宝钢双面搪瓷/搪玻璃用热轧板的开发及应用

孙全社^1）王双成^1）徐春^2）

1)宝钢研究院厚板研究所，上海201900；

2)上海应用技术大学材料学院，上海201418。

【摘要】针对当前热轧钢板经双面搪瓷/搪玻璃时易产生鳞爆等问题，宝钢在充分实验研究和验证的基础上，成功地开发了可双面涂搪的搪瓷/搪玻璃用热轧系列钢板。本文重点阐述了该热轧系列钢板的综合性能要求及特点、钢板的成分设计和显微组织特点及对性能的影响等。研究和应用结果表明，钢板不仅具有优良的抗鳞爆性能而且具有较强的抗高温软化和抗高温变形能力、优良的塑韧性和焊接性能，可以满足搪瓷或搪玻璃设备应用的需要。

【关键词】双面涂搪；搪瓷钢板；搪玻璃钢板；鳞爆

THE DEVELOPMENT AND APPLICATION OF STEEL PLATES FOR GLASS-LINING AT BAOSTEEL

SUN Quanshe^1）,WANG Shuangcheng^1）,XU Chun^2）

1) Heavy Plate Institute, Research Institute of Baosteel，Shanghai 201900

2) School of Material Science and Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418

【Abstract】The traditional hot-rolled steel strips and heavy plates have been subjected frequently to serious fishscale, especially when they are used for two-sided enameling or glass-lining. On the basis of test and verification in the laboratory, the series steel grades of hot-rolled steel strips and heavy plates for two-sided enameling and glass-lining are developed successfully at Baosteel. This paper investigates the chemical compositions and element effect, the typical microstructure and properties. The results show that the series steel strips and plates feature the excellent anti-fishscale, weldability, and higher yield strength after high-temperature firing, and can satisfy the requirement of the enameled ware and glass-lined equipment.

【Key Words】Two-sided enameling, steel strips for enameling, steel plates for glass-lined, fishscale

将双面搪瓷的热轧钢板制成的结构件进行拼装制造成容器罐，可广泛应用于一些大型污水处理设施、化工设施、环保设施等领域，如工业废水处理工程中的沉淀池、生物发电工程中的厌氧反应罐、沼气工程中的反应器、啤酒厂的拼装型反应器等。搪瓷拼装罐的体积越大，对于搪瓷钢板的强度性能相应地也要求越来越高，尤其是需要钢板经底釉、面釉两次高温烧成后仍具有足够高的屈服强度性能，以满足作为大型结构件使用安全的需要。通常，底釉的搪烧温度最高达到890℃，面釉搪烧温度最高达850℃，经过这样高的温度处理后钢板的强度性能会明显降低，目前国内搪瓷拼装罐行业内常用钢板的屈服强度通常仅能达到250MPa左右的水平。所以，对于这类用途的钢板，除了要满足双面涂搪要求以外，还要具有较高的搪后强度性能。

中国搪玻璃设备的制造和应用始于上世纪五十年代初，距今已有60多个年头，搪玻璃反应釜、搪玻璃储罐已被广泛地应用于石化、制医、制药等行业。以钢板底胚制成的搪玻璃设备由于兼具钢的易成型、易焊接、高强度、高韧性等特点和玻璃质瓷层的高耐蚀、高耐磨、易清洗等优点，具有其它材料如碳钢、不锈钢等无可比拟的优势，其应用领域将会越来越广泛，具有良好的发展前景。一直以来，由于国内外缺乏专用钢板，搪玻璃用钢主要以Q235B、Q245R和Q345R等普通的碳素结构钢和压力容器用钢为主。由于这些钢板并非搪玻璃专用钢板，对于各种性能的要求特别是涂搪性能受到很大制约甚至根本满足不了搪玻璃的基本要求，在经过多次高温烧成后底胚钢板特别是焊缝和热影响区（HAZ）在微观组织、性能等方面会发生很大的变化等等，最终都损害了搪玻璃设备的内在质量和表面质量，降低服役寿命。比如，为了解决涂搪时产生的鳞爆问题，常用的办法就是在釉料中添加抗鳞爆剂、改变底胚的设计结构等，但都或多或少地对搪玻璃设备的质量产生不良影响。

宝钢具有长期开发搪瓷/搪玻璃用钢的历史和经验，并且拥有多条生产产线和专业的实验研究、检测手段。近几年，在搪瓷、搪玻璃用热轧薄、中厚板的研究方面，针对搪瓷/搪玻璃加工工艺特点，对于解决搪瓷/搪玻璃时的鳞爆问题特别是双面涂搪时的鳞爆问题、如何改善涂搪时的气泡结构和瓷层质量、高温搪烧后钢板的性能变化特别是爆缝和HAZ的性能变化问题以及提高钢板的表面质量等都进行了大量的研究和实践，不仅完全解决了钢板的鳞爆问题，而且在各项性能的良好匹配和稳定控制方面也取得了突破。基于热轧产线和5m宽厚板轧机开发的具有不同强度级别的热轧板、中厚板系列不仅可用于单面或双面涂搪，而且满足了中国、欧盟和北美等专用钢的标准要求，具有综合性能优良、可供规格范围宽等特点。

