CN108796385A

CN108796385A - 一种含钛耐蚀耐磨低成本打壳锤头材料及使用该材料制备锤头的方法

Info

Publication number: CN108796385A
Application number: CN201810623907.1A
Authority: CN
Inventors: 何成善; 刘国平
Original assignee: Jiuquan Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Jiuquan Iron and Steel Group Co Ltd
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2018-11-13

Abstract

本发明属于铝冶炼技术领域，公开了一种含钛耐蚀耐磨低成本打壳锤头材料及使用该材料制备锤头的方法，按质量百分比计，其成份组成为：C 0.15~0.24%，Cr 21~23%，Ni 4.5~6.5%，Mn 1~2%，Ti 0.6~0.9%，Mo 2.0~3.1%，Si 0.5~1.0%，N 0.1~0.2%，P≤0.03%，S≤0.01%，余量为Fe。本发明所述材料基体为奥氏体与铁素体的双相不锈钢组织，同时基体中大量形成碳化钛析出相骨架颗粒弥散分布于打壳锤头材料内，两者共同作用，使材料兼具超高硬度、高耐磨及抗电化学腐蚀性能，同时材料具有高强度、适当韧性，易于成型和焊接等综合性能。

Description

一种含钛耐蚀耐磨低成本打壳锤头材料及使用该材料制备锤头的方法

技术领域

本发明属于铝冶炼技术领域，尤其涉及一种含钛耐蚀耐磨低成本打壳锤头材料及使用该材料制备锤头的方法。

背景技术

目前，中部点式下料预焙铝电解槽是铝电解生产的主体设备。中部点式下料预焙槽的重要结构之一是打壳下料系统。作为打壳下料系统的工作部件—打壳锤头，在实际工况中，长时间频繁工作在强磁场、高温、强电流、高腐蚀介质的环境中，打壳动作时间间隔平均68秒，打壳时跟电解质壳面冲击摩擦，每次要浸泡在高达930℃（±5℃）的电解质中2-3秒。同时，由于打壳锤头与壳面摩擦，受到壳面的侧向力，产生电弧光，不断对锤头产生高温电化腐蚀。

基于使用工况的原因，现有打壳锤头的使用寿命普遍较短，检修职工在高磁场、高温区域更换锤头的劳动强度大，职业健康危害大。根据现场使用统计，普通材质如铸造ZG235，锻造Q235，在500KA铝电解槽的使用寿命低于2个月。稀土高铬钢为代表的打壳锤头在500KA铝电解槽的使用寿命也低于5个月。多年来，研究者还尝试了双金属复合铸造打壳锤头、耐磨堆焊打壳锤头等，其使用寿命由于材料本质特征均没有大的提高。在材料研究方面，开发了高组分碳化钨50%-70%+碳化钛5%-10%的材料，虽然具有高耐磨性能，但耐电化学腐蚀及耐冲击性能不足，价格较高。国外SNW209牌号材料，含碳0.20~0.3%，含铬19~21%，含镍8.0~10%，含钨2.0~2.6%；使用寿命较长，但锤头价格昂贵，材料技术由国外公司垄断。

因此，行业内急需一种抗电化学腐蚀、高耐磨、耐温并具有良好机械性能、性价比高（冲击韧性和强度）的打壳锤头材料。

发明内容

本发明针对已有技术的不足，提供一种含钛耐蚀耐磨低成本打壳锤头材料及使用该材料制备锤头的方法。

本发明所述的一种含钛耐蚀耐磨低成本打壳锤头材料，以总质量为基数，按质量百分比计，其成份组成为：C 0.15~0.24%， Cr 21~23%，Ni 4.5~6.5%，Mn 1~2%，Ti 0.6~0.9%， Mo 2.0~3.1%，Si 0.5~1.0%，N 0.1~0.2%，P ≤0.03%，S ≤0.01%，余量为Fe。

使用上述材料制备锤头的方法包括以下步骤：

第一步：冶炼，采用AOD精炼法，按照材料目标成分冶炼所述材料钢液；

第二步：浇注钢锭，利用已冶炼钢液，通过方坯连铸机浇铸生产方式，钢锭横截面尺寸为160mm-360mm；方坯横截面尺寸为：230mm-270mm，所述钢锭重量为18.5-19公斤的整数倍；

第三步：锻造，所述锻造的初锻温度不低于1250℃，所述锻造为二阶段锻造方法，第二阶段锻造在锻料直径尺寸与锻造终止尺寸偏差小于12mm后进行，末次锻造采用模锻，尺寸偏差控制在±1mm；

