CN108796387B

CN108796387B - 一种含钨耐蚀耐磨材料及利用该材料制备打壳锤头的方法

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Publication number: CN108796387B
Application number: CN201810623958.4A
Authority: CN
Inventors: 刘国平; 何成善
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: 2020-05-15
Anticipated expiration: 2038-06-15
Also published as: CN108796387A

Abstract

本发明涉及铝冶炼技术领域，具体涉及一种含钨耐蚀耐磨材料及利用该材料制备打壳锤头的方法。该材料按重量百分比计包括以下成分：C 0.15‑0.25%，Cr 21‑23%，Ni 4.5‑6.5%，Mn 1‑2%，Mo 2‑3%，W 2.0‑3.2%，Si 0.5‑1.0%，N 0.1‑0.2%，P≤0.05%，S≤0.01%，余量为Fe。利用该材料冶炼、生产钢锭、锻造或热轧、分段、奥氏体化热处理、机加成型等步骤做成打壳锤头。该材料具有硬度高、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2.0‑3.2%钨元素的存在、双相不锈钢基体中大量形成了碳化钨析出相，碳化钨析出相进入双相不锈钢基体中使之形成高抗蠕变及高耐磨特性的碳化钨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、高抗蠕变特性及高耐磨性能。

Description

一种含钨耐蚀耐磨材料及利用该材料制备打壳锤头的方法

技术领域

本发明涉及铝冶炼技术领域，具体涉及一种含钨耐蚀耐磨材料及利用该材料制备打壳锤头的方法。

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。现有技术无法解决上述技术问题。

发明内容

本发明的内容是为了解决现有技术中打壳锤头材料的问题，提供了一种抗电化学腐蚀、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）的含钨耐蚀耐磨低成本打壳锤头材料。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种含钨耐蚀耐磨材料，按重量百分比计包括以下成分：C 0.15-0.25%，Cr 21-23%，Ni 4.5-6.5%，Mn 1-2%，Mo 2-3%，W 2.0-3.2%，Si 0.5-1.0%，N 0.1-0.2%，P ≤0.05%，S≤0.01%，余量为Fe。

一种利用含钨耐蚀耐磨材料制备打壳锤头的方法，包括以下步骤：

第一步：冶炼，采用AOD精炼法、KAWASAKI－BOP法、金属精炼法或克虏伯复合吹炼法中的其中一种冶炼该含钨耐蚀耐磨材料；

第二步：生产钢锭，将已经冶炼好的钢液通过方坯连铸机浇铸生产或通过模铸方式生产方坯钢锭，且方坯钢锭横截面尺寸为160mm-360mm，方坯钢锭重量为296Kg-407 Kg；

第三步：锻造或热轧，采用锻造时，方坯钢锭锻造时初锻温度不低于1260℃，且锻造中温度低于950℃应及时加热，锻造成横截面尺寸为90 mm×90 mm的棒料，锻造尺寸偏差控制在±1mm；采用热轧时，初轧温度不低于1260℃，终轧温度不低于950℃，热轧成横截面尺寸为90 mm×90 mm的棒料，热轧尺寸偏差控制在±1mm；

第四步：分段，利用锯床将锻造完成的棒料分段，分段后的半成品棒料的长度为340 mm；

第五步：将分段后的棒料加入热处理炉中进行奥氏体化热处理，热处理温度1050±50℃，处理完毕后进行保温，保温时间不低于30分钟，之后采用水浴淬火，淬火水温不高于65℃；

第六步：机加成型，将半成品棒料按照加工要求加工至成品打壳锤头。

进一步地，第三步中，锻造时采用二阶段锻造方法，第二阶段锻造前，应保证锻料直径尺寸与锻造终止直径尺寸偏差小于12mm，第二阶段锻造采用模锻，锻造尺寸偏差控制在±1mm。

进一步地，第一步中，优选采用AOD精炼法冶炼。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本发明所述的一种含钨耐蚀耐磨材料由于质量分数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2.0-3.2%钨元素的存在、双相不锈钢基体中大量形成了碳化钨析出相，碳化钨析出相进入双相不锈钢基体中使之形成高抗蠕变及高耐磨特性的碳化钨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、高抗蠕变特性及高耐磨性能。

