一种单相无磁耐蚀电解铝打壳锤头的制备方法及其产品与流程

1.本发明涉及材料成型技术领域，特别是涉及一种单相无磁耐蚀电解铝打壳锤头的制备方法及其产品。


背景技术：

2.电解铝就是通过电解得到的铝，现代电解铝工业生产采用冰晶石-氧化铝融盐电解法。熔融冰晶石是溶剂，氧化铝作为溶质，以碳素体作为阴阳极，通入强大的直流电后，在950℃～970℃下，在电解槽内的两极上进行电化学反应，即电解。在电解过程中，电解质表面由于温度低容易凝固成壳体，影响加料以及出铝的过程，在加料和出铝的过程中需要将表面电解质壳击碎。击碎电解质壳体通常采用截面为圆形或者矩形的金属锤头，金属锤头一般采用普通q235钢、a3钢或者45#钢。
3.电解槽中打壳用的锤头作为预焙阳极铝电解槽自动下料系统的重要部件之一，也是电解铝生产中的关键易损部件。这是由于锤头工作环境恶劣：
①
需要不断周期性的打开电解质壳面，进行电解原料的添加，所击打的电解质壳体为al2o3，具有高硬度和耐磨性，锤头极易磨损；
②
电解池中的电解质处于高温熔融状态，极易产生熔盐及铝液腐蚀；
③
高温使得普通钢材质极易软化；
④
电解过程中有极强的电场和磁场会使得锤头的温度更易升高，氧化、腐蚀及磨损现象更加突出。这些综合因素使得锤头材料不断损失，最后因锤头端部尺寸减小，形成“铅笔尖”形状而失效。采用普通钢材质的锤头在这种恶劣的工作条件下使用寿命一般仅仅为3～4个月，这就会使打壳锤头的更换和维修更加频繁，这种情况一方面加重锤头的投入，加重工作人员的劳动强度，降低电解槽保温效果，同时使得生产周期增长，大大增加了企业的生产成本；另一方面消耗的锤头材料进入铝液，造成铝液中fe等杂质含量过高，造成原铝品质下降。
4.为了解决存在的问题，人们也做了很多工作，技术人员从壳体的结构以及控制方法角度出发，进行一定的结构及控制方式创新，如cn200420032940.0“铝电解打壳装置打击锤头”和cn200420060104.3“整体可拆式打壳装置”，针对维护及更换的工作量问题，提供了安装、拆卸、维修方便的打壳装置。该方法并不能从根本上解决锤头的腐蚀问题，只是方便了锤头的更换。从材质角度cn201710879405.0“一种铝电解打壳锤头用合金材料及新型打壳锤头表面增材的成型工艺”公开一种铝电解用打壳锤头增材用合金材料，其组分按照重量配比为铪2％～5％、铬9％～11％、钼5％～10％、钴10％～13％、铌2％～4％、硼化物12％～25％、碳化钨20％～30％、碳化钛8％～10％、碳0.1％～1.5％、硅0.5％～1.5％，其余为铁。这种增材合金具有高耐磨、高硬度。cn200610050934.1“铝电解打壳锤头”锤头材质改为耐热钢铸件(gb/t8492-1987)，牌号zg30cr26ni5或zg30cr20ni10，或耐热铸铁件(gb9437-88)，牌号rqta15si5或rqta122，寿命相应延长。从材质角度虽然能够相应延长使用寿命，但是腐蚀问题依然存在，这主要是基于材质均为磁性材质，而电解过程中的磁场，引发的电磁感应产生的热量，使得锤头温度升高，引发铝液腐蚀并不能得到解决。综合以上方案中提到的改变结构、改善装置、增材制造以及改变材质等方法不能解决腐蚀问题，价格又比较高，
均未从根本上解决磁场加热的腐蚀问题。同时由于铝液温度高达900℃以上产生的热传导，磁场产生的热以及电解池中电流在锤头产生的电阻热，相互叠加，造成锤头温度的迅速升高，铝液腐蚀更加严重。
