一种高导电性阳极钢爪用钢及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高导电性阳极刚爪用钢及其制备方法，属于低合金钢技术领域，本发明专利技术添加微量合金元素、控制合金元素总量与比例，并配合适当的制备工艺控制合理的组织组成、晶粒尺寸，获得兼具良好导电性能与力学性能的结构功能一体化阳极钢爪用钢材料。上述钢的组成以重量百分比计为：C：0.01‑0.1％，Si：0.01‑0.5％，Mn：0.01‑1.0％，S≤0.01％，P≤0.02％，Al：0.01‑0.5％，V：0.01‑0.2％，N：0.004‑0.02％，余量：Fe及不可避免的杂质；C、Si、Mn、P、S、Al、V、N同时满足0.35％≤(C+Si+Mn+P+S+Al+V+N)≤1.8％，0.45≤V/(C+N)≤5.8，0.25≤V/Al≤1.2；钢中铁素体组织的含量不低于90％，珠光体组织的含量不高于10％；钢的平均晶粒尺寸大于等于20μm且小于等于200μm。上述高导电性阳极刚爪用钢可用于电解铝中的阳极刚爪。

【技术实现步骤摘要】
一种高导电性阳极钢爪用钢及其制备方法
本专利技术属于低合金钢
，尤其涉及一种高导电性阳极钢爪用钢及其制备方法。
技术介绍
中国是目前世界上电解铝产量最大的国家，2016年全球电解铝产量5889万吨，我国电解铝产量已经达到3164万吨，在全球电解铝产量中占比达53.7％。电解铝属于高能耗行业，电解铝成本中电力成本占铝锭生产成本的40％左右，根据调研，铝电解生产过程中阳极钢爪的压降是造成铝锭生产成本增加的重要原因。阳极钢爪是电解铝阳极中导杆与炭块间的重要连接结构，是一种要求兼具良好力学性能与导电性能的结构功能一体化材料：一方面，阳极钢爪起联接铝导杆与夹持阳极碳块的作用，由于每块新阳极重达700-1000Kg，因此要求阳极钢爪具有一定的强度和尺寸稳定性；另外，阳极钢爪需承受铝电解生产过程中通入电解槽的强大电流，通过每个钢爪的平均电流达6800A，因此要求阳极钢爪具有较好的导电性。目前我国电解铝厂用阳极钢爪采用尚无行业标准规范，各企业出于成本和经济因素考虑，多采用自行铸造的方式生产阳极钢爪，也有部分企业参考GB/T31204-2014《熔模铸造碳钢件》作为阳极钢爪用钢性能要求。采用这种方式所生产的钢爪材料合金总量、杂质元素含量均较高，这些总量较高的元素会引发晶格畸变，增加电子散射概率，增大阳极钢爪电阻；此外，采用铸造方式生产的阳极钢爪且极易出现缩孔、缩松、夹杂等铸造缺陷，这类钢爪由于生产原料与工艺的问题，其电阻率波动很大，随组成与生产状态的不同，电阻率可达0.25-0.41μΩ·m左右。在电解铝生产中，这类阳极钢爪的平均压降约为50-80mV，会导致铝电解生产过程中电能损耗的增加，从而增加铝锭生产成本。此外，采用铸造方式生产的阳极钢爪材料冶金质量较差，力学性能波动大，在电解铝生产过程中，阳极钢爪变形损坏率高达20-35％，也会大大增加电解铝生产成本。因此，迫切需要开展一种兼具良好力学性能与导电性能的结构功能一体化阳极钢爪用钢的研发，在保证阳极钢爪用钢力学性能的基础上，大幅提升其导电性能，以节约电能，实现降低铝电解生产能耗和电力成本的目的。同时，阳极钢爪作为电解铝生产阳极的必需组件，在电解过程中会有消耗和损坏，吨铝钢爪消耗量约5kg，按照电解铝产量每年600万吨计算，每年钢爪需求量约3万吨，作为工程批量应用材料，其成本不宜过高。
技术实现思路
