CN110669994A

CN110669994A - 一种耐蚀打壳锤用材料及利用其加工打壳锤的方法

Info

Publication number: CN110669994A
Application number: CN201910995633.3A
Authority: CN
Inventors: 阮强; 刘国平; 何成善
Original assignee: Gansu Jiu Steel Group Hongxing Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Gansu Jiu Steel Group Hongxing Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2019-10-18
Filing date: 2019-10-18
Publication date: 2020-01-10

Abstract

本发明属于新材料领域，公开了一种耐蚀打壳锤用材料及利用其加工打壳锤的方法，该材料按重量百分比计包括以下成分：C 0.010‑0.027%，Cr 21.70‑25.90%，Ni 4.96‑6.85%，Mn 0.40‑1.53%，Mo 2.96‑3.85%，Si0.29‑0.62%，N 0.158‑0.282，B 0.0000‑0.0040%，P≤0.036%，S≤0.0012%，余量为Fe。利用该材料冶炼、生产钢锭、锻造或热轧、分段、热处理、机加成型等步骤做成打壳锤。本发明在传统不锈钢生产工艺下，配合锰元素、钼元素、硅元素及硼元素的精准成分控制，生产出特别适应于铝电解质熔体腐蚀环境，耐氟离子腐蚀并兼具耐磨、耐温性能的长寿命耐蚀打壳锤材料，其耐氟离子腐蚀性能优于奥氏体不锈钢310S并优于国外SNW209牌号材料。

Description

一种耐蚀打壳锤用材料及利用其加工打壳锤的方法

技术领域

本发明新材料技术领域，涉及打壳锤，具体涉及一种耐蚀打壳锤用材料及利用其加工打壳锤的方法。

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，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、耐磨堆焊打壳锤等，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

为了解决现有技术中电解铝用打壳锤存在的上述问题，本发明提供了一种特别适应于铝电解质熔体腐蚀环境，耐氟离子腐蚀、耐磨、耐温并兼具高性价比的一种长寿命耐蚀打壳锤材料。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种耐蚀打壳锤用材料，按重量百分计，含以下成分：C 0.010-0.027%，Cr 21.70-25.90%，Ni 4.96-6.85%，Mn 0.40-1.53%，Mo2.96-3.85%，Si0.29-0.62%，N 0.158-0.282，B 0.0000-0.0040%，P ≤0 .036%，S ≤0.0012%，余量为Fe。

本发明还提供了一种利用上述的耐蚀打壳锤用材料加工打壳锤的方法，包括以下步骤：

第一步：冶炼，按照上述配比称取各成分混合均与进行冶炼得钢液；

第二步：生产钢锭，将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；

第三步：锻造或热轧，当采用锻造时，方坯钢锭的初锻温度1240℃-1280℃，最低温度选择依据钢种中Cr含量的高低对应确定，当Cr含量下限21.70%时选择最低温度1240℃，Cr含量上限25.90%时选择最低温度1280℃，Cr含量中间值23.80%时选择最低温度1260℃，且锻造中温度低于850℃应及时加热，锻造成横截面尺寸至成品打壳锤直径的棒料；

当采用热轧时，初轧温度1240℃-1280℃，最低温度选择依据钢种中Cr含量的高低对应确定，当Cr 含量21.70%时，初轧温度1240℃，终轧温度不低于850℃，热轧成横截面尺寸至成品打壳锤直径的棒料；

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成品锤头总长，不留余量；

第五步：将分段后的棒料加入热处理炉中进行热处理，热处理温度依据钢种中Cr含量的高低确定，处理完毕进行保温，保温时间不低于30分钟，然后采用水浴淬火固溶热处理，淬火水温不高于70℃；

第六步：机加成型，将半成品棒料按照加工要求加工为成品打壳锤。

本发明所述第一步，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。

优选的，所述第二步，方坯钢锭横截面尺寸随常规连铸或模铸，方坯钢锭重量为1.05-1.08倍成品打壳锤重量40-80的整数倍。

优选的，第三步，棒料的锻造尺寸偏差、棒料的热轧尺寸偏差均控制在± 1mm以内。

优选的，第三步，所述锻造时，采用二阶段锻造法，第二阶段锻造前，应保证锻料直径尺寸与锻造终止后直径尺寸偏差小于12mm，第二阶段锻造采用模锻，锻造尺寸偏差控制在±1mm。