5.针对现有技术存在的问题，根据工况条件进行深入分析，发现电解池每昼夜打壳气缸动作700次左右，平均2分钟敲击一次，每次浸泡在930～950℃左右的电解质中2～3秒。单从与电解质的短暂接触，以及温度的升高，基本不会造成如此强烈的热氧化与腐蚀。造成这种腐蚀的另一个重要原因是磁场的产生。这是基于电解铝过程中产生的为强磁场，并且电解质不均匀，磁场产生变化，再加上锤头在磁场中不断往复运动，产生的类似电磁感应加热的效果。再者电解质中强烈的电流，产生的电阻热是使得锤头温度升高的第三个原因。三种加热原因的叠加，使得锤头温度极易升高，从而引发强烈的热氧化以及铝液腐蚀。因此，研发一种单相无磁耐蚀电解铝打壳锤头十分必要。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种单相无磁耐蚀电解铝打壳锤头的制备方法及其产品。现有技术中，针对锤头的安装、维修、控制以及拆卸方面做的工作比较多，但是这不能从根本解决锤头的腐蚀损耗问题；也有部分研究了锤头材质的改良，但是成本比较高，另外对锤头损耗的本质针对性不强。鉴于此，针对锤头损耗的本质，克服了以上问题，得到一种低成本单相无磁耐蚀电解铝打壳锤头。本发明采用双液铸造，锤头下半部分为奥氏体不锈钢，上半部分为普通钢，该锤头没有磁性、导电性好，具有成本低、使用寿命长等优点。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.本发明目的之一是提供一种单相无磁耐蚀电解铝打壳锤头的制备方法，包括如下步骤：
9.(1)采用消失模铸造的方式，按照锤头的标准尺寸(尺寸为直径90mm，长度420mm)，制作消失模型腔，在保护气氛下进行碳化处理，并测定残碳量；
10.(2)将奥氏体不锈钢成分熔化并混合得到奥氏体不锈钢液体，将q235钢(低碳钢)熔化得到q235钢液体；
11.(3)将奥氏体不锈钢液体导入到消失模型腔中，再将q235钢液体导入到消失模型腔中，冷却后取出，得到单相无磁耐蚀电解铝打壳锤头。
12.进一步地，步骤(1)中，所述消失模型腔的上部分呈现部分中空结构，上部中空结构占上部分总体积的40～50％。
13.进一步地，步骤(1)中，所述消失模型腔的制作原料为可发性聚苯乙烯树脂珠粒(eps)、可发性甲基丙烯酸甲酯与苯乙烯共聚树脂珠粒(stmma)和可发性聚甲基丙烯酸甲酯树脂珠粒(epmma)中的一种或多种组合。
14.进一步地，步骤(1)中，所述残碳量的测定为：准确称量消失模型腔的质量，碳化处理后称量其质量，计算得到残碳量。
15.进一步地，步骤(1)中，所述保护气氛为高纯氩气，所述碳化处理在管式气氛炉中进行，碳化处理的温度为1000～1500℃，时间为1～3h。
16.进一步地，步骤(2)中，所述奥氏体不锈钢成分，按照质量分数计算为：c：≤
0.08％、si：≤1.00％、cr：18.00-20.00％、mn：≤2.00％、ni：8.00-11.00％、p：≤0.045％、s：≤0.030％，其余含量为纯铁粉。
17.进一步地，所述奥氏体不锈钢成分的各元素采用金属颗粒或者粉末，纯度要求均为99.9％，所述c的加入量需要减去消失模型腔的残碳量，避免碳含量超过设定值。
18.进一步地，步骤(2)中，所述奥氏体不锈钢成分的熔化温度为900～1600℃，所述q235钢的熔化温度为1500～2000℃。
19.进一步地，步骤(3)中，所述奥氏体不锈钢液体的高度为消失模型腔高度的1/3～1/2，所述q235钢液体的高度为消失模型腔高度的1/2～2/3。
20.进一步地，步骤(3)中，所述奥氏体不锈钢液体导入到消失模型腔后，间隔5～15min，再加入q235钢液体，此时奥氏体不锈钢液体和q235钢液体部分重叠，此区域为双液过渡区。
21.本发明目的之二是提供一种所述的制备方法制得的单相无磁耐蚀电解铝打壳锤头。
22.本发明公开了以下技术效果：
