高品质冷轧搪瓷用钢的研发与创新

余轶峰 叶姜

摘要：文章针对高品质搪瓷用钢生产和应用中存在的成型性技术与抗鳞爆性技术相矛盾、抗鳞爆性能检测方法亟须优化、板形难以控制等技术难题，开展搪瓷用钢工艺理论与生产控制技术研究。通过设计新的化学成分体系，实施微观组织调控及热轧、冷轧退火工艺控制研究与创新，独创高品质冷轧搪瓷用钢组织性能控制理论和制备技术，发明了搪瓷钢抗鳞爆性能的检测方法，研发出板形精细控制工艺与技术。生产的高品质搪瓷钢可替代进口产品，应用于家电、建筑幕墙装饰、卫生洁具与厨具等行业，助推搪瓷行业高质量发展。

关键词：搪瓷用钢；抗鳞爆性能；板形控制；氢渗透仪

中图分类号：TG11 文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）05-0001-04

0 引言

随着金属搪瓷工艺的快速发展与新材料、新技术的不断应用，搪瓷工业完成了从传统日用搪瓷产品到新型搪瓷材料制品的转型，艺术搪瓷、日用搪瓷、卫生搪瓷、建筑搪瓷等多功能搪瓷制品应运而生，搪瓷制品拥有了技术含量高、质量档次高、附加价值高、应用领域广等新特点。搪瓷制品使用的金属材料主要有钢材、铸铁、铝材、铜材和不锈钢。其中，钢板搪瓷制品具有耐腐蚀、耐高温、安全无毒、外表美观且成本低等优势，是组合橱柜、卫生洁具、灶具等厨卫用具和机场、地铁、隧道等大型公共设施幕墙，以及热水器、电烤炉等高品质家电甚至高档腕表的重要用材。目前，钢板制品搪瓷已经成为集新材料和智能化于一体的技术和知识密集型产业，作为基板的搪瓷专用钢成为技术含量高、市场需求量大的高附加值产品。但是，搪瓷用钢在生产和应用中还存在诸如成型性技术与抗鳞爆性技术相矛盾、板形控制难等技术瓶颈和抗鳞爆性能检测方法亟须优化的难题。搪瓷钢板产品仅有宝钢集团公司、台湾中钢集团、韩国浦项钢铁集团能稳定供货，不能满足国内市场尤其是华南市场的需求，大部分高品质搪瓷钢长期依赖进口。为突破搪瓷用钢生产的技术瓶颈，保障我国搪瓷产业链、供应链的稳定性和安全性，本项目进行高品质搪瓷钢组织性能控制理论和制备技术研发，旨在提升科技创新能力的同时，提升企业经济效益。

1 技术瓶颈与研发思路

1.1 技术瓶颈分析

搪瓷钢的化学成分、内部微观组织结构（金相结构）、表面状况及力学性能对其质量起着重要的作用，结合文献分析，高品质搪瓷用钢在生产和应用中还存在如下技术难题亟待突破［1-4］。

1.1.1 成型性技术与抗鳞爆性技术存在矛盾

搪瓷用钢抗鳞爆性能、成形性能及搪烧后性能稳定性难以协调控制。鳞爆是搪瓷制品常见的表面缺陷，产生的原因是钢中存在的氢原子在室温下逸出并聚集于搪瓷层和钢板基体界面，产生的氢气高压使搪瓷层破裂。在钢组织中引入与氢原子结合力较强的通常称“氢陷阱”的第二相，是解决鳞爆缺陷的有效办法，但是第二相的存在又对钢板的成形性能有较大影响，第二相在搪烧过程中的溶解析出行为直接影响搪烧过程中钢板力学性能的稳定性。所以，抗鳞爆性能、成形性能及搪烧后性能稳定性的协调控制一直是制约高品质搪瓷钢生产和应用的技术难题。

1.1.2 抗鳞爆性能检测方法亟须优化

搪瓷钢抗鳞爆性能的检测方法难以获得与批量产品抗鳞爆性能准确对应的联测结果，致使搪瓷用钢在生产和使用过程中质量控制难度极大。钢板的抗鳞爆性能与氢行为密切相关，所以通常采用电化学氢渗透的方法测量钢板的氢穿透时间，以此评价钢板的抗鳞爆性能［5］。由于实验装置需要临时搭建，影响因素复杂多变，实验结果重复性差且试样较小、代表性差，因此亟须开发评价钢板抗鳞爆性能的综合实验方法。

