一种汽车动力电池电极用热轧盘条及生产方法

摘要

一种汽车动力电池电极用热轧盘条，其组分及wt%为：C≤0.010%、Si≤0.02%、Mn：0.04～0.08%、P≤0.020%、S≤0.015%、Alt≤0.015%、Cu≤0.020%、Cr≤0.013%、Mg≤0.010%、Zn+Pb+Ni+Mo：≤0.030%；生产方法：铁水预处理；转炉冶炼；真空处理；连铸成坯；对铸坯加热；轧制；吐丝；缓冷至室温；待用。本发明通过合理的成分配比及工艺配合，达到电极用钢的要求，同时实现连铸生产的可持续性。其所制备的电动汽车用电池电极，比容量达170mAh/g、循环性能好、使用周期长达2000次，更好地满足了汽车动力电池的使用需求。

权利要求

1.生产一种汽车动力电池电极用热轧盘条的方法，其步骤：所述一种汽车动力电池电极用热轧盘条，其组分及重量百分比含量为：C≤0.010 %、Si≤0.002 %、Mn：0.04～0.048%、P≤0.020 %、S≤0.015 %、Al≤0.004 %、Cu≤0.020%、Cr≤

0.013%、Mg≤0.010%、Zn+Pb+Ni+Mo：≤0.030 %，其余为Fe及不可避免的杂质，且满足Mn/S不低于8；

1）对铁水进行预处理：控制入厂铁水中：S≤0.025%，Mn≤0.30%，Cu≤0.020%，Cr≤

0.010%，Si≤0.80％；铁水温度不低于1250℃；进转炉前铁水S含量控制为[S]≤0.002%；

2）进行转炉冶炼：控制转炉终点C：0.030～0.060%， S≤50ppm，出钢目标温度不低于

1650℃，出钢时间不低于4min，且出钢中不予以脱氧；加入的废钢中的S≤0.015% ；

3）进行RH炉真空处理：真空处理时间不低于25min；镇静时间不低于10min；其间采用一次性加铝脱氧，使钢水中的氧含量不超过15ppm，渣中的FeO≤6%；

4）连铸成坯：控制中包钢水过热度在38～45℃，拉坯速度在1.1～1.3m/min；

5）对铸坯加热，加热温度控制在1100 1150℃，加热时间控制在120-150min；

~

6）进行轧制，开轧温度控制在1085 1130℃；轧制成直径6.5～17.0mm的盘条；

~

7）进行吐丝，吐丝温度控制在875 905℃；

~

8）缓冷至室温，其间控制冷却辊道速度在0.20～0.50m/s，氧化铁皮厚度不超过15μm；

9）待用。

说明书

一种汽车动力电池电极用热轧盘条及生产方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种盘条及生产方法，确切地属于汽车动力电池电极用热轧盘条及生产方法。

背景技术

[0002] 随着环境污染和能源危机的加剧，环保已被世界各国确立为发展的前提，汽车尾气是城市空气污染的主要污染源，而世界汽车总量却以较快的速度增加，因而新能源电动汽车应运而生。作为正在培育和发展的战略性新兴产业之一，电动汽车是未来汽车工业发展的重要方向，电动汽车用动力电池是电动汽车的关键部件，也是决定汽车动力性、安全性、经济性以及实用性的重要因素。动力电池必须具有比容量高、循环性能好、寿命长等优点，才能被应用于电动汽车及储电系统中。

[0003] 正极材料是动力电池中最为关键的原材料，目前，正极材料研究相对滞后，成为制约动力电池整体性能进一步提高的关键因素。因此，正极材料的研究受到越来越多的重视，该电极用热轧盘条是动力电池的正极原料之一。为提高动力电池的晶体结构、电化学容量和循环性能以及稳定性能，对电极用热轧盘条的成分体系、元素匹配及对铜、镁、铬等微量元素有严格的要求，使生产控制难度大，但专用电极钢开发，可极大地促进动力电池热稳定性、充放电效率、环境友好等整体性能的提高及电动汽车快速发展。同时，该专用钢可极大低降低用户制作动力电池的成本，还具有环保效果。该专用钢的研制开发对于推动电动汽车的产业化进程具有重要意义。

[0004] 目前，是用碳素钢替代的，由于纯净度不够、有害元素多等原因，需采用传统的生产工艺，分两步处理，流程复杂、工艺路线长，造成产量低、能耗高，其制作的电动电池比容量较低≤130mAh/g(续航能力)，循环寿命短≤1200次，不能较好地满足汽车动力电池的使用。为保证性能要求。电极钢材质的化学成分要求向低碳钢发展，专用钢即从原料的净化提纯着手，采用一步法直接生产即能达到电池级要求，更好地满足汽车动力电池的使用需求。