第三步：热轧，采用成熟的热轧工艺轧制生产棒料，尺寸偏差控制在±1mm，所述开轧温度不低于1250℃，终轧温度不低于850℃；

第四步：分段，利用锯床将锻造至尺寸符合要求的棒料分段；

第五步：奥氏体化热处理，加热温度1070±50℃，保温时间不低于30分钟，采用水浴淬火的奥氏体化热处理方式，水池水温不高于65℃。

本发明所述的一种含钨耐蚀耐磨低成本打壳锤头材料，由于质量分数4.5~6.5%的镍元素及21~23%铬元素的存在，在传统双相不锈钢生产工艺配合下将形成奥氏体+铁素体的双相不锈钢基体，具有硬度高、耐蚀、易于成型和焊接等综合的机械性能。同时由于质量分数0.6~0.9%钛元素的存在，双相不锈钢基体中大量形成了碳化钛析出相，碳化钛析出相进入双相不锈钢基体中使之形成高耐磨特性的碳化钛析出相骨架并弥散分布于打壳锤头材料内，显著提高了打壳锤头材料的硬度、抗蠕变特性及高耐磨性能。本发明所述的打壳锤头材料的制备方法，能够有效避免在铸造过程中材料存在的不均匀性，并能有效解决锻造时间长，成本高的问题。

具体实施方式

实施例1

一种含钛耐蚀耐磨低成本打壳锤头材料，锤头材质按重量百分比计，其成份组成为：C0.20%，Cr 22.4%，Ni 5.3%，Mn 1.6%，Mo 2.6%，Ti 0.76%，Si 0.71%，N 0.15%，P 0.025%，S0.008%，余量为Fe。

所述材料的基体组织是由奥氏体和铁素体两相组织构成的双相不锈钢组织。

所述奥氏体的不锈钢基体中形成了大量碳化钛析出相颗粒，碳化钛析出相颗粒均匀、弥散分布于打壳锤头材料内。

使用上述材料制备锤头的方法包括以下步骤

第一步：冶炼，采用AOD精炼法，按照材料目标成分冶炼所述材料钢液。

第二步：浇注钢锭，利用已冶炼钢液，可以通过方坯连铸机浇铸生产方式，钢锭横截面尺寸为160mm，优选方坯横截面尺寸为：230mm，能保障足够的压缩比并降低锻造成本；所述钢锭重量为18.5公斤的整数倍。

第三步：锻造，所述锻造的初锻温度不低于1250℃，锻温度低于850℃应及时加热，避免出现锻造裂纹；所述锻造为二阶段锻造方法，末次（第二阶段）锻造易在锻料直径尺寸与锻造终止尺寸偏差小于12mm后进行，末次锻造采用模锻，尺寸偏差为1mm。

第三步：热轧，采用成熟的热轧工艺轧制生产棒料，尺寸偏差为±1mm，所述开轧温度不低于1250℃，终轧温度不低于850℃。

第四步：分段，利用锯床将锻造至尺寸符合要求的棒料分段，分段尺寸符合图纸要求。

第五步：奥氏体化热处理，加热温度1070℃，保温时间不低于30分钟，采用水浴淬火的奥氏体化热处理方式，水池水流应通畅，水温不高于65℃，确保冷却速度。

第六步：机加成型，采用通用机加工艺按照图纸要求加工棒料至成品尺寸。

本实施例共生产7件锤头，其中6件供酒钢东兴铝业一期2421号电解槽（共计6套打壳部件，500KA）安装试用，2015年5月安装，6月启槽生产，2016年6月陆续下线，使用寿命最长12.5个月，最短11.8个月，试用效果良好。

实施例2

一种含钨耐蚀耐磨低成本打壳锤头材料，锤头材质按重量百分比计，其成份组成为：C0.15%，Cr 21%，Ni 6.5%，Mn 1.0%，Mo 3.1%，Ti 0.60%，Si 1.0%，N 0.1%，P 0.03%，S0.010%，余量为Fe。

使用上述材料制备锤头的方法包括以下步骤：

第二步：浇注钢锭，利用已冶炼钢液，可以通过方坯连铸机浇铸生产方式，钢锭横截面尺寸为360mm，优选方坯横截面尺寸为：270mm，能保障足够的压缩比并降低锻造成本；所述钢锭重量为19公斤的整数倍。

第三步：锻造，所述锻造的初锻温度不低于1250℃，锻温度低于850℃应及时加热，避免出现锻造裂纹；所述锻造为二阶段锻造方法，末次（第二阶段）锻造易在锻料直径尺寸与锻造终止尺寸偏差小于12mm后进行，末次锻造采用模锻，尺寸偏差为-1mm。

第三步：热轧，采用成熟的热轧工艺轧制生产棒料，尺寸偏差为1mm，所述开轧温度不低于1250℃，终轧温度不低于850℃。

第五步：奥氏体化热处理，加热温度1120℃，保温时间不低于30分钟，采用水浴淬火的奥氏体化热处理方式，水池水流应通畅，水温不高于65℃，确保冷却速度。

本实施例同样属于实验小批量。

本实施例共生产7件锤头，其中6件供酒钢东兴铝业一期2425号电解槽（共计6套打壳部件，500KA）安装试用，2015年5月安装，6月启槽生产，2016年6月陆续下线，使用寿命最长12.3个月，最短11.6个月，试用效果良好。