鉴于以上分析，本专利技术旨在提供一种高导电性阳极钢爪用钢及其制备方法，通过添加微量合金元素、控制合金元素总量与比例，并配合适当的制备工艺，在不大幅增加材料成本的基础上，获得兼具良好导电性能与力学性能的结构功能一体化阳极钢爪用钢材料。本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：一种高导电性阳极刚爪用钢，组成以重量百分比计为：C：0.01-0.1％，Si：0.01-0.5％，Mn：0.01-1.0％，S≤0.01％，P≤0.02％，Al：0.01-0.5％，V：0.01-0.2％，N：0.004-0.02％，余量：Fe及不可避免的杂质；C、Si、Mn、P、S、Al、V、N同时满足如下关系：0.35％≤(C+Si+Mn+P+S+Al+V+N)≤1.8％，0.45≤V/(C+N)≤5.8，0.25≤V/Al≤1.2；钢中铁素体组织的含量不低于90％，珠光体组织的含量不高于10％；钢的平均晶粒尺寸大于等于20μm且小于等于200μm。进一步的，组成以重量百分比计为：C：0.015-0.052％，Si：0.012-0.33％，Mn：0.013-0.48％，S≤0.008％，P≤0.016％，Al：0.16-0.25％，V：0.013-0.12％，N：0.005-0.012％，余量：Fe及不可避免的杂质；所述C、Si、Mn、P、S、Al、V、N同时满足如下关系：0.42％≤(C+Si+Mn+P+S+Al+V+N)≤1.65％，0.5≤V/(C+N)≤5.0，0.35≤V/Al≤1.0。进一步的，组成以重量百分比计为：C：0.058-0.096％，Si：0.3-0.48％，Mn：0.51-0.99％，S≤0.005％，P≤0.012％，Al：0.28-0.47％，V：0.13-0.19％，N：0.014-0.018％，余量：Fe及不可避免的杂质；所述C、Si、Mn、P、S、Al、V、N同时满足如下关系：0.55％≤(C+Si+Mn+P+S+Al+V+N)≤1.3％，1.2≤V/(C+N)≤4.2，0.45≤V/Al≤0.95。进一步的，钢中铁素体组织的含量为95-99.5％，珠光体组织的含量为0.5-5％；所述钢的平均晶粒尺寸大于等于50μm且小于等于130μm。进一步的，钢中铁素体组织的含量为96％，珠光体组织的含量为4％；所述钢的平均晶粒尺寸为57μm。一种高导电性阳极钢爪用钢的制备方法，包括以下步骤：S1.将各组分按照组成重量百分比配料并进行冶炼和铸造获得铸坯，将铸坯升温进行均热处理；S2.在奥氏体再结晶区进行粗轧；S3.在奥氏体非再结晶区进行精轧，随后空冷至室温。进一步的，步骤S1中均热处理条件为在1120-1280℃下保温2-4h。进一步的，步骤S2中，开轧温度为1100-1230℃，终轧温度为980-1030℃，粗轧累计变形量为20％-40％。进一步的，步骤S3中，开轧温度为880-930℃，终轧温度为830-870℃，精轧累计变形量为30％-60％。进一步的，步骤S2中，粗轧开轧温度为1152-1185℃，终轧温度为992-1012℃，粗轧累计变形量为25％-33％；所述步骤S3中，精轧开轧温度为892-913℃，终轧温度为835-862℃，精轧累计变形量为44％-56％。与现有技术相比，本专利技术有益效果如下：1)本专利技术在不大量添加贵重合金元素的情况下，仅通过添加微量合金元素、控制合金元素总量与比例，并配合适当的制备工艺控制合理的组织组成、晶粒尺寸，可以在不大幅增加材料成本的基础上，获得兼具良好导电性能与力学性能的结构功能一体化阳极钢爪用钢材料，本专利技术的产品成本低廉，且十分容易实现工业化生产，具有良好的技术经济性和广泛的推广应用价值。2)本专利技术提供的高导电性阳极钢爪用钢室温电阻率0.10～0.15μΩ·m，导电性能较传统阳极钢爪用钢提高了40％以上，抗拉强度455～598MPa,屈服强度283～348Mpa。3)本专利技术提供的高导电性阳极钢爪用钢的制备方法，可控制钢的组织组成、晶粒尺寸在合理的范围，配合钢的组成成分使钢兼具良好导电性能与力学性能。