[0005] 经检索：中国申请专利号为CN201611232057.X的文献，其公开了一种低碳电极用钢，其质量百分百成分包括C≤0.06％、Si≤0.07％、Mn 0.10-0.40％、P≤0.025％、S≤0.025％、Al≤0.060％，其它为Fe和杂质；其制备方法包括包括铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、连铸、轧制。其转炉铁水要求磷含量小于0.13％，硫含量小于0.050％；出钢温度1635-
1668℃，碳含量≤0.04％，磷含量0.004-0.017％，终点采用Al脱氧；LF过程温度和时间分别控制在1540-1650℃和25-58min之间；连铸控制过热度20-35℃之间，拉速0.65-0.85m/min之间。该钢属于低碳钢系列，不适用于超低碳纯净钢需求的汽车动力电池电极用钢。

[0006] 文献《热轧电极扁钢SAE1006工艺优化实践》(2016年(第十九届)全国炼钢学术会议论文集)，介绍了电极扁钢SAE1006的生产工艺、过程控制和生产情况，分析了产品质量状况。主要控制成品Als范围0.010％-0.015％，消除连铸坯气泡缺陷，满足用户要求。该钢用于电解铝行业，其成分为C≤0.06％、Si≤0.07％、Mn 0.25-0.50％、P≤0.030％、S≤0.030％，亦属于低碳钢系列，不适用于超低碳纯净钢需求的汽车动力电池电极用钢。

发明内容

[0007] 本发明在于克服现有技术存在的不足，提供一种容量达170mAh/g、可快速充电且循环寿命长高达2000次，在高温高热环境下稳定性高，加工成本低，具有无毒、无污染、安全性能好的汽车动力电池电极用热轧盘条及生产方法。

[0008] 实现上述目的的措施：

[0009] 一种汽车动力电池电极用热轧盘条，其组分及重量百分比含量为：C≤0.010％、Si≤0.02％、Mn：0.04～0.08％、P≤0.020％、S≤0.015％、Alt≤0.015％、Cu≤0.020％、Cr≤0.013％、Mg≤0.010％、Zn+Pb+Ni+Mo：≤0.030％，其余为Fe及不可避免的杂质，且满足Mn/S不低于8。

[0010] 优选地：Mn的重量百分比含量为0.048～0.073％。

[0011] 生产一种汽车动力电池电极用热轧盘条的方法，其步骤：

[0012] 1)对铁水进行预处理：控制入厂铁水中：S≤0.025％，Mn≤0.30％，Cu≤0.020％，Cr≤0.010％，Si≤0.80％；铁水温度不低于1250℃；进转炉前铁水S含量控制为[S]≤0.002％；

[0013] 2)进行转炉冶炼：控制转炉终点C：0.030～0.060％，S≤50ppm，出钢目标温度不低于1650℃，出钢时间不低于4min，且出钢中不予以脱氧；加入的废钢中的S≤0.015％；

[0014] 3)进行RH炉真空处理：真空处理时间不低于25min；镇静时间不低于10min；其间采用一次性加铝脱氧，使钢水中的氧含量不超过15PPm，渣中的FeO≤6％；

[0015] 4)连铸成坯：控制中包钢水过热度在20～45℃，拉坯速度在0.5～1.3m/min；

[0016] 5)对铸坯加热，加热温度控制在1100～1150℃，加热时间控制在120-150min；

[0017] 6)进行轧制，开轧温度控制在1070～1130℃；轧制成直径6.5～17.0mm的盘条；

[0018] 7)进行吐丝，吐丝温度控制在875～905℃；

[0019] 8)缓冷至室温，其间控制冷却辊道速度在0.20～0.50m/s，氧化铁皮厚度不超过15μm；

[0020] 9)待用。

[0021] 本发明中各元素及主要工艺的作用及机理：

[0022] C：在本发明中C是作为控制元素的，这是因为该元素的存在会严重影响钢的导电性能，碳含量越高，钢的导电率越低，同时碳影响该钢的强度和硬度，碳的范围控制在0.010％以下。

[0023] Mn：是置换强化元素，与钢的导电性能存在强相关性，其存在严重影响钢的导电率。但为了消除S的热脆倾向，降低铸坯角部裂纹，需要一定量的Mn，因为钢中的锰同硫结合形成硫化锰，消除硫在钢中的有害影响，钢中锰含量控制在0.04-0.08％，优选地Mn的重量百分比含量为0.048～0.073％。

[0024] Si：在本发明中其是作为控制元素的，这是因为该元素破坏钢的冷成型性，也是夹杂物重要来源，在生产超低碳钢时必须要严格去除。硅的存在会严重影响钢的导电率，硅含量越高，钢的导电率越低，因此，硅控制在0.02％以下。

