稀土高铬铸铁锤头研究及应用.pdf

第6 3 卷第2 期 2Ol1 年5 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a J s V 0 1 ．6 3 ．N o ．2 M a y20l I D o l 1 0 ．3 9 融／j ．i s s n ．1 ∞1 0 2 1 1 ．2 0 1 1 ．舵．0 3 3 稀土高铬铸铁锤头研究及应用 张胜全1 ，张整社2 ，王希靖1 1 ．兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州7 3 0 0 5 0 ； 2 ．中国铝业公司连城分公司，兰州7 3 0 0 3 5 摘要铝电解的过程中。打壳锤头在高温环境中工作，主要受到高温电解液的高温腐蚀、壳及氧化铝的磨损，使锤头失效， 而起主导作用的是高温腐蚀。对两种材料锤头失效的分析，确定了材料的洁净程度对高温腐蚀影响。通过对不同材料进行实验 室高温腐蚀及高温磨损试验，确定了在此上矿条件下最优的材料为稀土高铬铸铁，经小型试验、中试和上业应用，取得了良好的效 果。 关键词稀土高铬铸铁；高温腐蚀；高温磨损 中图分类号T F l l l ．5 2 2文献标识码A文章编号1 0 0 l 0 2 l l 2 0 1 1 0 2 一0 1 3 6 0 6 在铝电解的过程中，为了补充电解所需氧化 铝、氟化铝，需要将电解液上部的壳打开，根据电解 槽的大小不同，电解的速度不同，每次加料的量和时 间的间隔不同，2 0 0k A 电解槽锤头每隔1 3 0s 打壳 一次，打壳时间3 s ，电解液的平均温度为9 5 0 ℃，环 境温度为1 0 0 ℃～1 5 0 ℃。工作温度高 9 5 0 ℃ ，促 进了氟盐对锤头的腐蚀，并且高温使锤头强度降低， 加速磨损。在锤头反复打壳的过程中，温度剧烈变 化，锤头受激冷激热产生热疲劳。锤头材料一般使 用低碳钢铸造或锻造，材料硬度低，耐蚀性能差，铸 造锤头夹杂物多，组织不均匀等，这些都加速锤头失 效，使锤头寿命缩短。 1 打壳锤头的现状 经对中铝连城分公司锤头寿命统计，平均寿命 1 2 0d ，并且两种锤头的失效形式不同，铸造锤头表 面存在大量较深的蚀坑，腐蚀不均匀，有磨损痕迹存 在；锻造锤头在圆周上呈波浪型磨痕，腐蚀和磨损是 同时进行的。表面形态如图1 所示，对锤头的金相 组织分析如图2 所示，图中a 、b 是两种锤头边沿的 组织，可以看出，两种锤头边沿都是沿晶界腐蚀的比 较严重，并且形成锯齿状，这种锯齿间距与锤头的晶 粒大小有关，晶粒大锯齿间距大，晶粒小锯齿间距 小。图2c 、d 为两种锤头的组织，可以看出，锻造锤 头晶粒比较粗大，珠光体数量较少，大部分 7 0 ％以 上 为铁素体，且夹杂物数量少；铸造锤头晶粒比较 细小，铁素体数量较少，大部分 6 0 ％以上 为珠光 体，且夹杂物数量多。两种锤头的化学分析及硬度 如表l 所示。由表l 可以看出，铸造锤头中碳含量 比锻造高，其它成分比较接近；锻造锤头硬度较低。 表l失效锤头化学成分及硬度 T a b l elC h e m i c “sa n dh a r d n e s so fh a m m e l 毫o u to fw o f k 收稿日期2 0 l o 0 7 2 I ● 作者简介张胜全 1 9 6 I 一 ．男．陕两富平人，硬十。高级T 程师，主 要从事耐磨材料及冶金节篚方面的研究。 2 打壳锤头失效分析 打壳锤头的形状及在打壳时的位置如图3 所 示，在使用时与打壳杆焊接在～起，锤头长度 3 2 0 m m 。打壳时大约有1 7 0 m m 在打壳时进入9 5 0 ℃ 的电解液中，使锤头受到热的作用，化学腐蚀更加严 万方数据 第2 期 张删．个等稀I f 瞄舒} 铸铁锤又研究技膻川 重，加快r 锤头的磨损。枉最初使川叫，锤头形状灶 球彤，开始时有效的耐磨体积小。凶此．改变打壳锤 头的结构，增加，f 1 1 同长度锤头的磨损量。锤头端而 和打壳杆平面焊接，经常出现虚焊的现象，尤其在冬 天严重时产生焊接裂纹，在打壳时锤头断裂掉进槽 中。