实施例3

一种含钨耐蚀耐磨低成本打壳锤头材料，锤头材质按重量百分比计，其成份组成为：C0.24%，Cr 23%，Ni 4.5%，Mn 2%，Mo 2.0%，Ti 0.9%，Si 0.5%，N 0.2%，P 0.03%，S 0.007%，余量为Fe。

使用上述材料制备锤头的方法的包括以下步骤：第一步：冶炼，采用AOD精炼法，按照材料目标成分冶炼所述材料钢液。

第二步：浇注钢锭，利用已冶炼钢液，可以通过方坯连铸机浇铸生产方式，钢锭横截面尺寸为300mm，优选方坯横截面尺寸为：250mm，能保障足够的压缩比并降低锻造成本；所述钢锭重量为19公斤的整数倍。

本实施例同样属于实验小批量。

本实施例共生产7件锤头，其中7件供酒钢东兴铝业一期2426号电解槽（共计6套打壳部件，500KA）安装试用，2015年5月安装，6月启槽生产，2016年6月陆续下线，使用寿命最长12.5个月，最短11.7个月，试用效果良好。

本发明所述碳元素，在含钛耐蚀耐磨低成本打壳锤头材料中的作用：材料中的碳是碳化钛析出相颗粒的形成元素；同时，由于碳是很强的奥氏体形成元素，在所述材料中起到促成奥氏体组织形成的作用。

本发明所述铬元素，在含钨耐蚀耐磨低成本打壳锤头材料中的作用：是材料耐电化学腐蚀的基础元素，其耐腐蚀性能随着铬含量的增加而增强，同时，铬属于铁素体形成元素，是铁素体基体的基础元素。此外，铬元素有效提高了所述高抗蠕变耐蚀打壳锤头材料的高温耐氧化性能。

本发明所述镍元素，在含钨耐蚀耐磨低成本打壳锤头材料中的作用：是材料形成奥氏体化组织，延缓材料腐蚀、提供材料抗冲击韧性及高强度的基础元素。

本发明所述钛元素，在含钨耐蚀耐磨低成本打壳锤头材料中的作用：是材料形成碳化钛析出相的基础元素，材料充分利用碳化钛硬度高、耐腐蚀、热稳定性好的特点，大量碳化钛析出相颗粒弥散分布于奥氏体+铁素体双相不锈钢基体，赋予材料高抗蠕变特性及高耐磨性能。

本发明所述锰元素，在含钛耐蚀耐磨低成本打壳锤头材料中的作用：用来提高材料的热延展性，使材料抗冲击韧性进一步加强。同时，锰作为奥氏体组织的稳定元素，促进奥氏体基体组织的形成。

本发明所述硅元素，在含钛耐蚀耐磨低成本打壳锤头材料中的作用：用来增强材料高温条件下的抗氧化性能，使材料更适宜电解铝打壳的耐高温氧化工况。

本发明所述钼元素，在含钛耐蚀耐磨低成本打壳锤头材料中的作用：钼能显著提高抗全面腐蚀和局部腐蚀能力。它一定程度上提高了不锈钢的机械性能并且促成铁素体结构，钼也能促进铁素体－奥氏体相的形成。

本发明所述氮元素，在含钛耐蚀耐磨低成本打壳锤头材料中的作用：氮是很强的奥氏体形成元素，它显著促成奥氏体结构。它还能显著提高钢的机械性能。氮能提高耐局部腐蚀能力，特别是在钢中同时含有钼的时候。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明所述的打壳锤头材料，其奥氏体+铁素体的双相不锈钢基体组织，提供了材料耐磨损腐蚀和疲劳腐蚀性能，同时具有硬度高、易于成型和焊接等综合的机械性能。此外，材料充分利用了大量弥散分布的碳化钛析出相颗粒骨架具有的稳定、高抗蠕变、硬度特性，使材料具备了高抗蠕变、耐高温及高耐磨特性于一体的综合物理、化学性能。利用该材料生产的打壳锤头使用寿命达12个月以上，与同类锤头使用寿命介于2～9个月相比，寿命提高1.3～6倍。

2、该发明是针对电解铝厂现有打壳锤头使用寿命短，更换打壳锤头劳动强度大，定向研发的新材料。使用寿命大幅提高，工人现场的更换次数相应下降，降低了现场职工的劳动强度。

3、推广应用价值大，该发明是针对现有打壳锤头使用寿命短而定向研发的新材料，具有耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗冲击载荷的综合性能，优良的性使其在冶金、化工、机械制造行业具有推广价值，应用前景广。

Claims

1.一种含钛耐蚀耐磨低成本打壳锤头材料，其特征在于：以总质量为基数，按质量百分比计，其成份组成为：C 0.15~0.24%， Cr 21~23%，Ni 4.5~6.5%，Mn 1~2%，Ti 0.6~0.9%， Mo2.0~3.1%，Si 0.5~1.0%，N 0.1~0.2%，P ≤0.03%，S ≤0.01%，余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的钛耐蚀耐磨低成本打壳材料为原料制备锤头的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：