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及权利要求书中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明图1为对比例1放大200倍的金相组织；图2为对比例5放大200倍的金相组织；图3为对比例6放大200倍的金相组织；图4为实施例2放大200倍的金相组织；图5为实施例5放大200倍的金相组织；图6为实施例9放大200倍的金相组织。具体实施方式以下结合具体实施例和对比例对一种高导电性阳极钢爪用钢及其制备方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本专利技术不限定于这些实施例中。本专利技术提供了一种高导电性阳极刚爪用钢，其组成以重本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高导电性阳极刚爪用钢，其特征在于，组成以重量百分比计为：C：0.01‑0.1％，Si：0.01‑0.5％，Mn：0.01‑1.0％，S≤0.01％，P≤0.02％，Al：0.01‑0.5％，V：0.01‑0.2％，N：0.004‑0.02％，余量：Fe及不可避免的杂质；所述C、Si、Mn、P、S、Al、V、N同时满足如下关系：0.35％≤(C+Si+Mn+P+S+Al+V+N)≤1.8％，0.45≤V/(C+N)≤5.8，0.25≤V/Al≤1.2；所述钢中铁素体组织的含量不低于90％，珠光体组织的含量不高于10％；所述钢的平均晶粒尺寸大于等于20μm且小于等于200μm。

【技术特征摘要】
1.一种高导电性阳极刚爪用钢，其特征在于，组成以重量百分比计为：C：0.01-0.1％，Si：0.01-0.5％，Mn：0.01-1.0％，S≤0.01％，P≤0.02％，Al：0.01-0.5％，V：0.01-0.2％，N：0.004-0.02％，余量：Fe及不可避免的杂质；所述C、Si、Mn、P、S、Al、V、N同时满足如下关系：0.35％≤(C+Si+Mn+P+S+Al+V+N)≤1.8％，0.45≤V/(C+N)≤5.8，0.25≤V/Al≤1.2；所述钢中铁素体组织的含量不低于90％，珠光体组织的含量不高于10％；所述钢的平均晶粒尺寸大于等于20μm且小于等于200μm。2.根据权利要求1所述的高导电性阳极钢爪用钢，其特征在于，组成以重量百分比计为：C：0.015-0.052％，Si：0.012-0.33％，Mn：0.013-0.48％，S≤0.008％，P≤0.016％，Al：0.16-0.25％，V：0.013-0.12％，N：0.005-0.012％，余量：Fe及不可避免的杂质；所述C、Si、Mn、P、S、Al、V、N同时满足如下关系：0.42％≤(C+Si+Mn+P+S+Al+V+N)≤1.65％，0.5≤V/(C+N)≤5.0，0.35≤V/Al≤1.0。3.根据权利要求1所述的高导电性阳极钢爪用钢，其特征在于，组成以重量百分比计为：C：0.058-0.096％，Si：0.3-0.48％，Mn：0.51-0.99％，S≤0.005％，P≤0.012％，Al：0.28-0.47％，V：0.13-0.19％，N：0.014-0.018％，余量：Fe及不可避免的杂质；所述C、Si、Mn、P、S、Al、V、N同时满足如下关系：0.55％≤(C+Si+M...

【专利技术属性】
技术研发人员：李健，苏航，杨丽，柴锋，罗小兵，杨才福，
申请(专利权)人：钢铁研究总院，中联先进钢铁材料技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京,11