锤头寿命关键是由自身的特性决定的，与其成 h 铸造锤业 分币自【织l f { 瞥圳的火系，．从l I f 盒牛纠【纵和宏观组 织f 以看m ，铸造锤头t { t 存档大量夹杂物，这是由于 铸造锤头刑水脱钮净化小充分，氧化物没有排出钢 液，凝㈣后以夹杂物的形式存在于锤头中，局部腐蚀 和磨拟加剧，在锤头表而产生大量的宏观蚀坑；组织 中存在较多的珠光体，组织不均匀也加速了腐蚀。 图l 锤头表面形态 s ur f a r 川I J r p I ⋯】o g 】rh a m ⋯c ‘ 0 j 赴} t 沁心m x H 图2 锤头组织 F 。g2 M i c r 。8 t r u c I u r eo fh a m m e r 在打壳条件下，锤头表面温度达到3 0 0 ～ 4 0 0 ℃，在与电解质接触时表面温度可能瞬时达到 5 0 0 ℃。两种锤头本身硬度较低，因此在高温条件下 使锤头硬度有较大幅度的降低．加速r 锤头的磨料 磨损。 锤头的腐蚀和磨损共同作用的结果造成锤头失 效，锻造锤头表向光滑主要是F h 于高温均匀腐蚀和 磨损造成的．其主要的火效形式是高温磨料磨损。 万方数据 1 3 8 有色金 属第6 3 卷 _ _ ／ ‘L ℃乡 哇 图3 锤头在电解槽液面的位置 F i g ．3 P 0 8 i t i o no f h a m m e ri ne l e c t r m y t i cl i q u i d 文献剖为了降低磨损，增加锤头体积，强化焊接质 量。从材料方面改进来看∞引，减少锤头中夹杂物， 使基体组织为高硬度单一相，使电化学腐蚀和磨损 减小。因此，新的锤头材料设计从改善内部组织着 手，提高锤头的硬度 高温硬度 和耐腐蚀性能两个 方面进行改进。 ‘ 总的来说，用系统分析的方法，从锤头结构、焊 接方式、材料等方面进行改进，提高锤头的寿命。 3实验室试验及试验数据分析 按照上述分析，从锤头结构、焊接方式、材料等 方面进行改进，达到提高锤头的寿命的目的。 3 ．1 对材料的改进 锤头是在高温腐蚀介质存在磨料磨损的工矿条 件下服役，要求材料同时具有高的耐腐蚀和高的硬 度。铝电解中的氟离子在高温下使锤头产生腐蚀 坑，同时锤头强度降低加剧了锤头磨损。因此，要求 锤头材料具有单相组织，减少电解液的腐蚀的同时 具有较高的热强性能。c r 2 0 ，在电解液中的溶解度 很小，硬度高，具有保护基体防止腐蚀的作用。因此 选择铬系钢，经不同的热处理进行试验。考虑到成 本的因素，选用4 5 号钢、4 0 c r 、2 c r l 3 、稀土高铬铸 铁，同时与Q 2 3 5 进行对比选优试验。稀土高铬铸 铁的化学成分 重量百分比 为碳1 ．5 ％一2 ．5 ％、硅 0 ．5 ％～1 ．5 ％、锰0 ．2 0 ％～1 ．5 ％、铬2 5 ．0 ％～ 3 5 ．0 ％、磷 O ．0 4 ％、硫 0 ．0 3 ％、混合稀土 o ．0 7 5 5 ％一o ．1 0 ％，其余为铁，将它们加工 铸造 成 成中1 0 m m 1 0 0 m m 磨损试样及中2 0 m m 5 m m 腐蚀试样。试样的热处理工艺见表2 。 表2 处理工艺 T a b l e2H e a tt r e a t m e n t 注2 c r l 3 淬火t 艺9 5 0 ℃／l h 水冷，氮化淬火后在6 5 0 一7 0 0 ℃／ 3 h 氮化处理。4 0c r 淬火工艺8 5 0 ℃／l h 油冷，4 5 淬火工艺8 5 0 ℃／l h 水冷。 3 ．2 试验结果 对腐蚀试样经热处理后测定硬度，腐蚀试验在 马弗炉中进行，并将试样放置在坩埚中，在6 0 0 ℃、 8 0 0 ℃含氧化铝的氟盐中进行腐蚀，腐蚀时间1 5 h 。 磨损试验在自制的往复式磨损试验机上进行，其温 度控制在9 5 0 1 0 ℃，时间3 0 m i n 。试样经磨损及腐 蚀试验后将表面清理干净。试验前后用1 ／l o 0 0 0 天 平称重，硬度及腐蚀、磨损试验的结果如表3 到表6 所示。 