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        寶鋼雙面搪瓷/搪玻璃用熱軋板的開發及應用
        更新時間:2019-01-23    |     來源:中國搪瓷工業協會

        寶鋼雙面搪瓷/搪玻璃用熱軋板的開發及應用

        孫全社1王雙成1徐春2

        1)寶鋼研究院厚板研究所,上海201900

        2)上海應用技術大學材料學院,上海201418


        【摘要】針對當前熱軋鋼板經雙面搪瓷/搪玻璃時易產生鱗爆等問題,寶鋼在充分實驗研究和驗證的基礎上,成功地開發了可雙面涂搪的搪瓷/搪玻璃用熱軋系列鋼板。本文重點闡述了該熱軋系列鋼板的綜合性能要求及特點、鋼板的成分設計和顯微組織特點及對性能的影響等。研究和應用結果表明,鋼板不僅具有優良的抗鱗爆性能而且具有較強的抗高溫軟化和抗高溫變形能力、優良的塑韌性和焊接性能,可以滿足搪瓷或搪玻璃設備應用的需要。


        【關鍵詞】雙面涂搪;搪瓷鋼板;搪玻璃鋼板;鱗爆


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


        SUN Quanshe1,WANG Shuangcheng1,XU Chun2

        1) Heavy Plate Institute, Research Institute of BaosteelShanghai 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


        將雙面搪瓷的熱軋鋼板制成的結構件進行拼裝制造成容器罐,可廣泛應用于一些大型污水處理設施、化工設施、環保設施等領域,如工業廢水處理工程中的沉淀池、生物發電工程中的厭氧反應罐、沼氣工程中的反應器、啤酒廠的拼裝型反應器等。搪瓷拼裝罐的體積越大,對于搪瓷鋼板的強度性能相應地也要求越來越高,尤其是需要鋼板經底釉、面釉兩次高溫燒成后仍具有足夠高的屈服強度性能,以滿足作為大型結構件使用安全的需要。通常,底釉的搪燒溫度最高達到890℃,面釉搪燒溫度最高達850℃,經過這樣高的溫度處理后鋼板的強度性能會明顯降低,目前國內搪瓷拼裝罐行業內常用鋼板的屈服強度通常僅能達到250MPa左右的水平。所以,對于這類用途的鋼板,除了要滿足雙面涂搪要求以外,還要具有較高的搪后強度性能。

        中國搪玻璃設備的制造和應用始于上世紀五十年代初,距今已有60多個年頭,搪玻璃反應釜、搪玻璃儲罐已被廣泛地應用于石化、制醫、制藥等行業。以鋼板底胚制成的搪玻璃設備由于兼具鋼的易成型、易焊接、高強度、高韌性等特點和玻璃質瓷層的高耐蝕、高耐磨、易清洗等優點,具有其它材料如碳鋼、不銹鋼等無可比擬的優勢,其應用領域將會越來越廣泛,具有良好的發展前景。一直以來,由于國內外缺乏專用鋼板,搪玻璃用鋼主要以Q235BQ245RQ345R等普通的碳素結構鋼和壓力容器用鋼為主。由于這些鋼板并非搪玻璃專用鋼板,對于各種性能的要求特別是涂搪性能受到很大制約甚至根本滿足不了搪玻璃的基本要求,在經過多次高溫燒成后底胚鋼板特別是焊縫和熱影響區(HAZ)在微觀組織、性能等方面會發生很大的變化等等,最終都損害了搪玻璃設備的內在質量和表面質量,降低服役壽命。比如,為了解決涂搪時產生的鱗爆問題,常用的辦法就是在釉料中添加抗鱗爆劑、改變底胚的設計結構等,但都或多或少地對搪玻璃設備的質量產生不良影響。