1. 搪瓷/搪玻璃用钢的基本性能要求

要满足搪瓷/搪玻璃设备及其配件等的加工需要，至少要具备以下各项性能要求：

（1）良好的成型性能。满足冲压、弯曲、卷圆、冲孔等加工要求；

（2）具有较高的强度。交货状态的钢板具有较高的强度，这是实现经过多次高温烧成后高强度的前提条件；经过高温烧成后钢板（底胚）的室温强度相当于搪瓷/搪玻璃设备在服役状态下的底胚强度，因此是十分重要的；

（3）优良的涂搪性能，包括抗鳞爆性能、密着性能、抑制气泡能力和外观质量等。由于搪瓷/搪玻璃釉料中二氧化硅组份含量高，和钢板的密着较难；同时由于瓷层的结构致密，高温反应时产生的气体较难释放，更容易产生鳞爆、针孔等缺陷；

（4）耐高温变形。在高温搪烧时，本体钢板要承受自重带来的变形；

（5）高表面质量要求。钢板的表面缺陷不仅影响涂搪性能也影响生产和加工效率。严重的缺陷即使经过清理、焊补和修磨后，在涂搪后也很难抹平，在服役时也会影响整体的使用寿命。

此外，对于搪玻璃用钢还需要具备以下性能要求：

（1）良好的低温韧性。冲击韧性的高低取决于服役环境，但一般来说要满足在0℃、-20℃等不同条件下的冲击韧性要求；

（2）良好的焊接性能。搪玻璃设备的结构特点是要经过多次焊接、具有多道焊缝。钢板的焊接性能包括焊接后焊缝和HAZ具有较高的强度和良好的冲击韧性以及经过高温搪烧后焊缝和HAZ的强度和韧性，特别是焊接后焊缝和HAZ的涂搪性能是至关重要的。对搪玻璃设备来说焊接质量的好坏在很大程度上决定了整个设备质量的好坏；

（3）良好的耐温急变性。由于瓷层的组分和结构接近于玻璃，热膨胀系数小，和钢板的膨胀系数差别较大，当搪玻璃设备在不同温差范围内频繁的使用时，会在钢板和瓷层之间产生内应力和裂纹而导致失效。

2. 宝钢搪瓷/搪玻璃用钢的成分设计、显微组织特点及对性能的影响

2.1成分设计

搪瓷/搪玻璃用钢在成分设计时既要兼顾各项性能之间的匹配性又要考虑到生产成本的经济性。首先要实现在双面涂搪时不产生鳞爆，也就是如何在钢中形成一定量的不可逆贮氢陷阱。研究表明，在形成贮氢陷阱方面，热轧板和冷轧板是有较大区别的，也就是在热轧板中更难产生有效的不可逆陷阱，具体反映在两者之间的氢穿透时间差异很大，相对来说热轧板的氢穿透时间更短^（1），这也是热轧板更容易产生鳞爆的根本原因。

除了上述不同的加工工艺的影响外，钢质的影响也是极其重要的。一般来说，钢质越纯净，钢中的贮氢陷阱就越少，钢板的抗鳞爆性能也越差，这一点既可以用氢穿透时间来定量衡量，也可以用鳞爆试验来验证。为了满足抗鳞爆的要求，通过添加合金元素在钢中析出第二相粒子是常用的方法，也是对热轧钢板来说切实有效的办法^（2）。研究表明，一定数量的、呈弥散分布的析出相能显著提高钢板的抗鳞爆性能^（3,4）。

表1 宝钢部分搪瓷/搪玻璃用钢的牌号及化学成分 (%)

表1列出了普通的Q245R和宝钢开发的搪瓷/搪玻璃专用钢的化学成分。对比可见，普通Q245R的含碳量较高，同时仅添加少量的钛（有时甚至不含钛），搪瓷/搪玻璃专用钢不仅含碳量较低并且添加了较多的钛。

钢中各主要化学元素的作用如下：

碳：碳是确保钢板强度的关键元素。钢中含碳量越高则强度越高，但塑性和韧性下降。当钢中添加合金元素Ti时，碳和钛易生成TiC粒子，这种粒子呈细小、弥散状态分布，主要起到析出强化的作用，同时TiC粒子也是有益的贮氢陷阱，提高钢的贮氢能力和抗鳞爆性能。