1.1.3 板形控制难

高品质冷轧搪瓷钢的板形质量要求高，控制难度大。冷轧搪瓷用钢生产包括热轧、冷轧及轧后退火等流程，由于制造过程长，所以影响板形的因素很多。热轧过程轧机设备相关间隙配合、窜辊、粗轧和精轧对中，冷轧重卷管焊接方法、冷轧机助卷器振动以及润滑等因素均会对冷轧搪瓷钢的板形产生重要影响，所以需要探索热轧和冷轧全流程板形精细控制策略，开发相关板形控制技术。

1.2 研发思路

1.2.1 通过设计和优化钢材化学成分体系，提升抗鳞爆性能

钢的贮氢和抗鳞爆能力与钢中形成的第二相粒子的密度和大小密切相关，第二相粒子的数量越多、所占体积分数越大，氢穿透时间则越长，贮氢能力也越强，进而抗鳞爆能力越优。因此，提升钢的贮氢能力可大幅提升抗鱗爆性能。通过冶炼和连铸工艺精准控制钢成分，可以获得质量优良的搪瓷钢连铸坯。

1.2.2 通过开发微观组织调控及热轧、冷轧退火工艺控制技术，提升钢的氢渗透行为能力和贮氢特性

研究热轧过程的轧制温度、卷取温度对第二相形态、分布的影响，罩式退火工艺和连续退火工艺路线中第二相析出规律及第二相稳定性的变化规律；研究搪烧过程第二相的变化规律及其影响因素，确定获得高搪烧稳定性的热轧和冷轧工艺。

1.2.3 创新搪瓷钢抗鳞爆性能测试技术，研发相关实验装置

根据双电解池电化学氢渗透实验方法的测试原理，研究各实验环节之间的联系及其对测试结果的影响规律，开发集试样预处理、镀镍、充氢过程控制和数据记录及后续数据处理于一体的集成氢渗透仪；研究大尺寸钢板气体保护离子焊涂搪及烧搪抗鳞爆性能模拟实验方法和取样方法，并在实际产品抗鳞爆性能检测中配合使用电化学和实际模拟2种检测技术，建立氢渗透数据与钢板抗鳞爆性能之间的定量关系。

1.2.4 进行搪瓷钢板形控制工艺的创新

通过研究热连轧在线实时监控间隙配合技术、粗精轧对中匹配控制和轧机中间辊自动串辊控制技术，进行冷轧重卷机组搭接焊机薄带叠焊、减少冷轧机助卷器工作振动等技术的创新，达到高精度稳定控制搪瓷钢成品板形的目的。

2 高品质冷轧搪瓷用钢生产技术创新

2.1 冶炼控制技术

传统搪瓷钢采用铝镇静钢及超低碳钢成分体系，钢质较为纯净，二相粒子少，因而导致贮氢能力、抗鳞爆性能差。据文献［6］研究，搪瓷钢加入某些合金元素后能适当提高钢板抗鱗爆性能，但仍不能满足复杂成形的要求；而且，由于钢中的碳含量较高，烧搪后的制品也达不到现代搪瓷制品耐腐蚀、耐高温且美观的高质量要求。本文研究的Ti-S-B-N（钛-硫-硼-氮）复合微合金化成分体系，配合材料组织性能调控，有利于形成大量细小的二相粒子（密度达到1020～1021颗粒/平方米）及较强的γ织构，在大幅提升贮氢能力、抗鳞爆能力的同时更有利于冲压成形。

2.1.1 Ti-S-B-N复合微合金化成分体系

钢中的氢原子被微观组织中的第二相“捕获”之后，一般情况下难以脱离，这类第二相通常被称为不可逆氢陷阱。Ti元素及其析出相与氢原子的亲和力最强，所以搪瓷用钢主要选用Ti作为氢陷阱的形成元素。从搪瓷钢板的成型性看，组织中的第二相对成型性有很大的影响。此外，第二相的稳定性也是影响搪瓷钢在搪烧过程中力学性能和抗鳞爆性能的主要因素。所以，通过合理的成分设计和优化工艺，可以对微观组织中第二相数量、形态和稳定性进行控制。