[0025] P:在本发明中其是作为控制元素的，这是因为该元素是有害杂质元素，主要是由生铁带入钢中，在炼钢过程中无法除尽，钢中磷固溶于铁素体中可有效提高钢材的强度和硬度，同时使塑性、韧性降低，使钢的脆性转变温度急剧升高，即提高钢的冷脆性(低温变脆)。磷的存在也会严重影响钢的导电率，磷含量越高，钢的导电率越低，因此，磷控制在0.020％以下。

[0026] S：在本发明中其是作为控制元素的，这是因为该元素是钢水洁净度重要衡量指标之一，很大程度上制约钢材性能的提高，其最大危害在热加工时开裂，产生热脆。钢中硫含量高使其硫化物夹杂含量增高，导致钢的塑性和韧性降低。且硫对钢力学性能影响，不仅与钢的含硫量有关，还与形成的硫化物夹杂的大小、形态和分布有关。因此，硫的含量应控制在≤0.015％。

[0027] Alt：在本发明中其是作为控制元素的，这是因为该元素作为脱氧定氮元素，部分与氧结合形成Al2O3夹杂物上浮到渣中，起到脱氧作用，还有一部分溶入固态铁中，形成适当尺寸和数量的第二项弥散微粒AlN，一方面，减弱甚至消除N的有害时效作用，另一方面，AlN质点在晶界析出，对奥氏体境界的迁徙起钉扎作用，阻碍奥氏体晶粒长大，从而控制奥氏体晶粒度，细化晶粒，改善钢材韧性。同时与导电率呈负相关关系，即铝含量越大，导电率越低。为了保证产品质量，铝应控制在0.015％以下。

[0028] Cu：在本发明中其是作为控制元素的，这是因为该元素是铁水和废钢中带来的残余元素，很难被氧化，在钢液中几乎无法去除，并会在废钢循环熔炼过程中不断富集于钢液中，加深对钢材性能的影响，另一方面，残存的CuO在高温条件下被还原成铜原子扩散到晶界上，削弱了晶粒间的结合力，引起“铜脆”。其存在钢中，也会影响钢的导电率，其含量越高，钢的导电率越低，因此应选用铜含量小于0.020％的低铜铁水、低铜废钢进行冶炼。

[0029] Cr：在本发明中其是作为控制元素的，这是因为该元素影响钢的导电性能，同时是后期用户处理时，需去除的一种元素，考虑炼钢工艺及用户去除能力，将其含量控制在0.013％以下。

[0030] Mg：在本发明中其是作为控制元素的，这是因为该元素影响钢的导电性能，同时是后期用户处理时，不易去除的一种元素，考虑炼钢工艺及用户去除能力，将其含量控制在0.010％以下。

[0031] Zn+Pb+Ni+Mo：在本发明中其是作为控制元素的，这是因为锌、铅、镍、铬元素是铁水和废钢中带来的残余元素，其存在钢中会影响钢的导电率性能，其含量越高，钢的导电性能越低，同时亦为后期用户处理时，需去除的元素，考虑炼钢工艺及用户去除能力，其总含量要求小于0.030％。

[0032] Mn/S：在本发明中，之所以限定Mn/S不低于8，是由于锰硫比影响硫化物夹杂的形成，锰硫比过低，使硫在钢中形成FeS，钢中Fe+FeS+FeO的共晶体的熔点仅有940℃，在轧制过程中FeS液化使钢基断开，形成缺陷源，发生轧制开裂，甚至导致轧制生产无法顺利进行。锰在钢凝固范围内生成MnS，其熔点为1620℃，锰硫比越高，生成MnS越多FeS越少，共晶体FeS-MnS(占93.5％)的熔点为1164℃，能有效的防止钢的“热脆”，因此保证锰硫比不低于8。

[0033] 本发明之所以在出钢中不予以脱氧，是由于在后工序RH精炼过程进行脱碳处理时，若要把碳脱到极低范围，必须保证钢水中有一定的氧含量，该处理工艺可提高脱碳效率，减少精炼脱碳过程的吹氧量，降低生产成本。

[0034] 本发明之所以对加入的废钢中的硫含量加以控制，使其S≤0.015％，是由于硫是有害元素，除主要来自于生铁原料外，由废钢、矿石等带入钢水。使用低硫、超低硫类型废钢才能减少带入的硫和铜、铬、镍、钼、铅等杂质元素，为保证深脱硫效果，满足Mn/S控制在8以上，同时使微量元素成分亦得以控制，必须降低废钢带入的硫。

