CN103866192A

CN103866192A - 一种低电阻率钢及其制造方法

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Publication number: CN103866192A
Application number: CN201410059015.5A
Authority: CN
Inventors: 孙全社; 王双成; 张汉谦; 郑建忠; 肖桂林; 顾友明
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2034-02-21
Also published as: CN103866192B

Abstract

本发明公开了一种低电阻率钢，其化学元素质量百分配比为：C：0.001～0.010%，Si：≤0.03%，Mn：0.01～0.20%，Al：0.001～0.050，N：≤0.010%，O：0.001～0.015%，Nb：0.001～0.05%、V：0.001～0.05%、Cu：0.01～2.00%和Ti：0.001～0.05%中的至少一种；余量为Fe和其他不可避免的杂质；且满足：0.86×Mn+1.64×Al+4.88×O≤0.30。相应地，本发明还公开了该低电阻率钢的制造方法。本发明所述的低电阻率钢，其电阻率低，膨胀系数低，且制造成本低廉。

Description

一种低电阻率钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢材及其制造方法，尤其涉及一种电极用钢及其制造方法。

背景技术

在工业电解铝时，需要调整电解槽炉底电阻和电流分布以改善铝液的水平电流。阴极钢板可以起到均匀分布电流，改善铝液水平电流，实现低电压生产并降低电解铝直流电耗的作用。由于在电解铝时，阴极钢板长期在900℃左右的高温条件下服役，因此，不仅要求钢板具有良好的导电性，即电阻率低，还要求其具有较低的线膨胀系数和较高的强度。

就阴极材料而言，铜在常温下的电阻率极低（纯铜在室温下的电阻率为1.9×10^-8Ω·m），但是铜的线膨胀系数较高，其在20～100℃时约为18×10^-6/℃，而且铜在室温下的抗拉强度很低，仅为130～150MPa。与此同时，由于铜的熔点低，在900℃左右的高温条件下其电阻率和线膨胀系数会显著升高，并且其强度会明显地降低，加之铜的价格高昂，因此，铜并不适合作为高温条件下的阴极材料。为了满足高温条件下电极对于导电性、强度和膨胀变形等各项综合性能的要求，同时也为了降低生产成本，目前主要使用结构钢Q195和结构钢Q235等作为阴极电极。Q195和Q235在室温下的电阻率约为15×10^-8Ω·m，然而在900℃时，其电阻率会大于120×10^-8Ω·m，因此，它们并不完全适合作为在高温条件下工作的阴极电极。

在此，期望获得一种用于阴极电极的钢材，其在高温工作状态下具有较低的电阻率，较低的膨胀系数以及较高的强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低电阻率钢及其制造方法，该钢材的电阻率低，膨胀系数低，且制造成本低。

为了实现上述目的，本发明提出了一种低电阻率钢，其化学元素质量百分配比为：

C：0.001～0.010%，

Si：≤0.03%，

Mn：0.01～0.20%，

Al：0.001～0.050，

N：≤0.010%，

O：0.001～0.015%，

Nb：0.001～0.05%、V：0.001～0.05%、Cu：0.01～2.00%和Ti：0.001～0.05%中的至少一种；

余量为Fe和其他不可避免的杂质；且满足：

0.86×Mn+1.64×Al+4.88×O≤0.30%。

本发明所述的低电阻率钢中的各化学元素的设计原理为：

碳：碳以固溶状态存在于铁素体中，多余的碳还会形成渗碳体。在加钛、铌、钒时，碳和钛、铌、钒形成碳化物。无论固溶状态的碳还是渗碳体或碳化物，都会引起铁素体的晶格畸变，导致钢的电阻率上升，因此随着钢中碳含量的增加，钢的电阻率升高。为了降低钢的电阻率，碳含量需要低于0.010wt.%；但是，当碳含量低于0.001wt.%时，降低碳含量所产生的冶炼成本会显著提高，因此，在本发明的技术方案中需要将碳含量控制在0.001～0.010wt.%之间。

硅：硅是脱氧元素，但其脱氧能力比铝、锰差。硅能够固溶于钢中提高钢的强度，但对于提高电阻率来说，应控制硅含量在本技术方案所述的范围内越低越好。

锰：锰是脱氧元素，其能够固溶于钢中以提高钢材的强度，然而锰的添加也会提高钢的电阻率，故而其加入量也不宜过高，本发明的钢中的锰应该控制为0.01～0.20wt.%。