本研究提出基于超低碳的Ti-S-B-N搪瓷用冷轧带钢化学成分体系，在超低碳设计的基础上进行Ti微合金化，控制合适的N、B含量和Mn/S（锰/硫）比。利用B在晶界处偏聚的特性，阻碍碳原子固溶和扩散，促使大量细小渗碳体颗粒在晶粒内析出。B与N结合在细小渗碳体处形成二相粒子和复合析出相，使钢板具有良好的贮氢作用。

2.1.2 材料组织性能调控技术

基于超低碳Ti-S-B-N复合微合金化成分体系，开发相应的材料组织性能调控技术，解决搪瓷钢成型性和抗鳞爆性之间的矛盾，以及搪烧后强度下降的关键技术难题。工艺因素对钢的氢渗透行为和贮氢特性有很大影响，采取提高加热温度、降低卷取温度、低温长时间退火等措施可明显提高氢在钢板中的穿透时间；采取提高冷轧压下率、增加氢在钢板中的穿透时间、降低氢扩散系数等措施可获得较强的γ织构，有利于冲压成型。

通过分析热轧工艺、冷轧工艺、连续退火及罩式退火工艺的参数对搪瓷钢抗鳞爆性能和力学性能的影响，确定热轧工艺及冷轧退火工艺［7］。研究表明，适当增加S、Mn和N的含量，并复合添加微量B，可以大幅度地提高搪瓷性能。与不含B钢相比，含B搪瓷钢的连续退火板获得更低的屈服强度。虽然应变硬化指数（n）有所降低，但是塑性应变比（r）和断后伸长率较高，综合性能优良。热轧工艺研究表明，钢坯加热至1 200～1 250 ℃、保温120 min以上时，铸坯中的粗大析出物发生第二相粒子的溶解，经多道次轧制，厚度由230 mm变为4 mm，层冷卷取温度为680～750 ℃，在高温卷取冷却过程中，钢中的位错密度降低，有利于碳、氮化物再次析出，并有利于钢中二相粒子聚集、长大。冷轧压下率为80%时，热轧基料中析出的较大颗粒的二相粒子进一步压碎变小。连续退火工艺研究表明，高温短时连续退火更有益于获得较强的γ织构，有利于冲压成形；而相对低温长时间保温得到的“细晶组织+链状退化珠光体”和细小弥散的渗碳体颗粒更有助于降低氢在钢中的扩散速率，提高搪瓷钢的抗鳞爆性能。罩式退火过程中，随着退火温度的升高及保温时间的延长，冷轧板中大颗粒的二相粒子不断分解、细化，在高温下部分形成新的Ti的碳氮化物等。经过精整后，冷卷中弥散分布着大小为25～50 nm的析出物颗粒，为Ti的碳氮化物、碳硫化物及硫化锰等。采用双电解池法对0.80 mm深冲冷轧搪瓷钢DC03EK进行抗鳞爆性能试验，得到抗鳞爆敏感性TH值为18.74 min/mm2。根据一般的试验经验，当TH≥6.7 min/mm2时，搪瓷钢具有稳定的抗鳞爆性能。此外，由于化学成分采用复合微合金化，所以复合析出相热稳定性很强，钢板经过烧搪后强度下降值均在30 MPa以内。

2.1.3 窄成分冶炼精准控制技术

超低碳Ti-S-B-N复合微合金化成分体系中Ti的含量较高，导致冷轧搪瓷用钢浇铸过程易蓄流，影响高效稳定生产，这是冶金行业普遍存在的难题。采用特殊钢包顶渣改质剂，通过增氮控氧工艺使钢包顶渣改质剂加入量与RH（真空循环脱气精炼炉）吹氧量形成特定匹配关系，高Ti搪瓷用钢浇铸蓄流问题得到明显改善，冷轧搪瓷用钢连铸生产效率大幅提高，可实现5炉连浇。

为实现对极低碳含量冶炼成分进行精确和稳定控制，本项目对RH增碳以及连铸过程的增碳规律进行系统的研究。在炼钢阶段要获得纯净的钢水，必须严格控制转炉出站的碳、氧含量，减少RH工序压力，提高钢水的质量。此外，为有效控制碳含量，实际生产中连铸工序选用镁质涂抹料作为中间包工作层耐材，用超低碳保护渣和碱性覆盖剂严格控制连铸浇铸过程中钢水的增碳量。通过以上措施，连铸浇铸过程的增碳量控制在6×10-6以下。