优选的，第五步，热处理温度1040-1130℃。

通过上述方法加工的一种打壳锤，该打壳锤主体为粗圆柱段，粗圆柱段的前端为倒角或圆锥端，粗圆柱段的后端为与其一体成型的细圆柱段。

优选的，粗圆柱段的前端为10-40mm的倒角。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的耐蚀打壳锤材料由于质量分数4.96-6.85%的镍元素及21.70-25.90%铬元素的存在，使其组织为奥氏体+铁素体双相组织，本发明的耐蚀打壳锤材料，通过成分设计，使组织为双相组织，具有较高的强度、较好的焊接性能和非常不错的抗腐蚀性能。双相组织兼有奥氏体和铁素体的特点，与奥氏体相比，屈服强度高，对晶间腐蚀不敏感，具有很强的耐氯化物应力腐蚀、抗局部点蚀的能力，以及良好的焊接性能。与铁素体相比，具有较高的强度，塑性、韧性更高且无室温脆性。在传统不锈钢生产工艺配合下将形成不锈钢基体材料，配合锰元素、钼元素、硅元素及硼元素的精准成分控制，生产出特别适应于铝电解质熔体腐蚀环境，耐氟离子腐蚀并兼具耐磨、耐温性能的长寿命耐蚀打壳锤材料，其耐氟离子腐蚀性能优于奥氏体不锈钢310S并优于国外SNW209牌号材料。

对本发明的耐蚀打壳锤材料进行三氯化铁点腐蚀试验，腐蚀速率为0.1g(m²h)^-1，310S奥氏体不锈钢为0.5g(m²h)^-1，国外SNW209牌号材料为45.02g(m²h)^-1。通过三氯化铁点腐蚀试验，检验了310S不锈钢、本发明所述材料、SNW209牌号材料耐Cl^-腐蚀的能力，试验方法执行GB/T 17897-2016，表1.实验结果数据：

根据试验数据，本发明所述材料腐蚀速率最小，其耐Cl^-点腐蚀能力最强，其次是310S不锈钢，国外SNW209牌号材料耐Cl^-点腐蚀能力较差（原因是材料中碳含量远远高于其它两种材料）。依据元素周期表，氯元素和氟元素同为卤族元素，根据元素周期律，同一主族元素具有类似化学性质。因此，氯离子的腐蚀试验结论与氟离子的试验结论应一致，在3种对比材料中，本发明所述材料耐F^-点腐蚀能力应最强，在F^-为主的电解质腐蚀环境中更耐腐蚀。

2.利用该材料生产的打壳锤使用寿命达3年，与国内传统锤头使用寿命介于2～9个月相比，寿命提高4～18倍，与国外先进材料锤头14个月的使用寿命比较，寿命提高2.6倍。使用寿命大幅提高，工人现场的更换次数相应大幅下降，降低了现场职工的劳动强度；同时，由于该材料基于典型的不锈钢冶炼工艺生产，在规模化大工业生产基础上实现了打壳锤长寿命与低成本的完美统一，具有极高的性价比。

3.本发明打壳锤材料是针对电解铝厂现有打壳锤使用寿命短，更换打壳锤劳动强度大定向研制开发，具有极强的针对性；打壳锤材料的组分中：

其中，所述碳元素，在长寿命耐蚀打壳锤材料中的作用：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；

所述铬元素，在长寿命耐蚀打壳锤材料中的作用：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，同时铬元素有效提高了所述高抗蠕变耐蚀打壳锤材料的高温耐氧化性能；