23.(1)生产工艺简单，生产成本低。本发明的双液铸造锤头上半部分不进入电解质区，采用普通的q235钢，避免了整体采用高耐热合金的成本弊端，具有低廉的价格。同时上部q235钢进一步浇筑为部分中空结构，进一步降低了重量和成本，本发明的锤头与现有锤头相比价格低20～25％。
24.(2)电磁感应产热少。电解槽打壳锤头长时间频繁工作在强磁场环境下，普通锤头的使用寿命仅仅为3～4个月。本发明双液铸造锤头，下半部分采用奥氏体不锈钢，该材质为非磁性材料，能够避免磁场的电磁感应加热，降低了感应温度，并且含有合金元素，具有耐腐蚀及耐高温性能，使用寿命能够达到24～26个月。
25.(3)电阻产热小。由于金属的特性，随着温度的升高电阻升高，由于上述电磁感应减少，因而温度能够保证比铁磁性锤头有着较低的范围，这样电阻也相应减小。电阻小，在电解过程中强电流的环境下电阻产热也相应减小，进一步降低锤头温度，保证使用寿命。
26.(4)保证了原铝纯度。由于下半部分奥氏体不锈钢耐蚀性好，减少了fe等元素进入铝液中，有效保证了铝液的质量，提高了铝液纯度。
27.(5)异种金属间结合强度高。由于浇筑时，两相均为液体，中间有充分的混合带，其结合强度优于异种金属焊接锤头和固液铸造锤头。
28.(6)显著降低铝液腐蚀。铁基材料铝液腐蚀主要归于以下两种原因，一是物理腐蚀：主要为基体元素原子的脱溶、扩散，液体的冲蚀和固体的侵蚀；二是化学腐蚀：主要是在物理腐蚀基础上熔铝原子与基体原子铁发生化学反应生成feal和fe2a15金属间化合物。奥氏体不锈钢中合金元素在al液中扩散速度慢，同时由于该材料锤头产热小，显著降低物理腐蚀。由于物理腐蚀的降低，在此基础上发生的化学腐蚀也会显著降低。
29.(7)完全由奥氏体单相组成。这种单相的组织可以减少晶界杂质的聚集，减少电化学腐蚀和铝液腐蚀。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所
需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为单相无磁耐蚀电解铝打壳锤头双液铸造示意图。
具体实施方式
32.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
33.应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
34.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
35.在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
36.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
37.在本发明中，所有原料均为常规市售产品。
38.在本发明中，奥氏体不锈钢成分的各元素采用金属颗粒或者粉末，纯度要求均为99.9％。
39.实施例1
40.(1)采用消失模铸造的方式，按照锤头的标准尺寸，制作消失模型腔(原料为可发性聚苯乙烯树脂珠粒eps、可发性甲基丙烯酸甲酯与苯乙烯共聚树脂珠粒stmma和可发性聚甲基丙烯酸甲酯树脂珠粒epmma的组合，质量比为1:1:1)，消失模型腔的上部中空结构占上部分总体积的45％，在氩气气氛下进行碳化处理，温度为1300℃，时间为2h；准确称量消失模型腔的质量，碳化处理后称量其质量，计算得到残碳量；
41.(2)奥氏体不锈钢成分，按照质量分数计算为：c：0.08％(c的加入量需要减去消失模型腔的残碳量)、si：0.08％、cr：19.00％、mn：1.00％、ni：10.00％、p：0.03％、s：0.02％，其余含量为纯铁粉；将奥氏体不锈钢成分熔化并混合得到奥氏体不锈钢液体，熔化温度为1200℃，将q235钢(低碳钢)熔化得到q235钢液体，熔化温度为1800℃；