2.2 抗鳞爆性能检测技术与装置

项目研发了搪瓷用钢氢渗透性能电化学测量集成技术和装置，以及大尺寸钢板气体保护离子焊涂搪及烧搪抗鳞爆性能模拟实验方法及取样方法，将2种检测技术在实际产品抗鳞爆性能检测中配合使用，建立氢渗透数据与钢板抗鳞爆性能之间的定量关系，提高钢板抗鳞爆性能的预测精度。

2.2.1 氢渗透性能测试技术及装置

针对双电解池电化学金属氢渗透测试缺乏专用仪器，测试过程需要临时搭建实验装置，试样表面效应、边界效应影响测试结果等问题，本项目自主研制集成一体化的金属氢渗透性能测试仪。该实验装置可以实现样品预处理、电化学金属氢渗透测定、数据采集处理等功能，构成一种测定金属氢渗透性能的装置，可稳定、准确、灵敏、便捷地测定氢扩散速度、扩散时间、扩散系数，能够同时满足国家标准《搪瓷用冷轧钢板 鳞爆敏感性试验 氢渗透法》（GB/T 29515—2013）和国际标准《用电化学技术测量氢渗透和测定金属中氢吸收和迁移的方法》（ISO 17081—2014）的测试要求。此外，可以利用该仪器对具有复杂组织状态的钢材样品进行氢行为的研究。

2.2.2 大尺寸钢板涂搪及烧搪抗鳞爆性能模拟实验方法

为了增加搪瓷钢测试区域的面积，同时考察钢板焊接接头区域的抗鳞爆性能，提高钢板抗鳞爆性能预测的准确性，本研究设计了一种热水器内胆用冷軋搪瓷钢抗鳞爆性能的检测方法。在同一批次钢板上取2块检验样，用气体保护离子焊焊接成1块尺寸达（90～120）mm×（180～240）mm的大检验样品，在大检验样品钢板外表面涂上搪瓷，经过烧结、高低温箱进行定时交替试验后，观察整个试样上下表面是否出现鳞爆；其原理是通过等离子弧焊电解空气中的水产生的氢，经过高温溶解到热影响区，以此考量钢板本身的贮氢能力。该方法与电化学方法配合使用，能准确预测材料鳞爆情况。经过大量试验，确定搪瓷钢标准1 mm厚的试样氢穿透时间在9.5 min以上时，满足抗鳞爆性能的要求。同时，本研究设计了一种热连轧带钢取样方法，使取样工作强度降低，提高了产品成材率，加快了生产节奏。

2.3 高精度板形控制技术

项目研发的新型搪瓷钢热轧和冷轧过程高精度板形控制技术，通过热连轧在线实时监控间隙配合、粗精轧对中匹配控制和轧机中间辊自动串辊控制、冷轧重卷机组搭接焊机薄带叠焊、冷轧卷取机芯轴叠加胶套、安装减少冷轧机助卷器工作振动装置等方法，实现了搪瓷钢成品板形稳定控制在1 nm以内。

2.3.1 热连轧机配合间隙在线实时监控技术

热连轧机配合间隙在线实时监控技术的功能如下：①将轧机牌坊尺寸和轴承座尺寸的控制精度范围、轧机牌坊和轴承座配合间隙的正常数值范围及正常测量周期范围预设于在线监控系统中；②向在线监控系统输入并存储包括轴承座信息及轧机牌坊信息在内的原始数据；③在线监控系统根据原始数据，自动计算并存储轧机牌坊和在线的轴承座的配合间隙，并实时输出轧机牌坊和在线的轴承座的配合间隙，极大地提高了监控的时效性和准确性。

2.3.2 热连轧粗轧和精轧对中匹配技术及装置

热连轧粗轧和精轧对中匹配技术及装置主要包括中间辊道和侧导板。中间辊道上设有多个传动辊，并间隔设有2个侧导板，分别为第一侧导板和第二侧导板，第一侧导板位于中间辊道的中间位置，第二侧导板位于精轧机组入口前以及第一侧导板和精轧机组之间。侧导板包括喇叭状入口、夹持部分及位于两者交汇处的导轮，导轮具有转轴。该装置不需要改变粗轧机组、精轧机组和中间辊道的中线，通过便于移动的侧导板进行纠偏，简单易行，最终达到中间坯的对中与精轧对中匹配的目的。

