高品質冷軋?zhí)麓捎娩摰难邪l(fā)與創(chuàng)新

余軼峰 葉姜

摘要：文章針對高品質搪瓷用鋼生產和應用中存在的成型性技術與抗鱗爆性技術相矛盾、抗鱗爆性能檢測方法亟須優(yōu)化、板形難以控制等技術難題，開展搪瓷用鋼工藝理論與生產控制技術研究。通過設計新的化學成分體系，實施微觀組織調控及熱軋、冷軋退火工藝控制研究與創(chuàng)新，獨創(chuàng)高品質冷軋?zhí)麓捎娩摻M織性能控制理論和制備技術，發(fā)明了搪瓷鋼抗鱗爆性能的檢測方法，研發(fā)出板形精細控制工藝與技術。生產的高品質搪瓷鋼可替代進口產品，應用于家電、建筑幕墻裝飾、衛(wèi)生潔具與廚具等行業(yè)，助推搪瓷行業(yè)高質量發(fā)展。

關鍵詞：搪瓷用鋼；抗鱗爆性能；板形控制；氫滲透儀

中圖分類號：TG11 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）05-0001-04

0 引言

隨著金屬搪瓷工藝的快速發(fā)展與新材料、新技術的不斷應用，搪瓷工業(yè)完成了從傳統(tǒng)日用搪瓷產品到新型搪瓷材料制品的轉型，藝術搪瓷、日用搪瓷、衛(wèi)生搪瓷、建筑搪瓷等多功能搪瓷制品應運而生，搪瓷制品擁有了技術含量高、質量檔次高、附加價值高、應用領域廣等新特點。搪瓷制品使用的金屬材料主要有鋼材、鑄鐵、鋁材、銅材和不銹鋼。其中，鋼板搪瓷制品具有耐腐蝕、耐高溫、安全無毒、外表美觀且成本低等優(yōu)勢，是組合櫥柜、衛(wèi)生潔具、灶具等廚衛(wèi)用具和機場、地鐵、隧道等大型公共設施幕墻，以及熱水器、電烤爐等高品質家電甚至高檔腕表的重要用材。目前，鋼板制品搪瓷已經成為集新材料和智能化于一體的技術和知識密集型產業(yè)，作為基板的搪瓷專用鋼成為技術含量高、市場需求量大的高附加值產品。但是，搪瓷用鋼在生產和應用中還存在諸如成型性技術與抗鱗爆性技術相矛盾、板形控制難等技術瓶頸和抗鱗爆性能檢測方法亟須優(yōu)化的難題。搪瓷鋼板產品僅有寶鋼集團公司、臺灣中鋼集團、韓國浦項鋼鐵集團能穩(wěn)定供貨，不能滿足國內市場尤其是華南市場的需求，大部分高品質搪瓷鋼長期依賴進口。為突破搪瓷用鋼生產的技術瓶頸，保障我國搪瓷產業(yè)鏈、供應鏈的穩(wěn)定性和安全性，本項目進行高品質搪瓷鋼組織性能控制理論和制備技術研發(fā)，旨在提升科技創(chuàng)新能力的同時，提升企業(yè)經濟效益。

1 技術瓶頸與研發(fā)思路

1.1 技術瓶頸分析

搪瓷鋼的化學成分、內部微觀組織結構（金相結構）、表面狀況及力學性能對其質量起著重要的作用，結合文獻分析，高品質搪瓷用鋼在生產和應用中還存在如下技術難題亟待突破［1-4］。

