CN110284054A - 一种耐高温抗变形电解槽用钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程材料领域领域，更具体地公开了一种耐高温抗变形电解槽用钢及其制备方法，所述电解槽用钢的重量百分比例为：C≤0.09%，Si≤0.45%，Mn≤1.40%，S≤0.025%，P≤0.015%，Mo+Cr+Cu+Ni≤2.00%，V+Nb+Ti+Al≤0.20,其余为Fe和不可避免的杂质。本发明解决大型铝电解槽高温应力状态下槽壳低寿命问题，可替代大型铝电解槽槽壳现服材料Q345B，使用寿命延长为Q345B的1.5‑2倍，为电解铝企业节省成本。

Description

一种耐高温抗变形电解槽用钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及工程材料领域，更具体地涉及一种耐高温抗变形电解槽用钢及其制备方法。

背景技术

铝作为除钢材之外第二大金属材料，在国民经济建设中起到举足轻重的作用。目前铝的生产方式为电解，电解槽作为电解铝最主要生产设备。我国铝电解槽正处于由小型预焙阳极向大型预焙阳极快速转变阶段。随着电解槽大型化，电流容积从原先的160KA升级到500KA，电流强度增加了3倍，电解槽的电流热效应不断升级，最高工作温度达到400℃，承载热膨胀负荷不断增加，最高达到200吨/延米，使用2-3年后出现电解槽槽壳大变形，焊缝出现开裂现象，由于钢板和耐材线膨胀系数不同，高温负荷状态下电解槽槽壳变形力不断增加，不断传递到槽内耐材，最终导致脆性的耐材破裂，造成电解槽使用寿命达不到设计要求5-6年的一半而报废。

国内现役铝电解槽预焙阳极摇篮槽壳和摇篮架为焊接结构，任然使用传统材料大多采用Q235B和Q345B钢，我国500kA的预焙阳极铝电解槽的寿命普遍只有设计要求的一半，单台电解槽成本400万元/台，全国5000万吨电解铝产能，使用大型电解槽高达10000台，总投资高达400亿元，提高一倍寿命至5-6年，意味为铝业节省200亿元。开发高强度、耐高温、抗变形、保物理性能易焊接、高寿命电解槽槽壳用新型材料迫在眉睫。

电解槽槽壳破损机理研究，剖析了大型铝电解槽破损槽壳，结合电解槽工作环境和工作温度，发现：大型铝电解槽使用小型铝电解槽原材料Q345B和Q235B制作，在电解铝过程，处于高温状态，同时槽壳承受电解液压力和槽内耐材的膨胀力，传统材料Q345B和Q235B只能满足普通钢结构用的钢板，只是一种普通的热轧或控轧钢板，从化学成分设计和强度方面，均没有考虑高温环境中，强度弱化问题和蠕变问题，铝厂在设计电解槽的时候也没有电解槽专用钢，尤其是在电解槽槽型成倍增加后，仍然沿用传统材料，根本无法保证槽壳在高温应力状态的刚度，无法约束槽壳高温变形。

电解槽专用钢是在依据小型铝电解槽传统材料普通碳钢的基础上，借鉴耐火钢、耐热钢、耐候钢、高温压力容器钢的成分设计和轧制工艺，参考了钢材产品中主要合金元素对物理性能定性半定量影响关系、新一代控轧控冷技术、压力容器焊接手册中高温压力容器部分。

发明内容

为解决现有技术中传统电解槽制备用的材料Q345B的变形情况和开裂问题，本发明提供一种耐高温抗变形电解槽用钢及其制备方法。

本发明采用的具体的技术方案为：

一种耐高温抗变形电解槽用钢，所述电解槽用钢的重量百分比例为：C≤0.09%，Si≤0.45%，Mn≤1.40%，S≤0.025%，P≤0.015%，Mo+Cr+Cu+Ni≤2.00%，V+Nb+Ti+Al≤0.20, 其中铝不大于0.050％ ,其余为Fe和不可避免的杂质。