本发明所述的含钨耐蚀耐磨材料，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钨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13个月，与同类锤头使用寿命介于2～9个月相比，寿命提高1.4～6.5倍。

本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而研发的新材料。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。

本发明推广应用价值大，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。

本发明所述碳元素，在含钨耐蚀耐磨材料中的作用：材料中的碳是碳化钨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。

本发明所述的钨元素，在含钨耐蚀耐磨材料中的作用中的作用：是材料形成碳化钨析出相的基础元素，材料充分利用碳化钨稳定、坚硬、高抗蠕变性能，大量碳化钨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。

本发明所述的锰元素，在含钨耐蚀耐磨材料中的作用：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。

本发明所述的硅元素，在含钨耐蚀耐磨材料中的作用：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，在含钨耐蚀耐磨材料中的作用：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，在含钨耐蚀耐磨材料中的作用：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。

附图说明

图1为本发明生产的打壳锤头的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：一种含钨耐蚀耐磨材料，按重量百分比计包括以下成分：C 0.20%，Cr22%，Ni 5.4%，Mn 1.5%，Mo 2.5%，W 2.6%，Si 0.72%，N 0.15%，P 0.04%，S 0.007%，余量为Fe。

打壳锤头的制备生产工艺流程：

第一步：冶炼，采用AOD精炼法冶炼含钨耐蚀耐磨材料。

第二步：生产钢锭，将已经冶炼好的钢液通过方坯连铸机浇铸生产方坯钢锭，且方坯钢锭横截面尺寸为250mm，方坯钢锭重量为351.5Kg；

第三步：锻造，锻造时初锻温度1275℃，且锻造中温度低于950℃应及时加热，锻造至终止尺寸为横截面尺寸为90 mm×90 mm的棒料。

锻造时采用二阶段锻造方法，第二阶段锻造时，锻料直径尺寸与锻造终止尺寸偏差9mm，第二阶段锻造采用模锻，锻造尺寸偏差控制在±0.7mm。

第四步：分段，利用锯床将锻造完成的棒料分段，且分段棒料的长度为340 mm。

第五步：将分段后的半成品棒料加入热处理炉中进行奥氏体化热处理，热处理温度1052℃，处理完毕进行保温，保温时间为46分钟，之后采用水浴淬火，水温最高60℃。

第六步：机加成型，将半成品棒料按照加工要求加工至成品打壳锤头, 打壳锤头的一端为圆锥端，打壳锤头的另一端为小圆柱段，打壳锤头的中部为大圆柱段，且打壳锤头的总长L为340mm,直径ф90 mm，大圆柱段长L1为260 mm，小圆柱段L2长40mm，前端为圆锥段。（如图1）

本实施例共生产7件锤头，其中6件供酒钢东兴铝业一期2410号电解槽（共计6套打壳部件，500KA）安装试用，2015年4月安装，5月启槽生产，2016年6月陆续下线，使用寿命最长13.5个月，最短13个月，试用效果良好。

实施例2：一种含钨耐蚀耐磨材料，按重量百分比计包括以下成分：C 0.25%，Cr21%，Ni 4.5%，Mn 2.0%，Mo 2.0%，W 3.2%，Si 1.0%，N 0.10%，P 0.05%，S 0.009%，余量为Fe。

打壳锤头的制备生产工艺流程：

第一步：冶炼，采用AOD精炼法冶炼含钨耐蚀耐磨材料。

第二步：生产钢锭，将已经冶炼好的钢液通过方坯连铸机浇铸生产钢锭，且方坯钢锭横截面尺寸为160mm，钢锭重量为296Kg；

第三步：锻造，锻造时初锻温度1268℃，且锻造中温度低于950℃应及时加热，锻造至终止尺寸为横截面尺寸为90 mm×90 mm的棒料。

锻造时采用二阶段锻造方法，第二阶段锻造时，锻料直径尺寸与锻造终止尺寸偏差11mm，第二阶段锻造采用模锻，锻造尺寸偏差±0.8mm。

第五步：将分段后的半成品棒料加入热处理炉中进行奥氏体化热处理，热处理温度1100℃，处理完毕进行保温，保温时间38分钟，之后采用水浴淬火，水温最高63℃；

第六步：第六步：机加成型，将半成品棒料按照加工要求加工至成品打壳锤头, 打壳锤头的一端为圆锥端，打壳锤头的另一端为小圆柱段，打壳锤头的中部为大圆柱段，且打壳锤头的总长L为340mm,直径ф90 mm，大圆柱段长L1为260 mm，小圆柱段L2长40mm，前端为圆锥段。（如图1）