1.1.1 成型性技術與抗鱗爆性技術存在矛盾

搪瓷用鋼抗鱗爆性能、成形性能及搪燒后性能穩(wěn)定性難以協(xié)調控制。鱗爆是搪瓷制品常見的表面缺陷，產生的原因是鋼中存在的氫原子在室溫下逸出并聚集于搪瓷層和鋼板基體界面，產生的氫氣高壓使搪瓷層破裂。在鋼組織中引入與氫原子結合力較強的通常稱“氫陷阱”的第二相，是解決鱗爆缺陷的有效辦法，但是第二相的存在又對鋼板的成形性能有較大影響，第二相在搪燒過程中的溶解析出行為直接影響搪燒過程中鋼板力學性能的穩(wěn)定性。所以，抗鱗爆性能、成形性能及搪燒后性能穩(wěn)定性的協(xié)調控制一直是制約高品質搪瓷鋼生產和應用的技術難題。

1.1.2 抗鱗爆性能檢測方法亟須優(yōu)化

搪瓷鋼抗鱗爆性能的檢測方法難以獲得與批量產品抗鱗爆性能準確對應的聯(lián)測結果，致使搪瓷用鋼在生產和使用過程中質量控制難度極大。鋼板的抗鱗爆性能與氫行為密切相關，所以通常采用電化學氫滲透的方法測量鋼板的氫穿透時間，以此評價鋼板的抗鱗爆性能［5］。由于實驗裝置需要臨時搭建，影響因素復雜多變，實驗結果重復性差且試樣較小、代表性差，因此亟須開發(fā)評價鋼板抗鱗爆性能的綜合實驗方法。

1.1.3 板形控制難

高品質冷軋?zhí)麓射摰陌逍钨|量要求高，控制難度大。冷軋?zhí)麓捎娩撋a包括熱軋、冷軋及軋后退火等流程，由于制造過程長，所以影響板形的因素很多。熱軋過程軋機設備相關間隙配合、竄輥、粗軋和精軋對中，冷軋重卷管焊接方法、冷軋機助卷器振動以及潤滑等因素均會對冷軋?zhí)麓射摰陌逍萎a生重要影響，所以需要探索熱軋和冷軋全流程板形精細控制策略，開發(fā)相關板形控制技術。

1.2 研發(fā)思路

1.2.1 通過設計和優(yōu)化鋼材化學成分體系，提升抗鱗爆性能

鋼的貯氫和抗鱗爆能力與鋼中形成的第二相粒子的密度和大小密切相關，第二相粒子的數(shù)量越多、所占體積分數(shù)越大，氫穿透時間則越長，貯氫能力也越強，進而抗鱗爆能力越優(yōu)。因此，提升鋼的貯氫能力可大幅提升抗鱗爆性能。通過冶煉和連鑄工藝精準控制鋼成分，可以獲得質量優(yōu)良的搪瓷鋼連鑄坯。

1.2.2 通過開發(fā)微觀組織調控及熱軋、冷軋退火工藝控制技術，提升鋼的氫滲透行為能力和貯氫特性

研究熱軋過程的軋制溫度、卷取溫度對第二相形態(tài)、分布的影響，罩式退火工藝和連續(xù)退火工藝路線中第二相析出規(guī)律及第二相穩(wěn)定性的變化規(guī)律；研究搪燒過程第二相的變化規(guī)律及其影響因素，確定獲得高搪燒穩(wěn)定性的熱軋和冷軋工藝。

1.2.3 創(chuàng)新搪瓷鋼抗鱗爆性能測試技術，研發(fā)相關實驗裝置

根據雙電解池電化學氫滲透實驗方法的測試原理，研究各實驗環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系及其對測試結果的影響規(guī)律，開發(fā)集試樣預處理、鍍鎳、充氫過程控制和數(shù)據記錄及后續(xù)數(shù)據處理于一體的集成氫滲透儀；研究大尺寸鋼板氣體保護離子焊涂搪及燒搪抗鱗爆性能模擬實驗方法和取樣方法，并在實際產品抗鱗爆性能檢測中配合使用電化學和實際模擬2種檢測技術，建立氫滲透數(shù)據與鋼板抗鱗爆性能之間的定量關系。