所述电解槽用钢的制备方法包括以下步骤：

（1）冶炼：选择优质铁水，经转炉冶炼后到精炼炉；

（2）浇铸：采用连铸工艺的钢水进行浇铸，浇铸温度为大于1550℃，拉坯速率为0.75-1.0m/min；

（3）加热：板坯入炉后，将板坯加热到1180-1230℃；

（4）轧制：第一阶段的轧制温度为1050-1100℃，待温厚度为100mm，采取增大控轧厚度的方式来增加低温阶段非再结晶区累计变形带，再开轧温度为830-860℃，轧到成品厚度的1.5-3.0倍，终轧温度为750-780℃；

（5）冷却：采取四阶段控制冷却，第一阶段快速气雾冷却，冷速不小于6℃/秒第二三阶段冷速不高于4℃/秒；第四阶段自然空冷快速下线，将钢板堆垛起来利用钢板余热自回火，自回火温度在250-550℃之间。

本发明通过低碳设计、热强化合金元素钼铬铜、铌钛钒微合金化，钛铜提高焊接性能，控轧控冷，实现焊接性和高温性能的匹配。使用过程中，在高温下强度的损失小，线膨胀系数小，不发生开裂、变形并利用各化学元素的相斥作用保证钢板的物理性能（磁导率、热导率、电导率、线膨胀系数）同现役材料Q345B基本一致，保证了钢板不会影响电解铝过程中的三场问题（磁场、热场、电场）。另一方面本发明形成了6-60mm电解槽专用钢的系列生产方法，从解决大型铝电解槽低寿命机理研究开始，到耐高温、抗变形、易焊接、物理性能铜传统材料保持一致特征实现所需要的成分设计-组织调控-工艺设计，形成成套技术。本发明解决大型铝电解槽高温应力状态下槽壳低寿命问题，可替代大型铝电解槽槽壳现服材料Q345B，使用寿命延长为Q345B的1.5-2倍，为电解铝企业节省巨额成本，引导电解铝企业科学合理用钢。

具体实施方式

本发明针对传统电解槽制备用的材料Q345B的变形情况和开裂问题，根据电解槽上部结构实际工作环境，展开电解槽槽壳破损机理剖析研究发现：大型铝电解槽使用小型铝电解槽原材料Q345B和Q235B制作，在电解铝过程，钢板处于≤400℃高温状态，承载同时槽壳承受电解液压力和槽内耐材的膨胀力，热膨胀负荷不断增加，最高达到200吨/延米，传统材料制造的槽壳根本无法保证在高温应力状态的刚度，无法约束槽壳设计形状，导致高温变形，高温变形后，由于槽壳是钢板制造，具有一定的变形能力，而耐材属于脆性材料，最终变形的槽壳挤压耐材，导致耐材破裂，槽壳内的铝液瞬间侵入裂缝，加速热变形和热损坏，最终促使电解槽整体报废。

本发明针对大型铝电解槽槽壳破损机理研究基础上，为提高电解槽槽壳寿命问题而提供一种耐高温、抗变形、易焊接、保物理性能的高寿命槽壳专用钢，500K大型铝电解槽钢板承受最高400℃的工作温度，200吨/延米的应力负荷，LCK550耐高温蠕变寿命相比Q345B提高1倍以上，钢板的物理性能（磁导率、热导率、电导率、线膨胀系数）同现役材料Q345B基本一致。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种耐高温抗变形电解槽用钢及其制备方法，所述电解槽用钢的重量百分比例为：C≤0.09%，Si≤0.45%，Mn≤1.40%，S≤0.025%，P≤0.015%，Mo+Cr+Cu+Ni≤2.00%，V+Nb+Ti+Al≤0.20,其中铝不大于0.050％,其余为Fe和不可避免的杂质。

碳是耐高温抗变形电解槽用钢的基本元素之一，主要起提高强度的作用，但含量过高会使塑性和韧性下降，同时也会降低钢的焊接性。另外碳在高温下游偏聚效应，形成高碳含量的化合物聚集物，对钢板的高温寿命产生不利影响。碳对磁性和焊接韧性也有害，所以择碳含量中采取低碳控制，C≤0.08％。

硅能够显著提高强度、磁导率、电阻率，硅还能降低导热性，单位数量的Si原子对钢的热导率的减小效果大约是碳化物形成元素的5倍和非碳化物形成元素的3～ 4倍。硅能够显著提高钢的弹性极限、屈服强度和抗拉强度，但对钢的焊接性能有害。选择低硅处理，硅控制0.35-0.45%。