表32 C r l 3 试样的硬度 H R C 腐蚀及磨损失重 T a b l e3 H a r d n e s 8 H R c a n dc o r m s i o na n dw e 盯w e i g h t l o s s g o f2 C r l 3／g 万方数据 第2 期 张胜个等稀㈧。d 锵铸铁锤头研究及膻川l3 9 表5 4 5 钢试样硬度 H R c 腐蚀及磨损失重 1 ’ⅡbJ e5 H a r 1 1 1 e H H H R c n n dP o r r I * i I l n n n d 岫rw e i g h I ．】* H g u f4 5H h 十l ／ 硬度 1 2 4 8 4 75 3 l j F 一 腐蚀失重 器鬻；端 黑i黑i篇 J 量塑丝L 旦坐4 _ 竺 竺 竺 坚 表6 稀土高铬铸及Q 2 3 5 硬度、腐蚀及磨损失重 里生j 唑娈二 o _ ． 婴兰 堡 兰 从上述数据可以看出，同一材料2 c r l 3 、4 0 c r 、 工艺下磨损最小，并且小于对比的Q 2 3 5 。 4 5 钢在原始状态下的失重最小，稀土高铬铸铁在此 高铬铸铁n H ℃肟h 月H 炉冷 2 f r 】I 盘船组纠 t hm I 代’淬火 讪} 硼I t 淬火 囱48 0 0 ℃／1 5 h 腐蚀试验后金相组织x5 0 0 F i g4 8 0 0 屯／1 5 hm i c r 0 B t r u c t u m 5 0 0 由图4 可以看出，在稀土高铬铸铁组织中存在 高硬度的碳化物和铁索体基体，而在2 c r l 3 的组织 中弥散分布着细小的碳化物，集体为珠光体，4 5 号 钢、4 0 c r 是珠光体和铁素体的混合物。试验结果与 基体一致。 3 ．4 锤头结构的改变 锤头结构改变一方面从提高材料的耐磨性及耐 腐蚀性人手，另一方面增加锤头的有效磨损量。因 此将锤头形状改变为图5 所示形状。根据材料的成 本和性能特点确定结构。 万方数据 4 0有色金属 第6 3 卷 ＼、／ a 单一材料 b 绀装村料 c 铸造锤头 图5 锤头改变其结构 F j g5 T h es l n ，c u 则h a “g e so fh a m 巾e r 对比和试验材料全部使用试验室消耗最少的组 织原始状态，铸造稀土高铬铸铁锤头为退火状态。 4 在线试验 在生产中考虑成本的因素，要求锤头有高的性 价比，所以对于试验的几种材料失重最小的工艺及 图5 的结构进行r 试验，其结果如表7 所示。由表 7 可以看出，寿命按4 5 钢、4 0 c r 、A 3 、2 c r l 3 、稀土高 铬铸铁依次增加，另一方面，现场反映，锤头改变为 整体结构和焊接结构后重量增加，影响r 气缸的正 常【作；镶铸结构在不影响冲击力的情况下使重量 减轻，减少了气缸的磨损。 由表7 可以看出，根据口消耗量推算，2 4 0 天稀 士高铬铸铁、2 c r 】3 、Q 2 3 5 分别消耗4 ．6 、2 1 ．6 、 1 3 ．2 k g ，稀土高铬铸铁最优，其次是Q 2 3 5 ，2 c r l 3 最 差，由此分析，磨损量与锤头的组织及硬度有关，稀 土高铬铸铁组织为在铁素体基体七分布着碳化物， 表7 在线试验结果 T a b l e7R e s u l ho fo n I i n et e 5 t s 说明每种材料试验数量为9 件，其余为非正常下线．对比Q 2 3 5 钢2 什．2 c r l3 由于焊接问题．全部非正常下线 硬度最高；Q 2 3 5 以铁素体为主，有少量珠光体，硬度 最低。2 c r l 3 以珠光体为主，其上分布着粒状碳化 物，硬度居中。由此可知，组织对锤头消耗量的影响 起着决定性因素，而硬度是次要的因素。 对试验的锤头表面状况进行分析，如图6 所示。 锤头组织致密，消除了图2 腐蚀的锯齿形态，因此减 少了电解液对锤头的腐蚀。 根据上述两次的实际结果计算，稀土高铬铸铁 在2 4 0 d 消耗4 ．6 k g ，因此，1 0 0 件中试选用稀土高铬 铸铁材料及工艺。 