1.2.4 進行搪瓷鋼板形控制工藝的創(chuàng)新

通過研究熱連軋在線實時監(jiān)控間隙配合技術、粗精軋對中匹配控制和軋機中間輥自動串輥控制技術，進行冷軋重卷機組搭接焊機薄帶疊焊、減少冷軋機助卷器工作振動等技術的創(chuàng)新，達到高精度穩(wěn)定控制搪瓷鋼成品板形的目的。

2 高品質冷軋?zhí)麓捎娩撋a技術創(chuàng)新

2.1 冶煉控制技術

傳統(tǒng)搪瓷鋼采用鋁鎮(zhèn)靜鋼及超低碳鋼成分體系，鋼質較為純凈，二相粒子少，因而導致貯氫能力、抗鱗爆性能差。據文獻［6］研究，搪瓷鋼加入某些合金元素后能適當提高鋼板抗鱗爆性能，但仍不能滿足復雜成形的要求；而且，由于鋼中的碳含量較高，燒搪后的制品也達不到現(xiàn)代搪瓷制品耐腐蝕、耐高溫且美觀的高質量要求。本文研究的Ti-S-B-N（鈦-硫-硼-氮）復合微合金化成分體系，配合材料組織性能調控，有利于形成大量細小的二相粒子（密度達到1020～1021顆粒/平方米）及較強的γ織構，在大幅提升貯氫能力、抗鱗爆能力的同時更有利于沖壓成形。

2.1.1 Ti-S-B-N復合微合金化成分體系

鋼中的氫原子被微觀組織中的第二相“捕獲”之后，一般情況下難以脫離，這類第二相通常被稱為不可逆氫陷阱。Ti元素及其析出相與氫原子的親和力最強，所以搪瓷用鋼主要選用Ti作為氫陷阱的形成元素。從搪瓷鋼板的成型性看，組織中的第二相對成型性有很大的影響。此外，第二相的穩(wěn)定性也是影響搪瓷鋼在搪燒過程中力學性能和抗鱗爆性能的主要因素。所以，通過合理的成分設計和優(yōu)化工藝，可以對微觀組織中第二相數(shù)量、形態(tài)和穩(wěn)定性進行控制。

本研究提出基于超低碳的Ti-S-B-N搪瓷用冷軋帶鋼化學成分體系，在超低碳設計的基礎上進行Ti微合金化，控制合適的N、B含量和Mn/S（錳/硫）比。利用B在晶界處偏聚的特性，阻礙碳原子固溶和擴散，促使大量細小滲碳體顆粒在晶粒內析出。B與N結合在細小滲碳體處形成二相粒子和復合析出相，使鋼板具有良好的貯氫作用。

2.1.2 材料組織性能調控技術

基于超低碳Ti-S-B-N復合微合金化成分體系，開發(fā)相應的材料組織性能調控技術，解決搪瓷鋼成型性和抗鱗爆性之間的矛盾，以及搪燒后強度下降的關鍵技術難題。工藝因素對鋼的氫滲透行為和貯氫特性有很大影響，采取提高加熱溫度、降低卷取溫度、低溫長時間退火等措施可明顯提高氫在鋼板中的穿透時間；采取提高冷軋壓下率、增加氫在鋼板中的穿透時間、降低氫擴散系數(shù)等措施可獲得較強的γ織構，有利于沖壓成型。