所述镍元素，在长寿命耐蚀打壳锤材料中的作用：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；

所述锰元素，在长寿命耐蚀打壳锤材料中的作用：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；

所述钼元素，在长寿命耐蚀打壳锤材料中的作用：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；

所述硅元素，在长寿命耐蚀打壳锤材料中的作用：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；

所述硼元素，在长寿命耐蚀打壳锤材料中的作用：用来增强材料的淬透性能，在适当淬火固溶热处理工艺条件下，提高材料双相材料的奥氏体化；

所述氮元素，在长寿命耐蚀打壳锤材料中的作用：氮是很强的奥氏体形成元素，它显著促成奥氏体结构，配合主体耐蚀元素Cr和Ni成分配比3.8-4.4的合理设计，材料金相组织有效形成为耐F^-侵蚀能力显著的奥氏体+铁素体组织，材料平均硬度值Hv395.0，兼具较好的耐磨机械性能。结合影响锤头损毁的主要原因（材料的耐腐蚀性及材料的耐磨性，且耐腐蚀性的权重大于材料的耐磨性）进行分析，本发明材料具备极佳的工况适应性。

附图说明

图1为本发明生产的两种打壳锤的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明；

实施例1

一种耐蚀打壳锤材料，按重量百分比计包括以下成分：C 0.013%，Cr 22.24%，Ni5.08%，Mn 1.13%，Mo 3.06%，Si 0.36%，P 0.028%，S 0.008%，余量为Fe。

一种利用上述耐蚀材料加工长寿命打壳锤的方法，包括以下步骤：

第一步：冶炼，采用AOD精炼法冶炼长寿命耐蚀材料；

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产生或通过模铸方式生产方坯钢锭，且方坯钢锭横截面尺寸为250mm，钢锭重量为351 .5Kg；

第三步：锻造，锻造时，锻造时初锻温度1242℃，且锻造中温度最低960℃，锻造至终止尺寸为横截面尺寸为Ф90 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后直径尺寸偏10mm，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1043℃，处理完毕进行保温，保温时间35分钟，之后采用水浴淬火，淬火水温最高时59℃。

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。

该打壳锤的一端为10mm倒角，打壳锤的另一端为小圆柱段，打壳锤的中部为大圆柱段，该打壳锤的总长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。

采用本实施例的方法共生产8件锤头，其中6件供酒钢东兴铝业一期2254号电解槽（共计6套打壳部件，500KA）安装试用，2016年2月安装，3月启槽生产，2019年2-4月续下线，使用寿命最长37个月，最短35个月，试用效果超预期。

实施例2

一种耐蚀打壳锤材料，按重量百分比计包括以下成分：C 0.023%，Cr 25.34%，Ni6.58%，Mn 0.58%，Mo3.78%，Si 0.57%，P 0.026%，S 0.007%，余量为Fe。

一种利用上述耐蚀打壳锤材料加工长寿命打壳锤的方法，包括以下步骤：

第一步：冶炼，采用AOD精炼法冶炼长寿命耐蚀材料；

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产生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，钢锭重量为296Kg；

第三步：锻造，锻造时，锻造时初锻温度为1279℃，锻造中温度最低972℃，锻造至终止尺寸为横截面尺寸为Ф90 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后直径尺寸偏差11mm，第二阶段锻造采用模锻，锻造尺寸偏差控制在±0 .8mm；

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340mm；

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1081℃，处理完毕进行保温，保温时间40分钟，之后采用水浴淬火固溶热处理，水温最高时65℃；

该打壳锤的一端为10mm倒角，打壳锤的另一端为小圆柱段，打壳锤的中部为大圆柱段，且打壳锤的总长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。

采用本实施例的方法共生产9件锤头，其中6件供酒钢东兴铝业一期2253号电解槽（共计6套打壳部件，500KA）安装试用，2016年1月安装，2月启槽生产，2019年3-4月陆续下线，使用寿命最长 38个月，最短37个月，试用效果超预期。

实施例3

一种耐蚀打壳锤材料，按重量百分比计包括以下成分：C 0.018%，Cr 23.62%，Ni5.76%，Mn 0.91%，Mo 3.51%，Si 0.45%，P 0.025%，S 0.007%，余量为Fe。