        寶鋼具有長期開發搪瓷/搪玻璃用鋼的歷史和經驗,并且擁有多條生產產線和專業的實驗研究、檢測手段。近幾年,在搪瓷、搪玻璃用熱軋薄、中厚板的研究方面,針對搪瓷/搪玻璃加工工藝特點,對于解決搪瓷/搪玻璃時的鱗爆問題特別是雙面涂搪時的鱗爆問題、如何改善涂搪時的氣泡結構和瓷層質量、高溫搪燒后鋼板的性能變化特別是爆縫和HAZ的性能變化問題以及提高鋼板的表面質量等都進行了大量的研究和實踐,不僅完全解決了鋼板的鱗爆問題,而且在各項性能的良好匹配和穩定控制方面也取得了突破。基于熱軋產線和5m寬厚板軋機開發的具有不同強度級別的熱軋板、中厚板系列不僅可用于單面或雙面涂搪,而且滿足了中國、歐盟和北美等專用鋼的標準要求,具有綜合性能優良、可供規格范圍寬等特點。


        1. 搪瓷/搪玻璃用鋼的基本性能要求

        要滿足搪瓷/搪玻璃設備及其配件等的加工需要,至少要具備以下各項性能要求:

        1)良好的成型性能。滿足沖壓、彎曲、卷圓、沖孔等加工要求;

        2)具有較高的強度。交貨狀態的鋼板具有較高的強度,這是實現經過多次高溫燒成后高強度的前提條件;經過高溫燒成后鋼板(底胚)的室溫強度相當于搪瓷/搪玻璃設備在服役狀態下的底胚強度,因此是十分重要的;

        3)優良的涂搪性能,包括抗鱗爆性能、密著性能、抑制氣泡能力和外觀質量等。由于搪瓷/搪玻璃釉料中二氧化硅組份含量高,和鋼板的密著較難;同時由于瓷層的結構致密,高溫反應時產生的氣體較難釋放,更容易產生鱗爆、針孔等缺陷;

        4)耐高溫變形。在高溫搪燒時,本體鋼板要承受自重帶來的變形;

        5)高表面質量要求。鋼板的表面缺陷不僅影響涂搪性能也影響生產和加工效率。嚴重的缺陷即使經過清理、焊補和修磨后,在涂搪后也很難抹平,在服役時也會影響整體的使用壽命。

        此外,對于搪玻璃用鋼還需要具備以下性能要求:

        1)良好的低溫韌性。沖擊韌性的高低取決于服役環境,但一般來說要滿足在0℃、-20℃等不同條件下的沖擊韌性要求;

        2)良好的焊接性能。搪玻璃設備的結構特點是要經過多次焊接、具有多道焊縫。鋼板的焊接性能包括焊接后焊縫和HAZ具有較高的強度和良好的沖擊韌性以及經過高溫搪燒后焊縫和HAZ的強度和韌性,特別是焊接后焊縫和HAZ的涂搪性能是至關重要的。對搪玻璃設備來說焊接質量的好壞在很大程度上決定了整個設備質量的好壞;

        3)良好的耐溫急變性。由于瓷層的組分和結構接近于玻璃,熱膨脹系數小,和鋼板的膨脹系數差別較大,當搪玻璃設備在不同溫差范圍內頻繁的使用時,會在鋼板和瓷層之間產生內應力和裂紋而導致失效。


        2. 寶鋼搪瓷/搪玻璃用鋼的成分設計、顯微組織特點及對性能的影響

        2.1成分設計

        搪瓷/搪玻璃用鋼在成分設計時既要兼顧各項性能之間的匹配性又要考慮到生產成本的經濟性。首先要實現在雙面涂搪時不產生鱗爆,也就是如何在鋼中形成一定量的不可逆貯氫陷阱。研究表明,在形成貯氫陷阱方面,熱軋板和冷軋板是有較大區別的,也就是在熱軋板中更難產生有效的不可逆陷阱,具體反映在兩者之間的氫穿透時間差異很大,相對來說熱軋板的氫穿透時間更短1,這也是熱軋板更容易產生鱗爆的根本原因。