通過分析熱軋工藝、冷軋工藝、連續(xù)退火及罩式退火工藝的參數(shù)對搪瓷鋼抗鱗爆性能和力學性能的影響，確定熱軋工藝及冷軋退火工藝［7］。研究表明，適當增加S、Mn和N的含量，并復合添加微量B，可以大幅度地提高搪瓷性能。與不含B鋼相比，含B搪瓷鋼的連續(xù)退火板獲得更低的屈服強度。雖然應變硬化指數(shù)（n）有所降低，但是塑性應變比（r）和斷后伸長率較高，綜合性能優(yōu)良。熱軋工藝研究表明，鋼坯加熱至1 200～1 250 ℃、保溫120 min以上時，鑄坯中的粗大析出物發(fā)生第二相粒子的溶解，經多道次軋制，厚度由230 mm變?yōu)? mm，層冷卷取溫度為680～750 ℃，在高溫卷取冷卻過程中，鋼中的位錯密度降低，有利于碳、氮化物再次析出，并有利于鋼中二相粒子聚集、長大。冷軋壓下率為80%時，熱軋基料中析出的較大顆粒的二相粒子進一步壓碎變小。連續(xù)退火工藝研究表明，高溫短時連續(xù)退火更有益于獲得較強的γ織構，有利于沖壓成形；而相對低溫長時間保溫得到的“細晶組織+鏈狀退化珠光體”和細小彌散的滲碳體顆粒更有助于降低氫在鋼中的擴散速率，提高搪瓷鋼的抗鱗爆性能。罩式退火過程中，隨著退火溫度的升高及保溫時間的延長，冷軋板中大顆粒的二相粒子不斷分解、細化，在高溫下部分形成新的Ti的碳氮化物等。經過精整后，冷卷中彌散分布著大小為25～50 nm的析出物顆粒，為Ti的碳氮化物、碳硫化物及硫化錳等。采用雙電解池法對0.80 mm深沖冷軋?zhí)麓射揇C03EK進行抗鱗爆性能試驗，得到抗鱗爆敏感性TH值為18.74 min/mm2。根據一般的試驗經驗，當TH≥6.7 min/mm2時，搪瓷鋼具有穩(wěn)定的抗鱗爆性能。此外，由于化學成分采用復合微合金化，所以復合析出相熱穩(wěn)定性很強，鋼板經過燒搪后強度下降值均在30 MPa以內。

2.1.3 窄成分冶煉精準控制技術

超低碳Ti-S-B-N復合微合金化成分體系中Ti的含量較高，導致冷軋?zhí)麓捎娩摑茶T過程易蓄流，影響高效穩(wěn)定生產，這是冶金行業(yè)普遍存在的難題。采用特殊鋼包頂渣改質劑，通過增氮控氧工藝使鋼包頂渣改質劑加入量與RH（真空循環(huán)脫氣精煉爐）吹氧量形成特定匹配關系，高Ti搪瓷用鋼澆鑄蓄流問題得到明顯改善，冷軋?zhí)麓捎娩撨B鑄生產效率大幅提高，可實現(xiàn)5爐連澆。

為實現(xiàn)對極低碳含量冶煉成分進行精確和穩(wěn)定控制，本項目對RH增碳以及連鑄過程的增碳規(guī)律進行系統(tǒng)的研究。在煉鋼階段要獲得純凈的鋼水，必須嚴格控制轉爐出站的碳、氧含量，減少RH工序壓力，提高鋼水的質量。此外，為有效控制碳含量，實際生產中連鑄工序選用鎂質涂抹料作為中間包工作層耐材，用超低碳保護渣和堿性覆蓋劑嚴格控制連鑄澆鑄過程中鋼水的增碳量。通過以上措施，連鑄澆鑄過程的增碳量控制在6×10-6以下。

2.2 抗鱗爆性能檢測技術與裝置

項目研發(fā)了搪瓷用鋼氫滲透性能電化學測量集成技術和裝置，以及大尺寸鋼板氣體保護離子焊涂搪及燒搪抗鱗爆性能模擬實驗方法及取樣方法，將2種檢測技術在實際產品抗鱗爆性能檢測中配合使用，建立氫滲透數(shù)據與鋼板抗鱗爆性能之間的定量關系，提高鋼板抗鱗爆性能的預測精度。

