一种耐高温抗变形电解槽用钢及其制备方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A High Temperature Resistant and Deformation Resistant Electrolytic Cell Steel and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种耐高温抗变形电解槽用钢及其制备方法
本专利技术涉及工程材料领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术提供一种耐高温抗变形电解槽用钢及其制备方法。本专利技术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。本专利技术通过低碳设计、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）。另一方面本专利技术形成了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。本专利技术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。具体实施方式本专利技术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。本专利技术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，本专利技术的技术方案是：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。在钢中沿晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨新龙，梁立辉，秦俊山，李金泽，刘国良，姜军，郭营利，董建军，陈开锋，董志林，
申请(专利权)人：甘肃酒钢集团宏兴钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：甘肃,62