锰在钢中融入铁素体中起固溶强化的作用，能够提高钢的强度。除了脱氧作用外，还可以改善钢的热塑性，有助于去影响钢性能的杂质硫元素，与硫影响硫化锰，在一定程度上降低硫在钢中的危害。选择锰含量上限控制，提高≤1.50%。

硫为有害杂质，最大的危害是容易使钢在热加工时开裂，即热脆。形成硫的低温化合物偏聚在晶界，在高温环境中熔化，对高温力学性能有害，选择硫含量控制≤0.010％。

磷为有害杂质，磷能够提高钢的强度，但使塑性和韧性降低，提高了钢的冷脆性。在钢中沿晶界偏聚，高温环境下降低材料强度，另外磷对磁性有害，选择磷含量控制≤0.020％。

钼铬铜镍需要配合使用，即能提高高温强韧性和高温蠕变性能，还能提高抗氧化性能，Mo+Cr+Cu+Ni在1.00-1.50％之间。

钼对降低材料线膨胀系数有益，在铁素体中有固溶强化的作用，钼作为耐火钢和耐热钢中常添加元素，能够显著提高材料的高温性能，还能提高钢中铁素体抗蠕变的能力，选择钼含量控制≤0.35％；铬能够显著提高钢材的强度，在耐热钢中主要目的是为了提高钢的抗氧化性和耐腐蚀能力，还可以提高钢的热强性，选择铬含量控制≤0.25％；铜能够提高钢板的抗氧化性、强度、焊接性能，选择铜含量控制≤0.30％；镍能够提高冲击韧性，另外镍促使铜形成金属间化合物，提高铜的熔点到1200℃，避免铜在1080℃发生析出，造成铜脆。

V、Nb、Ti、Al作为微合金强化主要元素，弥补低碳处理带来的强度不足，另外增加材料的韧性和焊接性能，综合控制V+Nb+Ti+Al≤0.20 %，其中铝不大于0.050％。

电解槽钢成分的创新，依据电解槽槽壳破损机理研究，提高电解槽专用钢的强度、韧性、焊接性、高温蠕变性，并保证磁导率、热导率、电导率、线膨胀系数同现役材料基本一致，化学成分设计过程中存在彼此矛盾问题，需要综合考虑，最终采取了低碳低磷低硫方案+高温强韧化方案（Mo+Cr+Cu+Ni）+微合金强化方案（V+Nb+Ti+Al）的组合。

所述电解槽用钢的制备方法包括以下步骤：

（1）冶炼：选择优质铁水，经转炉冶炼后到LF炉精炼；

（2）浇铸：采用连铸工艺的钢水进行浇铸，浇铸温度为大于1550℃，拉坯速率为0.85m/min；

（3）加热：板坯入炉后，将板坯加热到1180-1230℃；

（4）轧制：第一阶段的轧制温度为1050-1100℃，待温厚度为成品厚度的1.5-3.0倍，采取增大控轧厚度通过的方式来增加低温阶段非再结晶区累计变形带，再开轧温度为830-860℃，轧到目标厚度，终轧温度为750-780℃；充分利用了薄规格钢板多道次压下时间同开轧至终轧的温降时间的匹配，实现钢坯在高温轧制区变形，实现反复动态再结晶细化。

（5）冷却：采取四阶段控制冷却，第一阶段快速气雾冷却，冷速不小于6℃/秒，快速冷却来细化晶粒；第二三阶段冷速不高于4℃/秒，阻止晶粒长大；第四阶段自然空冷快速下线，将堆垛起来利用钢板余热自回火，自回火温度在250-550℃之间，充分释放应力和增加组织均匀稳定性。

本发明通过低碳设计、少添加或不添加影响焊接裂纹敏感指数和碳当量的合金元素钛、铌、镍、铜来提高焊接性，通过控制轧制和轧后快冷的方式，实现优秀焊接性能、高强度、高韧性的良好匹配。适量的Mo+Cr+Cu+Ni，增加钢板高温强韧性和抗氧化性，增加低碳带来的强度损失问题，少量微合金V+Nb+Ti+Al强化设计，细化晶粒，增加强度，提高综合性能。利用Si、Mn、Cr、C元素含量对电导率、导磁率、热导率、线膨胀系数的大小起到相互排斥作用，来保证钢板的物理性能同现役材料Q345B基本一致，即电解铝过程磁场-电场-热场不变。