2.2.1 氫滲透性能測試技術及裝置

針對雙電解池電化學金屬氫滲透測試缺乏專用儀器，測試過程需要臨時搭建實驗裝置，試樣表面效應、邊界效應影響測試結果等問題，本項目自主研制集成一體化的金屬氫滲透性能測試儀。該實驗裝置可以實現(xiàn)樣品預處理、電化學金屬氫滲透測定、數(shù)據采集處理等功能，構成一種測定金屬氫滲透性能的裝置，可穩(wěn)定、準確、靈敏、便捷地測定氫擴散速度、擴散時間、擴散系數(shù)，能夠同時滿足國家標準《搪瓷用冷軋鋼板 鱗爆敏感性試驗 氫滲透法》（GB/T 29515—2013）和國際標準《用電化學技術測量氫滲透和測定金屬中氫吸收和遷移的方法》（ISO 17081—2014）的測試要求。此外，可以利用該儀器對具有復雜組織狀態(tài)的鋼材樣品進行氫行為的研究。

2.2.2 大尺寸鋼板涂搪及燒搪抗鱗爆性能模擬實驗方法

為了增加搪瓷鋼測試區(qū)域的面積，同時考察鋼板焊接接頭區(qū)域的抗鱗爆性能，提高鋼板抗鱗爆性能預測的準確性，本研究設計了一種熱水器內膽用冷軋?zhí)麓射摽棍[爆性能的檢測方法。在同一批次鋼板上取2塊檢驗樣，用氣體保護離子焊焊接成1塊尺寸達（90～120）mm×（180～240）mm的大檢驗樣品，在大檢驗樣品鋼板外表面涂上搪瓷，經過燒結、高低溫箱進行定時交替試驗后，觀察整個試樣上下表面是否出現(xiàn)鱗爆；其原理是通過等離子弧焊電解空氣中的水產生的氫，經過高溫溶解到熱影響區(qū)，以此考量鋼板本身的貯氫能力。該方法與電化學方法配合使用，能準確預測材料鱗爆情況。經過大量試驗，確定搪瓷鋼標準1 mm厚的試樣氫穿透時間在9.5 min以上時，滿足抗鱗爆性能的要求。同時，本研究設計了一種熱連軋帶鋼取樣方法，使取樣工作強度降低，提高了產品成材率，加快了生產節(jié)奏。

2.3 高精度板形控制技術

項目研發(fā)的新型搪瓷鋼熱軋和冷軋過程高精度板形控制技術，通過熱連軋在線實時監(jiān)控間隙配合、粗精軋對中匹配控制和軋機中間輥自動串輥控制、冷軋重卷機組搭接焊機薄帶疊焊、冷軋卷取機芯軸疊加膠套、安裝減少冷軋機助卷器工作振動裝置等方法，實現(xiàn)了搪瓷鋼成品板形穩(wěn)定控制在1 nm以內。

2.3.1 熱連軋機配合間隙在線實時監(jiān)控技術

熱連軋機配合間隙在線實時監(jiān)控技術的功能如下：①將軋機牌坊尺寸和軸承座尺寸的控制精度范圍、軋機牌坊和軸承座配合間隙的正常數(shù)值范圍及正常測量周期范圍預設于在線監(jiān)控系統(tǒng)中；②向在線監(jiān)控系統(tǒng)輸入并存儲包括軸承座信息及軋機牌坊信息在內的原始數(shù)據；③在線監(jiān)控系統(tǒng)根據原始數(shù)據，自動計算并存儲軋機牌坊和在線的軸承座的配合間隙，并實時輸出軋機牌坊和在線的軸承座的配合間隙，極大地提高了監(jiān)控的時效性和準確性。

2.3.2 熱連軋粗軋和精軋對中匹配技術及裝置

熱連軋粗軋和精軋對中匹配技術及裝置主要包括中間輥道和側導板。中間輥道上設有多個傳動輥，并間隔設有2個側導板，分別為第一側導板和第二側導板，第一側導板位于中間輥道的中間位置，第二側導板位于精軋機組入口前以及第一側導板和精軋機組之間。側導板包括喇叭狀入口、夾持部分及位于兩者交匯處的導輪，導輪具有轉軸。該裝置不需要改變粗軋機組、精軋機組和中間輥道的中線，通過便于移動的側導板進行糾偏，簡單易行，最終達到中間坯的對中與精軋對中匹配的目的。

