℃的烘箱内将EPS模样干燥24小时或在自然环境中充分干燥，使水分含量低于3wt％。
7.如权利要求1所述的一种铝电解槽打壳复合锤头的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述复合打壳锤头铸件冷却到室温后，翻箱取出，割掉浇冒口，并进行表面清砂处理。
8.如权利要求1所述的一种铝电解槽打壳复合锤头的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述复合打壳锤头的热处理工艺为：1050℃奥氏体化加热，之后，空冷至室温，最后550℃回火处理。
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