冶炼，用转炉或电炉炼钢，采取了钙处理，球化改性了夹杂物，钢水经二次精炼和合金化后，上连铸，获得连铸坯，冶炼过程和连铸过程需要工艺联动，通过弱冷技术和缓冷堆垛的方法，降低了钢坯表面裂纹。实现连铸坯的纯净化（降低夹杂物，夹杂物改性）、均匀化（降低中间偏析）、少或无裂纹化。

控轧控冷，轧制过程了，采取了不同钢板厚度使用不同的加热温度、控轧温度（开轧低温化）-控冷温度（轧后快冷技术）的联动和集成。连铸坯加热到1150-1250℃，开轧温度为1050-1100℃，在开轧温度和终轧温度依据终轧厚度和化学成分决定;轧后采用气雾快冷，通过快冷细化晶粒和改变组织的方式，提高强韧性，降低合金成本。

实施例1

一种耐高温抗变形电解槽用钢，其化学成分重量百分比例为：C＝0.08%，Si=0.38%，Mn=1.25%，S＝0.010%，P ＝0.015%，Al=0.045%，Cr=0.25%，V=0.040%，Nb=0.045%，Mo=0.15%，其余为Fe和不可避免的杂质，经连铸轧坯上轧成10mm钢板。

上述耐高温抗变形电解槽用钢的生产方法，步骤如下：

（1）冶炼：选择优质铁水，经转炉冶炼后到LF炉精炼。

（2）浇铸：采用连铸工艺的钢水进行浇铸，浇铸温度为大于1550℃，拉坯速率为0.85m/min。

（3）加热：板坯入炉后控制好加热节奏，将板坯加热到1200℃。

（4）轧制：第一阶段的轧制温度为1050℃，待温厚度为100mm，采取增大控轧厚度的方式来增加低温阶段非再结晶区累计变形带，再开轧温度为830℃，轧到成品厚度的3倍，终轧温度为750℃。

（5）冷却：采取四阶段控制冷却，第一阶段快速气雾冷却，冷速为6℃/秒，第二三阶段冷速4℃/秒；第四阶段自然空冷快速下线，将钢板堆垛起来利用钢板余热自回火，自回火温度在250℃。

实施例2

一种耐高温抗变形电解槽用钢，其化学成分重量百分比例为：C=0.09%，Si=0.40%，Mn=1.40%，S =0.006%，P ≤0.013%，Al=0.015%，Cr=0.40%，V=0.035%，Ni=0.29%，Mo=0.15%，Cu=0.20%，其余为Fe和不可避免的杂质，经连铸轧坯上轧成24mm钢板。

上述耐高温抗变形电解槽用钢的生产方法，步骤如下：

（1）冶炼：选择优质铁水，经转炉冶炼后到LF炉精炼。

（2）浇铸：采用连铸工艺的钢水进行浇铸，浇铸温度为大于1550℃，拉坯速率为0.85m/min。

（3）加热：板坯入炉后控制好加热节奏，将板坯加热到1230℃。

（4）轧制：第一阶段的轧制温度为1100℃，待温厚度为100mm，采取增大控轧厚度的方式来增加低温阶段非再结晶区累计变形带，再开轧温度为860℃，轧到成品厚度的1.5倍，终轧温度为780℃。

（5）冷却：冷却：采取四阶段控制冷却，第一阶段快速气雾冷却，冷速为3℃/秒，第二三阶段冷速2℃/秒；第四阶段自然空冷快速下线，将钢板堆垛起来利用钢板余热自回火，自回火温度为550℃。

实施例3

一种耐高温抗变形电解槽用钢，其化学成分重量百分比例为：C=0.07%，Si=0.24%，Mn=1.50%，S =0.007%，P =0.015%，V=0.025%，Nb=0.030%，Mo=0.25%， Ti=0.025%，其余为Fe和不可避免的杂质，经连铸轧坯上轧成40mm钢板。