2.3.3 冷连轧机轧系统优化

冷连轧机轧系统优化包括以下几个方面：①开发冷轧重卷机组搭接焊机薄带叠焊方法；②改进冷轧乳化液撇油装置、冷轧硬卷卷芯焊接装置和减少冷轧机助卷器工作振动的装置；③优化吹扫流量控制系统、去除酸再生系统进料管线结晶的循环系统、全自动钢卷贴标集成系统；④设计冷轧卷取机芯轴叠加胶套、防止轧辊与磨床头架传动分离的拨盘等专利族群。通过以上优化措施，最终实现成品板形稳定控制在1 nm以内。

3 结语

本项目独创的高品质冷轧搪瓷用钢组织性能控制理论和制备技术，践行“绿色、低碳、创新”的发展理念，使生产工艺得到优化，提升了企业核心竞争力。研发的Ti-S-B-N复合微合金成分体系、材料组织性能调控技术、窄成分冶炼精准控制技术，可解决大规模生产和用户个性化需求的矛盾，实现高效化、集约化钢材生产。使用本技术生产的高端搪瓷钢市场的占有率超过60%，替代进口产品大批量应用于家电企业、建筑幕墙装饰、卫生洁具与厨具等行业，推动搪瓷行业高质量发展。本项目研发的技术具体的作用与效果如下：①独创的搪瓷钢抗鳞爆性能检测方法，为搪瓷产品生产提供质量保证，大大降低了产品质量不稳定带来的损失风险；②Ti-S-B-N复合微合金化成分体系融合材料组织性能调控技术为高品质搪瓷制品向家电、建筑装饰行业应用延伸提供了材料基础；③材料组织性能调控技术解决了大规模生产和用户个性化需求之间的矛盾，有利于实现集约化钢材生产，具有较强的推广应用价值；④窄成分冶炼精准控制技术助推冶金行业提质降本，为炼钢高效化生产提供系统解决方案；⑤热轧和冷轧过程高精度板形控制技术实现了冷轧产品在汽车、家电、精密电子等行业应用中替代进口产品。

目前，冷轧搪瓷板生产宽幅仍局限于1 500 mm以内，为满足地铁等建筑搪瓷幕墙需求，后续将开展1 500 mm以上宽幅搪瓷板的生产技术研发。此外，随着绿色轻量化趋势的发展，开发轻量化高强度碳陶瓷钢板也成为行业的发展方向。

4 参考文献

［1］董福涛，杜林秀，刘相华，等.连续退火工艺对含B搪瓷用钢组织性能的影响［J］.金属学报，2013，49（10）：1160-1168.

［2］袁晓云，杜林秀，董福涛.退火温度对DC05EK搪瓷用钢贮氢性能的影响［J］.东北大学学报（自然科学版），2013，34（12）：1716-1720.

［3］葛玉静，徐春.搪瓷用钢抗鳞爆性能的研究现状［J］.表面技术，2016，45（12）：129-134.

［4］ 黄学启，刘相华，张志敏，等.热轧搪瓷钢中析出物与抗鳞爆性能［J］.材料热处理学报，2017，38（12）：57-62.

［5］张万灵，刘建容.冷轧搪瓷钢板抗鳞爆性能检测方法评述［J］.武钢技术，2009，47（6）：44-46，62.

［6］李晓杰，孙智，徐春.钒钛微合金搪瓷钢中析出相和贮氢性能的研究［J］.热处理，2013，28（4）：32-35.

［7］叶姜，樊雷.深冲搪瓷钢DC03EK析出物及其抗鳞爆性能分析［J］.中国冶金，2018，28（12）：41-44.

*广西创新驱动发展专项资金资助项目“冷轧家电用钢开发与产业化”（桂科AA17204015）。

【作者简介】余轶峰，男，江西铅山人，任职于广西柳州钢铁集团有限公司，高级工程师，从事科技管理工作；叶姜，男，湖南长沙人，任职于广西柳钢中金不锈钢有限公司，正高级工程师，研究方向：金属材料工程。

【引用本文】余轶峰，叶姜.高品质冷轧搪瓷用钢的研发与创新［J］.企业科技与发展，2023（5）：1-4.