        除了上述不同的加工工藝的影響外,鋼質的影響也是極其重要的。一般來說,鋼質越純凈,鋼中的貯氫陷阱就越少,鋼板的抗鱗爆性能也越差,這一點既可以用氫穿透時間來定量衡量,也可以用鱗爆試驗來驗證。為了滿足抗鱗爆的要求,通過添加合金元素在鋼中析出第二相粒子是常用的方法,也是對熱軋鋼板來說切實有效的辦法2。研究表明,一定數量的、呈彌散分布的析出相能顯著提高鋼板的抗鱗爆性能3,4

         

        1 寶鋼部分搪瓷/搪玻璃用鋼的牌號及化學成分 (%)

        牌號

        C

        Si

        Mn

        P

        S

        Al

        Ti

        Ti/C

        BTC420S

        0.08

        0.30

        1.20

        0.025

        0.030

        30.020

        30.10

        31.0

        B245GT

        0.08

        0.30

        1.00

        0.025

        0.020

        30.020

        30.10

        31.0

        B295GT

        0.10

        0.30

        1.20

        0.025

        0.030

        30.020

        30.10

        31.0

        Q245R(對比鋼)

        0.16

        0.21

        0.86

        0.011

        0.010

        0.034

        0.013

        0.08


        1列出了普通的Q245R和寶鋼開發的搪瓷/搪玻璃專用鋼的化學成分。對比可見,普通Q245R的含碳量較高,同時僅添加少量的鈦(有時甚至不含鈦),搪瓷/搪玻璃專用鋼不僅含碳量較低并且添加了較多的鈦。

        鋼中各主要化學元素的作用如下:

        碳:碳是確保鋼板強度的關鍵元素。鋼中含碳量越高則強度越高,但塑性和韌性下降。當鋼中添加合金元素Ti時,碳和鈦易生成TiC粒子,這種粒子呈細小、彌散狀態分布,主要起到析出強化的作用,同時TiC粒子也是有益的貯氫陷阱,提高鋼的貯氫能力和抗鱗爆性能。

        錳:錳和碳一樣也是基體強化元素,錳的加入量取決于對鋼板的強度要求,但是錳含量提高鋼板的塑性會降低。在不加鈦等合金元素的鋼中,錳和硫反應生成硫化錳,鋼板在經過加工之后,硫化錳夾雜呈發紋狀,對鋼板的橫向塑性和韌性十分有害,但在加鈦鋼中,如果控制得當錳主要以球狀的(Mn,TiS析出,可以避免形成單純的硫化錳夾雜,消除其不利影響。

        鋁:鋁是強脫氧元素,由于氧和鈦極易在鋼液中反應形成氧化物夾雜,消耗有效的鈦,因此加鋁的目的主要是脫氧,降低鋼中的氧含量。

        鈦:鈦是強碳、氮化物形成元素。鈦在鋼中可以和碳、硫和氮形成化合物或復合化合物,按照不同化合物析出的溶度積計算,一般來說鈦和碳、硫和氮形成化合物的順序依次是:TiNTiSTiC。由于鈦和氮析出溫度高,如果鋼中氮含量較高時,在高溫析出的TiN夾雜物顆粒大,會嚴重損害鋼的塑性、韌性,因此要提高鋼板的塑性和韌性,需要盡量控制較低的含氮量。TiC粒子的析出溫度較低,通過工藝控制改善其析出形態,呈細小彌散狀態分布在鐵素體基體上,并且通過控制添加量和Ti/C比等來控制析出的總量對提高鋼板的各項性能都是十分有益的。

        氮和硫:合金元素Ti可以和NS形成化合物。雖然TiNTiS也是不可逆的貯氫陷阱,但是,如果在鋼中形成粗大的析出顆粒不僅對鋼板的塑性、韌性不利,而且對提高貯氫陷阱的貢獻有限。

        搪瓷/搪玻璃用鋼特別是用于雙面涂搪時鋼板最關鍵的性能之一就是提高鋼板的貯氫性能,保證在雙面涂搪時不產生鱗爆,目前常用的辦法就是在鋼中添加大量的合金元素鈦,并且提高Ti/C的比例。