锰：锰和碳一样也是基体强化元素，锰的加入量取决于对钢板的强度要求，但是锰含量提高钢板的塑性会降低。在不加钛等合金元素的钢中，锰和硫反应生成硫化锰，钢板在经过加工之后，硫化锰夹杂呈发纹状，对钢板的横向塑性和韧性十分有害，但在加钛钢中，如果控制得当锰主要以球状的（Mn,Ti）S析出，可以避免形成单纯的硫化锰夹杂，消除其不利影响。

铝：铝是强脱氧元素，由于氧和钛极易在钢液中反应形成氧化物夹杂，消耗有效的钛，因此加铝的目的主要是脱氧，降低钢中的氧含量。

钛：钛是强碳、氮化物形成元素。钛在钢中可以和碳、硫和氮形成化合物或复合化合物，按照不同化合物析出的溶度积计算，一般来说钛和碳、硫和氮形成化合物的顺序依次是：TiN→TiS→TiC。由于钛和氮析出温度高，如果钢中氮含量较高时，在高温析出的TiN夹杂物颗粒大，会严重损害钢的塑性、韧性，因此要提高钢板的塑性和韧性，需要尽量控制较低的含氮量。TiC粒子的析出温度较低，通过工艺控制改善其析出形态，呈细小弥散状态分布在铁素体基体上，并且通过控制添加量和Ti/C比等来控制析出的总量对提高钢板的各项性能都是十分有益的。

氮和硫：合金元素Ti可以和N、S形成化合物。虽然TiN和TiS也是不可逆的贮氢陷阱，但是，如果在钢中形成粗大的析出颗粒不仅对钢板的塑性、韧性不利，而且对提高贮氢陷阱的贡献有限。

搪瓷/搪玻璃用钢特别是用于双面涂搪时钢板最关键的性能之一就是提高钢板的贮氢性能，保证在双面涂搪时不产生鳞爆，目前常用的办法就是在钢中添加大量的合金元素钛，并且提高Ti/C的比例。

2.2钢的显微组织

由图1可见，普通Q245R的显微组织由铁素体+珠光体组成，珠光体的比例高且呈带状分布，而BTC420S和B245GT的显微组织由铁素体组织组成、B295GT由铁素体+少量珠光体组成，要么不含珠光体要么仅含有少量的珠光体组织。钢的显微组织一方面决定于钢中含碳量，即含碳量越高珠光体含量也越高，另一方面也取决于合金元素的含量，这是因为形成强碳、氮化物的合金元素会优先与碳发生反应形成化合物，余下的碳则会转变为珠光体或以渗碳体形式存在。因此，钢中加入形成强碳化物的合金元素，则会减少钢中珠光体的含量。

                （a）BTC420S                                       （b）B245GT 

                  （c） B295GT                                    （d）Q245R

图1 光学显微镜下观察的热轧钢板的显微组织

一般情况下，渗碳体和珠光体会在搪烧温度下发生分解，在搪烧过程中钢中的自由碳原子或渗碳体会发生如下反应：

H₂O+Fe→FeO+H            （1）

H₂O+C→CO↑+H              （2）

H₂O+Fe₃C→FeO+CO↑+H        （3）

有研究表明，涂搪时CO气体是产生针孔和气泡的主要原因。在搪瓷/搪玻璃专用钢中，由于含碳量较低同时珠光体或渗碳体的含量比Q245R要低得多，因此钢板具有极强的抗针孔缺陷能力，而且瓷层中的气泡细小、均匀、结构更加合理，对提高瓷层的理化性能有利，也为减少搪烧次数提供可能，如图2。

（a）Q245R                        （b）B245GT

图2 瓷层中的气泡结构

2.3钢中的析出相

对双面涂搪用热轧板来说，不仅在钢中添加³0.10%Ti，而且保证Ti/C的重量百分比³1.0，加入的大量的钛主要是以第二相粒子形式析出，其中除了少量的以TiN夹杂物存在（图3（a）），主要是以细小、弥散的TiC或Ti(CN）（图3（b））形式存在，这些细小弥散的析出相主要起到以下作用：