2.3.3 冷連軋機軋系統(tǒng)優(yōu)化

冷連軋機軋系統(tǒng)優(yōu)化包括以下幾個方面：①開發(fā)冷軋重卷機組搭接焊機薄帶疊焊方法；②改進冷軋乳化液撇油裝置、冷軋硬卷卷芯焊接裝置和減少冷軋機助卷器工作振動的裝置；③優(yōu)化吹掃流量控制系統(tǒng)、去除酸再生系統(tǒng)進料管線結晶的循環(huán)系統(tǒng)、全自動鋼卷貼標集成系統(tǒng)；④設計冷軋卷取機芯軸疊加膠套、防止軋輥與磨床頭架傳動分離的撥盤等專利族群。通過以上優(yōu)化措施，最終實現(xiàn)成品板形穩(wěn)定控制在1 nm以內。

3 結語

本項目獨創(chuàng)的高品質冷軋?zhí)麓捎娩摻M織性能控制理論和制備技術，踐行“綠色、低碳、創(chuàng)新”的發(fā)展理念，使生產工藝得到優(yōu)化，提升了企業(yè)核心競爭力。研發(fā)的Ti-S-B-N復合微合金成分體系、材料組織性能調控技術、窄成分冶煉精準控制技術，可解決大規(guī)模生產和用戶個性化需求的矛盾，實現(xiàn)高效化、集約化鋼材生產。使用本技術生產的高端搪瓷鋼市場的占有率超過60%，替代進口產品大批量應用于家電企業(yè)、建筑幕墻裝飾、衛(wèi)生潔具與廚具等行業(yè)，推動搪瓷行業(yè)高質量發(fā)展。本項目研發(fā)的技術具體的作用與效果如下：①獨創(chuàng)的搪瓷鋼抗鱗爆性能檢測方法，為搪瓷產品生產提供質量保證，大大降低了產品質量不穩(wěn)定帶來的損失風險；②Ti-S-B-N復合微合金化成分體系融合材料組織性能調控技術為高品質搪瓷制品向家電、建筑裝飾行業(yè)應用延伸提供了材料基礎；③材料組織性能調控技術解決了大規(guī)模生產和用戶個性化需求之間的矛盾，有利于實現(xiàn)集約化鋼材生產，具有較強的推廣應用價值；④窄成分冶煉精準控制技術助推冶金行業(yè)提質降本，為煉鋼高效化生產提供系統(tǒng)解決方案；⑤熱軋和冷軋過程高精度板形控制技術實現(xiàn)了冷軋產品在汽車、家電、精密電子等行業(yè)應用中替代進口產品。

目前，冷軋?zhí)麓砂迳a寬幅仍局限于1 500 mm以內，為滿足地鐵等建筑搪瓷幕墻需求，后續(xù)將開展1 500 mm以上寬幅搪瓷板的生產技術研發(fā)。此外，隨著綠色輕量化趨勢的發(fā)展，開發(fā)輕量化高強度碳陶瓷鋼板也成為行業(yè)的發(fā)展方向。

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*廣西創(chuàng)新驅動發(fā)展專項資金資助項目“冷軋家電用鋼開發(fā)與產業(yè)化”（桂科AA17204015）。

【作者簡介】余軼峰，男，江西鉛山人，任職于廣西柳州鋼鐵集團有限公司，高級工程師，從事科技管理工作；葉姜，男，湖南長沙人，任職于廣西柳鋼中金不銹鋼有限公司，正高級工程師，研究方向：金屬材料工程。

【引用本文】余軼峰，葉姜.高品質冷軋?zhí)麓捎娩摰难邪l(fā)與創(chuàng)新［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2023（5）：1-4.