42.(3)将奥氏体不锈钢液体导入到消失模型腔中，奥氏体不锈钢液体的高度为消失模型腔高度的1/2，间隔15min，再将q235钢液体导入到消失模型腔中，q235钢液体的高度为消失模型腔高度的1/2，冷却后取出，得到单相无磁耐蚀电解铝打壳锤头。
43.实施例2
44.(1)采用消失模铸造的方式，按照锤头的标准尺寸，制作消失模型腔(原料为可发性聚苯乙烯树脂珠粒eps)，消失模型腔的上部中空结构占上部分总体积的42％，在氩气气氛下进行碳化处理，温度为1200℃，时间为3h；准确称量消失模型腔的质量，碳化处理后称量其质量，计算得到残碳量；
45.(2)奥氏体不锈钢成分，按照质量分数计算为：c：0.05％(c的加入量需要减去消失模型腔的残碳量)、si：0.07％、cr：18.50％、mn：1.58％、ni：8.76％、p：0.04％、s：0.02％，其余含量为纯铁粉；将奥氏体不锈钢成分熔化并混合得到奥氏体不锈钢液体，熔化温度为1000℃，将q235钢(低碳钢)熔化得到q235钢液体，熔化温度为1600℃；
46.(3)将奥氏体不锈钢液体导入到消失模型腔中，奥氏体不锈钢液体的高度为消失模型腔高度的1/3，间隔10min，再将q235钢液体导入到消失模型腔中，q235钢液体的高度为消失模型腔高度的2/3，冷却后取出，得到单相无磁耐蚀电解铝打壳锤头。
47.实施例3
48.(1)采用消失模铸造的方式，按照锤头的标准尺寸，制作消失模型腔(原料为可发性甲基丙烯酸甲酯与苯乙烯共聚树脂珠粒stmma和可发性聚甲基丙烯酸甲酯树脂珠粒epmma，质量比为1:1)，消失模型腔的上部中空结构占上部分总体积的47％，在氩气气氛下进行碳化处理，温度为1450℃，时间为1h；准确称量消失模型腔的质量，碳化处理后称量其质量，计算得到残碳量；
49.(2)奥氏体不锈钢成分，按照质量分数计算为：c：0.06％(c的加入量需要减去消失模型腔的残碳量)、si：0.50％、cr：19.50％、mn：1.56％、ni：10.00％、p：0.03％、s：0.03％，其余含量为纯铁粉；将奥氏体不锈钢成分熔化并混合得到奥氏体不锈钢液体，熔化温度为1500℃，将q235钢(低碳钢)熔化得到q235钢液体，熔化温度为1800℃；
50.(3)将奥氏体不锈钢液体导入到消失模型腔中，奥氏体不锈钢液体的高度为消失模型腔高度的1/2，间隔10min，再将q235钢液体导入到消失模型腔中，q235钢液体的高度为消失模型腔高度的1/2，冷却后取出，得到单相无磁耐蚀电解铝打壳锤头。
51.对比例1
52.同实施例1，区别在于，将奥氏体不锈钢成分替换为q235钢。
53.对比例2
54.同实施例1，区别在于，奥氏体不锈钢成分，按照质量分数计算为：c：0.15％、si：1.50％、cr：17.00％、mn：1.00％、ni：12.00％、p：0.15％、s：0.02％，其余含量为纯铁粉。
55.对比例3
56.同实施例1，区别在于，将奥氏体不锈钢液体导入到消失模型腔后，直接将q235钢液体导入到消失模型腔中，没有15min的时间间隔。
57.表1
[0058] 界面结合强度(mpa)使用寿命(月)实施例135026实施例234026实施例330024对比例1——20
对比例228322对比例329720
[0059]
由表1可知，本发明的单相无磁耐蚀电解铝打壳锤头的界面结合强度可达350mpa，表明力学性能良好；该单相无磁耐蚀电解铝打壳锤头的使用寿命可达26个月，表明其具有优异的耐腐蚀性能和高温性能，与对比例相比具有明显优势。
[0060]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。