（1）  有效的贮氢陷阱，提高钢板的抗鳞爆性能；

（2）  通过析出强化提高钢板的强度；

（3）  抑制高温时铁素体晶粒长大，提高钢板的抗高温软化能力；

            （4）在焊接时阻止焊缝及热影响区的晶粒长大，提高焊接性能，也提高了焊缝及热影响区的抗鳞爆性能。

(a) TiN夹杂物                    (b)TiC或Ti(CN）析出相

图3 B245GT钢中的夹杂物和析出相的形貌

2.4模拟高温烧成对钢的显微组织和力学性能的影响

2.4.1 模拟高温烧成对B245GT的显微组织的影响

图4中示出了B245GT热轧板及分别经过860℃×10min和900℃×10min的高温搪烧之后的显微组织对比。由图可见，B245GT的原始组织为铁素体，铁素体呈均匀、较细的等轴晶状态，在分别经过860℃和900℃的高温烧成之后，铁素体仍然保持较为细小、均匀的状态，说明钢板在高温下抑制晶粒粗化的能力较强。由于铁素体的平均晶粒直径是影响屈服强度的主要参数，即平均晶粒直径越小钢板的屈服强度越高，上述结果也表明，B245GT钢板在经过900℃及以下的高温烧成后，仍能有效地防止屈服强度下降。

（a）热轧态           （b）860℃×10min       （c）900℃×10min

图4 B245GT热轧态和经过模拟烧成后钢板的显微组织变化

2.4.2 模拟高温烧成对钢板的力学性能的影响

以B295GT为例模拟搪玻璃的烧成工艺，期间采取5次不同温度和时间的烧成工艺路径，即900℃×10min—空冷—940℃×10min—870℃×10min空冷×3次，测试钢板的力学性能和冲击功，如图5。

                                           （a）力学性能                                                        （b）冲击韧性

图5 B295GT搪烧后的力学性能和冲击韧性

由图5可见，和原始状态钢板相比，经过5次模拟搪烧后，钢板的屈服强度和抗拉强度有所下降，但下降的幅度不大，而且屈服强度仍达到350MPa，抗拉强度达到464MPa；搪烧后钢板的0℃到-40℃的冲击功均达到300J以上，远高于标准要求值。

3．宝钢搪瓷/搪玻璃用钢的品种、性能及规格

3.1 品种和主要性能

表2中示出了宝钢双面搪瓷/搪玻璃专用钢板的各项性能要求及其性能特点。

表2

3.2宝钢可供货的交货状态和规格范围

表3中示出了宝钢可供货的双面搪瓷/搪玻璃专用钢板的交货状态和规格范围及主要应用。

表3

4.应用

宝钢开发的BTC420S、B245GT等钢板已批量应用于搪瓷拼装罐、搪玻璃反应釜、搪玻璃储罐，以及搪玻璃搅拌器叶片等设备及配件的制作，根据用户使用反馈，各项性能优良。图6为B245GT钢板的应用实例照片。

（a）搪玻璃反应釜              （b）搪玻璃搅拌叶片

图6  B245GT的应用实例

5.结论

宝钢开发的具有不同强度级别的热轧板、中厚板系列搪瓷/搪玻璃用钢,可应用于搪瓷拼装罐、搪玻璃反应釜、搪玻璃储罐以及搪玻璃搅拌器叶片等设备及配件的制作，可满足中国、欧盟和美国的搪瓷/搪玻璃专用钢标准要求。

5.1该系列钢板具有以下性能特点：

（1）优良的贮氢性能，满足双面或单面涂搪时的抗鳞爆要求；

（2）优良的成型性和低温韧性；

（3）经高温搪烧后仍具有较高的屈服强度，实际应用中可以进行钢板减薄从而节约用材。

（4）优良的焊接性能。在经过多次高温搪烧后，焊缝和HAZ仍能保持较高的强度、优良的低温韧性以及优良的抗鳞爆性能。

5.3钢板具有优良的表面质量，一般来说钢板在经过喷砂之后无需修磨可进行涂搪。

5.4可供钢板的规格范围宽，适应性强，可有效地减少焊接或拼接，提高加工制作效率。

5.5由于具有优良的涂搪质量，为减少搪烧次数、减薄涂搪厚度提供可能。

参考文献

（1）Sun Quanshe, Xu Chun, “Study on the enameling properties of cold-rolled sheet steels contained different alloyed elements”, Proceedings of International Enamellers Congress, IEI, Florence, May 24th-28th, 2015, 233-240.

（2）Philipe Gousselot, Ulrike Lorenz, “new environmental friendly hot rolled steel suitable for two sides enamelling intended for the manufacture of silos and tanks”, Proceedings of International Enamellers Congress, IEI, Florence, May 24th-28th, 2015, 23-34.

（3）M. Kamada, K. Suemune, et al., “Effect of B and N in Steel on Fishscaling of Porcelain Enamel”, Tatsu-to-Hagane, 71(2), 1985, 120-127.

（4）SUN Quanshe, JIN Lei, et al., HSLA Steels’2000, Xi’an China, Edited by LIU Guoquan WANG Fuming WANG Zubin ZHANG Hongtao, Organized by THE CHINESE SOCIETY FOR METALS METALLURGICAL INDUSTRY PRESS.