铝：铝是强脱氧元素，其还可以细化晶粒以提高钢的强度，但是铝的加入也会提高钢的电阻率，在钢中可以允许加入适量的铝作为脱氧剂并提高钢的强度，不过，在本发明中的铝含量应控制为0.001～0.050wt.%。

氮：氮以固溶状态存在于铁素体中，当钢中添加钛时，氮极易和钛形成氮化钛化合物。随着钢中氮含量的增加，钢的电阻率也会逐步升高，同时，氮化钛夹杂物也会造成钢的电阻率上升。因此，本发明的技术方案中的氮含量需要设定为≤0.010wt.%。

氧：在转炉冶炼中主要采用吹氧脱碳的方法，因此氧是钢中不可避免的化学元素，其主要以氧化物的夹杂存在于钢中，这些夹杂物不利于降低钢的电阻率，但是过低含量的氧在冶炼中很难实现。对于本技术方案中的氧元素，应该将其控制在0.001～0.015wt.%。

铌和钒：铌和钒都是强碳化物、氮化物的形成元素，它们既可以形成单一的碳化物或氮化物，又可以形成复合的碳氮化合物。这些形成的夹杂物或者析出相能够在热轧时抑制晶粒长大，以利于提高钢的强度和提高钢的焊接性能，然而夹杂物或者析出相却会损害钢的导电性。因此，在本发明的技术方案中需要适当控制两者的添加量以改善钢的综合性能，将铌的质量百分含量控制为0.001～0.05%，将钒的质量百分含量控制为0.001～0.05%。

铜：铜可以提高钢的导电性，降低钢的电阻率。铜能够提高钢的再结晶温度，通过铜的析出来提高钢的强度，因此，本发明的技术方案中铜的添加量应该为0.01～2.00wt.%。

钛：与铌和钒元素一样，钛也是强碳化物、氮化物形成元素。钛的夹杂物和析出相也同样会损害导电性，因此，在本技术方案中允许适量地添加钛以改善钢的综合性能，其添加量应为0.001～0.05wt.%。

另外，上述添加元素还需要满足0.86×Mn+1.64×Al+4.88×O≤0.30。在钢液凝固过程中，钢中的锰和氧易形成MnO化合物，铝和氧也易形成Al₂O₃化合物，当然也极有可能形成复合夹杂物。这些坚硬夹杂物会造成晶格畸变，导电性差。另外，锰和铝的原子半径均大于铁原子半径，当锰和铝以固溶形式存在时，也同样会造成晶格畸变，损害钢的导电性。综合锰、铝和氧形成氧化物和固溶状态对钢的电阻率的影响，同时也要考虑到锰和铝是脱氧的必要元素，三者之间必须满足本案所述的约束关系，即0.86×Mn+1.64×Al+4.88×O≤0.30。

本技术方案中，不可避免的杂质主要是指S、P和B元素，其均是提高电阻率的元素，因此要尽可能低地控制其含量。此外，在本发明所述的低电阻率钢中，常见的残余元素和有害元素还有Cr，Ni，Mo，Ge，Se，Sn，Te，As和Sb等，它们主要来自于冶炼过程的原料，其含量是越低越好。

本发明所述的低电阻率钢的微观组织基本全部为铁素体。而现有的电极用钢的微观组织多为珠光体+铁素体。

本发明所述的低电阻率钢在室温下的电阻率≤11×10^-8Ω·m。在相同的室温条件下，本技术方案中的低电阻率钢的电阻率小于现有的Q195和Q235结构钢的电阻率。

相应地，本发明还提供了上述低电阻率钢的制造方法，该制造方法可以生产出膨胀系数低且强度高的低电阻率钢，该低电阻率钢的制造方法包括步骤：

（1）冶炼；

（2）铸坯；

（3）热轧和冷却。

进一步地，在上述步骤（3）中，冷却是在热轧过程中水冷或空冷。

进一步地，在上述步骤（3）中，冷却是在热轧过程后水冷或空冷。

进一步地，在上述步骤（3）中，在T_终轧～300℃的温度区间内的平均冷却速率≤20℃/s。通过较慢的冷却速度是为了保证铁素体晶粒充分长大，这样更加有利于降低钢的电阻率。

