[发明专利]一种高导电性阳极钢爪用钢及其制备方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于低合金钢技术领域，尤其涉及一种高导电性阳极钢爪用钢及其制备方法。

背景技术

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/T 31204-2014《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。

发明内容

鉴于以上分析，本发明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。

本发明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；