5 扩大试验工艺及效益分析 生产锤头所用的原材料有废钢、合金及金属，根 据试验结果，配料满足及浇注后的分析，锤头化学成 分达到要求，成本在预定控制的范围内。经分不同 批次装机试验，锤头平均寿命达到3 0 0 d 以上。对安 装了试验锤头的电解槽铝液进行分析，没有发现锤 图6 稀土高铬铸铁锤头表面 F 嘻6 s u c eo fh 培hc h r o m i u mc a s ti r o nh a m m e rR E 头中的铬使铝液中铬元素超标。 根据新旧缍头使用寿命比较及每次更换锤头需 要的其它费用，每年可以节省费用4 5 万元。在一年 中锤头更换次数减少，大大降低了工人的劳动强度． 改善了作业环境。 _-b划，彳， r；lF．。．，，。；} i0刘刚酬Ⅷ障00、、、 万方数据 第2 期 张胜全等稀土高铬铸铁锤头研究及应用 1 4 l 6结论 1 经实验室及在线试验，确定了稀土高铬铸铁 在铝电解的高温环境下是最合适材料，由于铬、稀土 的共同作用，使锤头的寿命得到较大幅度的提高。 2 确定了合理的锤头结构、合金熔炼工艺、铸 参考文献 造工艺及热处理工艺。 3 使用寿命达到l O 个月以上，降低成本，减少 锤头材料对铝液质量的影响，铝液质量提高，减少锤 头更换次数。 4 锤头结构的改变，使锤头与捣杆的焊接更加 牢固，减少了锤头的脱落。 [ 1 ] 蒋文祥，苏仲生．电解铝打壳锤头熔融的分析与改进[ J ] ．河南冶金。2 0 0 6 ，1 4 6 5 l 一5 2 [ 2 ] 李发玉．张志广，仓斌．圆形打击又的开发与使用[ J ] ．轻金属．2 0 0 l 1 0 2 9 3 1 ． [ 3 ] 何定源，顾洪枢．打壳机工作机构的设计[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 2 3 4 5 4 8 ． [ 4 ] 刘怀钧．预焙阳极铝电解槽打壳锤头中国，2 0 0 5 2 0 0 7 6 5 7 7 [ P ] ．2 0 0 6 一l l 0 1 ． [ 5 ] 李红兵．可调式氧化铝电解槽打壳装置中国．2 0 0 4 2 0 1 1 7 2 7 6 ．X [ P ] ．2 0 0 6 0 3 0 8 ． [ 6 ] 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n d s o fm a t e r i a l s ，i ti 8c e n a i nt h a tt h ec l e a n n e s so fm a t e r i a l sp I a y sag T e a ti m p a c to nt h eh 培h t e m p e r a t u r ec o r r o s i o n ． B y h i g h t e m p e m t u r ec o n ．0 s i o na n da b m s i o nt e s to nd i f 耗r e n tm a t e r i a l si nl a b o r a t o r y ，R eh i g h - C rc a s ti r o ni sc o n f i r I I l e d t ob et h eb e s tm a t e r i a li ns u c hw o r k i n gc o n d i t i o n s ．G o o dr e s u l t sh a v eb e e na c h i e v e dd t e rs m a l le x p e r i m e n t s ，p i l o t t e 8 t B 叽di n d u s t “a la p p l i c a t i o n s ． K e y w o r d s R eh i g h - C rc a s ti r o nh a m m e r ；h i g ht e m p e r a t u r ec o 玎o s i o n ；h i g ht e m p e r a t u r ew e a r ‘ 责任编辑黄珊艳 万方数据