进一步地，在上述步骤（3）中，热轧加热温度为1100～1250℃。采用较高的加热温度使得钢的奥氏体组织充分均匀化。

进一步地，在上述步骤（3）中，热轧开轧温度为1000～1100℃。

进一步地，在上述步骤（3）中，热轧终轧温度为750～950℃。

采用本发明所述的技术方案，能够得到电阻率低的产品，且其具有较低的膨胀系数，并且生产制造成本低廉。

具体实施方式

下面将根据具体实施例对本发明所述的低电阻率钢及其制造方法做进一步说明，但是具体实施例和相关说明并不构成对于本发明的技术方案的不当限定。

实施例A1-A9和对比例B1-B3

按照下列步骤制造本发明所述的低电阻率钢，其包括：

（1）冶炼和真空脱气处理：在冶炼时尽量不加废钢或加入较少量的废钢，主要采用铁水冶炼，以避免废钢带入Cr，Ni，Mo，Ge，Se，Sn，Te，As和Sb等有害元素，冶炼的主要目的是脱碳并去除钢中的有害气体，加入必要的合金元素，降低有害元素的含量，控制钢的化学元素质量百分配比如表1所示；

（2）铸坯：连铸成板坯；

（3）热轧：加热温度为1100～1250℃，终轧温度为750～950℃，在加热时，要有充分的加热和保温时间保证钢中组织均匀化，采取较高的轧制温度，目的是在轧制过程中和轧制以后实现充分再结晶和晶粒长大。

（4）冷却：在T_终轧～300℃的温度区间内，以≤20℃/s的平均冷却速率进行水冷或空冷，具体的制造工艺参数如表2所示。

需要说明的是，在上述步骤（2）中也可以采用模铸方式进行铸坯，但是相较于模铸方式，采用连铸方式可以使得钢的内部成分均匀，表面质量好，成材率高，生产效率佳。

另外，上述步骤（4），即冷却步骤也可以在热轧过程中进行。

表1.实施例A1-A9和对比例B1-B3的化学元素的质量百分配比（wt.%，余量为Fe和其他不可避免的杂质）

注*：R=0.86×Mn+1.64×Al+4.88×O，R≤0.30%。

表2列出了本案实施例A1-A9和对比例B1-B3的制造工艺参数。

表2.

表3列出了本案实施例A1-A9和对比例B1-B3的各项性能参数。

表3.

从表3中可以看出，上述实施例A1-A9在室温（20℃）下的电阻率均小于11×10^-8Ω·m，在20～900℃下的热膨胀系数均小于等于14×10^-6/℃。相较于对比例B1-B3，实施例A1-A9的电阻率和热膨胀系数均较小。

此外，由表3可知，实施例A1-A9的延展性较好，且R_p0.2在200MPa左右，R_m在300MPa左右，具有较好的强度，虽然其强度没有对比例高，但是也能满足电极用钢的要求。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种低电阻率钢，其特征在于，其化学元素质量百分配比为：

C：0.001～0.010%，

Si：≤0.03%，

Mn：0.01～0.20%，

Al：0.001～0.050，

N：≤0.010%，

O：0.001～0.015%，

余量为Fe和其他不可避免的杂质；且满足：

0.86×Mn+1.64×Al+4.88×O≤0.30%。

2.如权利要求1所述的低电阻率钢，其特征在于，其微观组织基本全部为铁素体。

3.如权利要求1所述的低电阻率钢，其特征在于，其室温下的电阻率≤11×10^-8Ω·m。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的低电阻率钢的制造方法，其特征在于，包括步骤：

（1）冶炼；

（2）铸坯；

（3）热轧和冷却。

5.如权利要求4所述的低电阻率钢的制造方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，冷却是在热轧过程中水冷或空冷。

6.如权利要求4所述的低电阻率钢的制造方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，冷却是在热轧过程后水冷或空冷。

7.如权利要求4所述的低电阻率钢的制造方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，在T_终轧～300℃的温度区间内的平均冷却速率≤20℃/s。

8.如权利要求4所述的低电阻率钢的制造方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，热轧加热温度为1100～1250℃。

9.如权利要求4所述的低电阻率钢的制造方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，热轧开轧温度为1000～1100℃。

10.如权利要求4所述的低电阻率钢的制造方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，热轧终轧温度为750～950℃。