本实施例共生产7件锤头，其中6件供酒钢东兴铝业一期2412号电解槽（共计6套打壳部件，500KA）安装试用，2015年4月安装，5月启槽生产，2016年6月陆续下线，使用寿命最长13.3个月，最短12.8个月，试用效果良好。

实施例3：按重量百分比计包括以下成分：C 0.15%，Cr 23%，Ni 6.5%，Mn 1.0%，Mo3.0%，W 2.0%，Si 0.5%，N 0.20%，P 0.03%，S 0.008%，余量为Fe。

打壳锤头的制备生产工艺流程：

第一步：冶炼，采用AOD精炼法冶炼含钨耐蚀耐磨材料。

第二步：生产钢锭，将已经冶炼好的钢液通过方坯连铸机浇铸生产钢锭，且方坯钢锭横截面尺寸为为360mm，钢锭重量为407 Kg；

第三步：热轧，初轧温度为1300℃，终轧温度为1000℃，热轧至终止尺寸为横截面尺寸为90 mm×90 mm的棒料，轧尺寸偏差控制在±1mm。

第四步：分段，利用锯床将将锻造完成的棒料分段，且分段棒料的长度为340 mm。

第五步：将分段后的半成品棒料加入热处理炉中进行奥氏体化热处理，热处理温度1000℃，处理完毕进行保温，保温时间40分钟，之后采用水浴淬火，水温最高58℃。

本实施例共生产8件锤头，其中6件供酒钢东兴铝业一期2413号电解槽（共计6套打壳部件，500KA）安装试用，2015年5月安装，5月启槽生产，2016年6月陆续下线，使用寿命最长13.2个月，最短12.8个月，试用效果良好。

该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，具有硬度高、耐蚀、易于成型和焊接等综合性能；双相不锈钢组织基体中形成了大量碳化钨析出相，碳化钨析出相骨架颗粒弥散分布于打壳锤头材料内。

Claims

1.一种含钨耐蚀耐磨材料，其特征是：按重量百分比计包括以下成分：C 0.15-0.25%，Cr 21-23%，Ni 4.5-6.5%，Mn 1-2%，Mo 2-3%，W 2.0-3.2%，Si 0.5-1.0%，N 0.1-0.2%，P ≤0.05%，S ≤0.01%，余量为Fe。

2.一种利用权利要求1所述的材料制备打壳锤头的方法，其特征是：包括以下步骤：

第三步：锻造或热轧，采用锻造时，方坯钢锭的初锻温度不低于1260℃，且锻造中温度低于950℃应及时加热，锻造成横截面尺寸为90 mm×90 mm的棒料，锻造尺寸偏差控制在±1mm；采用热轧时，初轧温度不低于1260℃，终轧温度不低于950℃，热轧成横截面尺寸为90mm×90 mm的棒料，热轧尺寸偏差控制在±1mm；

第四步：分段，利用锯床将锻造完成的棒料分段，分段后的半成品棒料的长度为340mm；

第六步：机加成型，将半成品棒料按照加工要求加工至成品打壳锤头, 打壳锤头的一端为圆锥端，打壳锤头的另一端为小圆柱段，打壳锤头的中部为大圆柱段，且的打壳锤头的总长为340mm, 打壳锤头的直径为90 mm，打壳锤头的大圆柱段长为260 mm，打壳锤头的小圆柱段长40mm。

3.根据权利要求2所述的一种利用含钨耐蚀耐磨材料制备打壳锤头的方法，其特征是：所述第三步中，锻造时采用二阶段锻造方法，第二阶段锻造前，应保证锻料直径尺寸与锻造终止直径尺寸偏差小于12mm，第二阶段锻造采用模锻，锻造尺寸偏差控制在±1mm。