        2.2鋼的顯微組織

        由圖1可見,普通Q245R的顯微組織由鐵素體+珠光體組成,珠光體的比例高且呈帶狀分布,而BTC420SB245GT的顯微組織由鐵素體組織組成、B295GT由鐵素體+少量珠光體組成,要么不含珠光體要么僅含有少量的珠光體組織。鋼的顯微組織一方面決定于鋼中含碳量,即含碳量越高珠光體含量也越高,另一方面也取決于合金元素的含量,這是因為形成強碳、氮化物的合金元素會優先與碳發生反應形成化合物,余下的碳則會轉變為珠光體或以滲碳體形式存在。因此,鋼中加入形成強碳化物的合金元素,則會減少鋼中珠光體的含量。

                

                        (aBTC420S                                       bB245GT 

                

                          (c) B295GT                                    (d)Q245R

        圖1 光學顯微鏡下觀察的熱軋鋼板的顯微組織

        一般情況下,滲碳體和珠光體會在搪燒溫度下發生分解,在搪燒過程中鋼中的自由碳原子或滲碳體會發生如下反應:

        H2O+Fe→FeO+H            1

        H2O+C→CO↑+H              2

        H2O+Fe3C→FeO+CO↑+H        3

        有研究表明,涂搪時CO氣體是產生針孔和氣泡的主要原因。在搪瓷/搪玻璃專用鋼中,由于含碳量較低同時珠光體或滲碳體的含量比Q245R要低得多,因此鋼板具有極強的抗針孔缺陷能力,而且瓷層中的氣泡細小、均勻、結構更加合理,對提高瓷層的理化性能有利,也為減少搪燒次數提供可能,如圖2


         

        aQ245R                        bB245GT

        2 瓷層中的氣泡結構


        2.3鋼中的析出相

        對雙面涂搪用熱軋板來說,不僅在鋼中添加30.10%Ti,而且保證Ti/C的重量百分比31.0,加入的大量的鈦主要是以第二相粒子形式析出,其中除了少量的以TiN夾雜物存在(圖3a)),主要是以細小、彌散的TiCTi(CN)(圖3b))形式存在,這些細小彌散的析出相主要起到以下作用:

        (1)  有效的貯氫陷阱,提高鋼板的抗鱗爆性能;

        (2)  通過析出強化提高鋼板的強度;

        (3)  抑制高溫時鐵素體晶粒長大,提高鋼板的抗高溫軟化能力;

                    (4)在焊接時阻止焊縫及熱影響區的晶粒長大,提高焊接性能,也提高了焊縫及熱影響區的抗鱗爆性能。

          

        (a) TiN夾雜物                    (b)TiC或Ti(CN)析出相

        3 B245GT鋼中的夾雜物和析出相的形貌

        2.4模擬高溫燒成對鋼的顯微組織和力學性能的影響

        2.4.1 模擬高溫燒成對B245GT的顯微組織的影響

        4中示出了B245GT熱軋板及分別經過860℃×10min900℃×10min的高溫搪燒之后的顯微組織對比。由圖可見,B245GT的原始組織為鐵素體,鐵素體呈均勻、較細的等軸晶狀態,在分別經過860℃和900℃的高溫燒成之后,鐵素體仍然保持較為細小、均勻的狀態,說明鋼板在高溫下抑制晶粒粗化的能力較強。由于鐵素體的平均晶粒直徑是影響屈服強度的主要參數,即平均晶粒直徑越小鋼板的屈服強度越高,上述結果也表明,B245GT鋼板在經過900℃及以下的高溫燒成后,仍能有效地防止屈服強度下降。

        a)熱軋態           b860℃×10min       c900℃×10min

        4 B245GT熱軋態和經過模擬燒成后鋼板的顯微組織變化


        2.4.2 模擬高溫燒成對鋼板的力學性能的影響

        B295GT為例模擬搪玻璃的燒成工藝,期間采取5次不同溫度和時間的燒成工藝路徑,即900℃×10min—空冷—940℃×10min870℃×10min空冷×3次,測試鋼板的力學性能和沖擊功,如圖5