上述耐高温抗变形电解槽用钢的生产方法，步骤如下：

（2）冶炼：选择优质铁水，经转炉冶炼后到LF炉精炼。

（2）浇铸：采用连铸工艺的钢水进行浇铸，浇铸温度为大于1550℃，拉坯速率为0.85m/min。为改善铸坯边部裂纹，铸坯采用集中码垛缓冷，缓冷时间大于36小时。

（3）加热：板坯入炉后，将板坯加热到1180℃；

（4）轧制：第一阶段的轧制温度为1070℃，待温厚度为100mm，采取增大控轧厚度的方式来增加低温阶段非再结晶区累计变形带，再开轧温度为840℃，轧到成品厚度的3倍，终轧温度为760℃；

（5）冷却：冷却：采取四阶段控制冷却，第一阶段快速气雾冷却，冷速为6℃/秒，第二三阶段冷速3℃/秒；第四阶段自然空冷快速下线，将钢板堆垛起来利用钢板余热自回火，自回火温度为400℃。

实施例钢表

电解槽钢相比Q345B室温拉伸性能大幅度提高，强屈服比超过了1.5，冲击韧性提高了2-3倍，表现出优异力学性能，良好的冲击韧性在整个电解槽工作过程中，提供了足够的裂纹的萌生和扩展阻碍。

低的焊当量和焊接裂纹敏感指数，保证了电解槽钢优良的焊接性能，有效提高电解槽槽壳最薄弱区域焊缝部分性能，保证了电解槽的使用寿命。

高温力学性能得到大幅度提高，在电解草启动高温焙烧720-950℃,高的抗拉强度解决钢板开裂断裂问题，回到正常工作(300-400℃)，承受一定电解铝液体压力，较高的屈服强度可以满足槽壳的刚度，约束槽壳开裂变形，保证了电解槽的工作寿命。

电解槽钢的电导率、导磁率、热导率、线膨胀系数同现役材料Q345B基本一致，保证了电解铝过程磁场-电场-热场不被扰动和热膨胀变形的一致性，可以在现有的电解槽的槽型基础上，不需要重新设计槽型，直接选用新型材料电解槽钢，即可满足电解槽的生产制作。

模拟电解槽工况，通过高温蠕变模拟计算，获得了电解槽钢理论寿命，相比Q345B提高了1.5-2倍，从现场使用情况证明，使用3年未发生电解槽变形开裂状况。

本发明通过低碳设计、少添加或不添加影响焊接裂纹敏感指数和碳当量的合金元素钛、铌、镍、铜来提高焊接性，通过控制轧制和轧后快冷的方式，实现优秀焊接性能、高强度、高韧性的良好匹配。适量的Mo+Cr+Cu+Ni，增加钢板高温强韧性和抗氧化性，增加低碳带来的强度损失问题，少量微合金V+Nb+Ti+Al强化设计，细化晶粒，增加强度，提高综合性能。

Claims (2)

1.一种耐高温抗变形电解槽用钢，其特征在于，所述电解槽用钢的重量百分比例为：C≤0.09%，Si≤0.45%，Mn≤1.40%，S≤0.025%，P≤0.015%，Mo+Cr+Cu+Ni≤2.00%，V+Nb+Ti+Al≤0.20, 其中铝不大于0.050％ ,其余为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的耐高温抗变形电解槽用钢，其特征在于，所述电解槽用钢的制备方法包括以下步骤：

（1）冶炼：选择优质铁水，经转炉冶炼后到精炼炉；

（2）浇铸：采用连铸工艺的钢水进行浇铸，浇铸温度为大于1550℃，拉坯速率为0.75-1.0m/min；

（3）加热：板坯入炉后，将板坯加热到1180-1230℃；

（4）轧制：第一阶段的轧制温度为1050-1100℃，待温厚度为100mm，采取增大控轧厚度的方式来增加低温阶段非再结晶区累计变形带，再开轧温度为830-860℃，轧到成品厚度的1.5-3.0倍，终轧温度为750-780℃；

（5）冷却：采取四阶段控制冷却，第一阶段快速气雾冷却，冷速不小于6℃/秒第二三阶段冷速不高于4℃/秒；第四阶段自然空冷快速下线，将钢板堆垛起来利用钢板余热自回火，自回火温度在250-550℃之间。