[0035] 本发明之所以在RH炉真空处理中采用一次铝脱氧技术，并进行渣面脱氧，且控制渣中的FeO≤6％，真空处理时间不低于25m；镇静时间不低于10min，是由于一次铝脱氧技术形成的夹杂物为珊瑚状Al2O3簇易于浮出钢水，增加氧化铝夹杂的去除，保证钢水的纯净度，若进行二次铝脱氧，其产物为板型，颗粒小不利于夹杂物的碰撞长大并且上浮去除。；渣面脱氧是为了降低渣的氧化性，防止渣中的氧回到钢水中，钢水回氧不仅造成二次氧化，污染钢水，更造成带来铸坯皮下气泡缺陷，导致轧制过程产生结疤缺陷；同时为控制生产中的“回锰”，保证渣具有一定的氧化性，控制渣中的FeO≤6％；为保证氧化物夹杂去除干净，以及能够充分上浮，控制真空处理时间不低于25m；镇静时间不低于10min。

[0036] 本发明之所以控制中包钢水过热度在20～45℃，拉坯速度在0.5～1.3m/min，是由于高过热度和高拉速使钢液凝固速度降低，铸坯在结晶内的停留时间变短，导致铸坯液芯延长，增加发生鼓肚的危险，同时造成铸坯较大的中心缩孔，影响铸坯质量，考虑到该钢冷却速度较快，因此控制拉速在0.5～1.3m/min之间，过热度在20～45℃之间。通过拉速和过热度的良好匹配，保证良好的铸坯质量。

[0037] 本发明之所以要求铝含量及操作方式的控制，其原因为铝含量的波动及加入方式直接影响钢水的纯净度和连铸的可浇性，加之钢水中氧的控制会造成钢坯皮下气泡的产生，进而影响产品质量的稳定性。所以本发明的成分设计，相辅相成，保证浇铸生产的连续性及优异的产品质量。

[0038] 本发明与现有技术相比，通过合理的成分配比，达到电极用钢的要求，同时实现连铸生产的可持续性。其所制备的电动汽车用电池电极，比容量达170mAh/g、循环性能好、使用周期长达2000次，更好地满足了汽车动力电池的使用需求。

具体实施方式

[0039] 下面对本发明予以详细描述：

[0040] 表1为本发明各实施例及对比例的化学成分列表；

[0041] 表2为本发明各实施例及对比例的冶炼过程工艺参数列表；

[0042] 表3为本发明各实施例及对比例的轧制过程工艺参数列表；

[0043] 表4为本发明各实施例及对比例的性能检测结果列表。

[0044] 本发明各实施例均按照以下步骤进行生产：

[0045] 1)对铁水进行预处理：控制入厂铁水中：S≤0.025％，Mn≤0.30％，Cu≤0.020％，Cr≤0.010％，Si≤0.80％；铁水温度不低于1250℃；进转炉前铁水S含量控制为[S]≤0.002％；

[0046] 2)进行转炉冶炼：控制转炉终点C：0.030～0.060％，S≤50ppm，出钢目标温度不低于1650℃，出钢时间不低于4min，且出钢中不予以脱氧；加入的废钢中的S≤0.015％；

[0047] 3)进行RH炉真空处理：真空处理时间不低于25min；镇静时间不低于10min；其间采用一次性加铝脱氧，使钢水中的氧含量不超过15PPm，渣中的FeO≤6％；

[0048] 4)连铸成坯：控制中包钢水过热度在20～45℃，拉坯速度在0.5～1.3m/min；

[0049] 5)对铸坯加热，加热温度控制在1100～1150℃，加热时间控制在120-150min；

[0050] 6)进行轧制，开轧温度控制在1070～1130℃；轧制成直径6.5～17.0mm的盘条；

[0051] 7)进行吐丝，吐丝温度控制在875～905℃；

[0052] 8)缓冷至室温，其间控制冷却辊道速度在0.20～0.50m/s，氧化铁皮厚度不超过15μm；

[0053] 9)待用。

[0054] 表1本发明各实施例及对比例的化学成分列表(wt.％)

[0055]

[0056] 表2本发明各实施例及对比例的冶炼过程工艺参数列表列表

[0057]

[0058]

[0059] 表3本发明本发明各实施例及对比例的轧制过程工艺参数列表

[0060]

[0061] 表4为本发明各实施例及对比例的性能检测结果列表

[0062]

[0063] 从表4可以看出，所实施例的盘条导电率在16.0-17.2之间，相应盘条的材质较软，抗拉强度小于310MPa，氧化铁皮层厚度控制在15μm以内，有利于用户的低成本生产。由此可知，其各项性能明显优于常规样。

[0064] 本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。