        508

        文本框: 508

                                                   (a)力學性能                                                        b)沖擊韌性

        5 B295GT搪燒后的力學性能和沖擊韌性

        由圖5可見,和原始狀態鋼板相比,經過5次模擬搪燒后,鋼板的屈服強度和抗拉強度有所下降,但下降的幅度不大,而且屈服強度仍達到350MPa,抗拉強度達到464MPa;搪燒后鋼板的0℃到-40℃的沖擊功均達到300J以上,遠高于標準要求值。

         

        3.寶鋼搪瓷/搪玻璃用鋼的品種、性能及規格

        3.1 品種和主要性能

        2中示出了寶鋼雙面搪瓷/搪玻璃專用鋼板的各項性能要求及其性能特點。

         

        2

         

        牌號

        拉伸性能

        工藝性能

        涂搪性能

        焊接性能

        搪后屈服強度

        MPa

        屈服強度

        MPa

        抗拉強度

        MPa

        延伸率

        %

        180°折彎

        彎心直徑

        沖擊韌性

        AkvJ

        抗鱗爆性能

        密著性能

        抗針孔性能

        搪瓷用鋼

        BTC420S

        3420

        3480

        320

        2a

        --

        雙面涂搪

        優良

        優良

        優良

        3310

        BTC460S

        3460

        3500

        318

        2a

        --

        雙面涂搪

        優良

        優良

        優良

        3360

        BTC500S

        3500

        3550

        318

        2a

        --

        雙面涂搪

        優良

        優良

        優良

        3400

        搪玻璃用鋼

        B245GT

        3245

        3400

        322

        1.5a

        0℃331

        單面或

        雙面涂搪

        優良

        優良

        優良

        3300

        -20℃331

        B295GT

        3295

        3460

        318

        2a

        0℃331

        3320

        -20℃331


        3.2寶鋼可供貨的交貨狀態和規格范圍

        3中示出了寶鋼可供貨的雙面搪瓷/搪玻璃專用鋼板的交貨狀態和規格范圍及主要應用。

        3

        鋼種

        交貨條件

        交貨狀態

        厚度(mm

        寬度(mm

        主要應用

        BTC420S

        BTC460S

        BTC500S

        鋼板或鋼卷

        熱軋態

        3~12

        ≤1650

        搪瓷拼裝灌

        B245GT

        鋼板

        熱軋態或正火態

        10~100

        ≤4000

        搪玻璃反應釜、儲罐及其配件

        B295GT



        4.應用

        寶鋼開發的BTC420SB245GT等鋼板已批量應用于搪瓷拼裝罐、搪玻璃反應釜、搪玻璃儲罐,以及搪玻璃攪拌器葉片等設備及配件的制作,根據用戶使用反饋,各項性能優良。圖6B245GT鋼板的應用實例照片。

         

        (a)搪玻璃反應釜              (b)搪玻璃攪拌葉片

        6  B245GT的應用實例


        5.結論

        寶鋼開發的具有不同強度級別的熱軋板、中厚板系列搪瓷/搪玻璃用鋼,可應用于搪瓷拼裝罐、搪玻璃反應釜、搪玻璃儲罐以及搪玻璃攪拌器葉片等設備及配件的制作,可滿足中國、歐盟和美國的搪瓷/搪玻璃專用鋼標準要求。

        5.1該系列鋼板具有以下性能特點:

        1)優良的貯氫性能,滿足雙面或單面涂搪時的抗鱗爆要求;

        2)優良的成型性和低溫韌性;

        3)經高溫搪燒后仍具有較高的屈服強度,實際應用中可以進行鋼板減薄從而節約用材。

        4)優良的焊接性能。在經過多次高溫搪燒后,焊縫和HAZ仍能保持較高的強度、優良的低溫韌性以及優良的抗鱗爆性能。

        5.3鋼板具有優良的表面質量,一般來說鋼板在經過噴砂之后無需修磨可進行涂搪。

        5.4可供鋼板的規格范圍寬,適應性強,可有效地減少焊接或拼接,提高加工制作效率。

        5.5由于具有優良的涂搪質量,為減少搪燒次數、減薄涂搪厚度提供可能。


        參考文獻

        (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.

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