第一步：冶炼，采用AOD精炼法冶炼冶炼高抗蠕变耐蚀材料；

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产生或通过模铸方式生产方坯钢锭，且方坯钢锭横截面尺寸为360mm，钢锭重量为407 Kg；

第三步：热轧，初轧温度为1562℃，终轧温度为952℃，热轧至横截面尺寸为Ф90 mm的棒料，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，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1160℃，处理完毕保温时间不低于40分钟，之后采用水浴淬火固溶热处理，水温最高时58℃。

该打壳锤的一端为10mm倒角，打壳锤的另一端为小圆柱段，打壳锤的中部为大圆柱段，且打壳锤的总长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。

采用本实施例的方法共生产86件锤头，其中6件供酒钢东兴铝业一期2255号电解槽（共计6套打壳部件，500KA）安装试用，2016年2月安装，3月启槽生产，2019年2-4月续下线，使用寿命最长37个月，最短35个月，试用效果超预期。

Claims

1.一种耐蚀打壳锤用材料，其特征在于：按重量百分计，含以下成分：C 0.010-0.027%，Cr 21.70-25.90%，Ni 4.96-6.85%，Mn 0.40-1.53%，Mo 2.96-3.85%，Si 0.29-0.62%，N0.158-0.282，B 0.0000-0.0040%，P ≤0 .036%，S ≤0 .0012%，余量为Fe。

2.一种利用如权利要求1所述的耐蚀打壳锤用材料加工打壳锤的方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：冶炼，按照上述配比称取各成分混合均匀进行冶炼得钢液；

第三步：锻造或热轧，当采用锻造时，方坯钢锭的初锻温度1240℃-1280℃，最低温度选择依据钢种中Cr含量的高低对应确定，锻造成横截面尺寸至成品打壳锤直径的棒料；

当采用热轧时，初轧温度1240℃-1280℃，最低温度选择依据钢种中Cr含量的高低对应确定，热轧成横截面尺寸至成品打壳锤直径的棒料；

3.根据权利要求2所述的一种利用耐蚀打壳锤用材料加工打壳锤的方法，其特征在于：第一步，采用AOD精炼法、KAWASAKI－BOP法、金属精炼法或克虏伯复合吹炼法中任意一种方法冶炼。

4.根据权利要求2或3所述的一种利用耐蚀打壳锤用材料加工打壳锤的方法，其特征在于：第二步，方坯钢锭横截面尺寸随常规连铸或模铸，方坯钢锭重量为1.05-1.08倍成品打壳锤重量的整数倍。

5.根据权利要求4所述的一种利用耐蚀打壳锤用材料加工打壳锤的方法，其特征在于：第三步，锻造时，当Cr 含量21.70%时，最低温度1240℃，且锻造中温度低于850℃应及时加热；或热轧时，当Cr 含量21.70%时，初轧温度1240℃，终轧温度不低于850℃。

6.根据权利要求2、 3或5所述的一种利用耐蚀打壳锤用材料加工打壳锤的方法，其特征在于：第三步，棒料的锻造尺寸偏差、棒料的热轧尺寸偏差均控制在± 1mm以内。

7.根据权利要求6所述的一种利用耐蚀打壳锤用材料加工打壳锤的方法，其特征在于：第三步，所述锻造时，采用二阶段锻造法，第二阶段锻造前，应保证锻料直径尺寸与锻造终止后直径尺寸偏差小于12mm，第二阶段锻造采用模锻，锻造尺寸偏差控制在±1mm。

8. 根据权利要求2、 3、 5或7所述的一种利用耐蚀打壳锤用材料加工打壳锤的方法，其特征在于：第五步，热处理温度1040-1130℃。

9.根据权利要求8所述方法加工出的一种打壳锤，其特征在于：打壳锤主体为粗圆柱段，粗圆柱段的前端为倒角或圆锥端，粗圆柱段的后端为与其一体成型的细圆柱段。

10.根据权利要求9所述的一种打壳锤，其特征在于：粗圆柱段的前端为10-40mm的倒角。