CN104087828A - 一种热交换器用全铁素体搪瓷钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

一种热交换器用全铁素体搪瓷钢，其化学成份的重量百分比为：C≤0.0050%、Mn：0.10~0.50%、Si≤0.010%、P≤0.020%、S：0.015~0.045%、Als≤0.010%，Nb：0.010~0.055%，B≤0.0030%，O：0.010~0.050%；生产步骤：铁水预处理、转炉冶炼、精炼并连铸；对铸坯加热；热轧；卷取并酸洗；冷轧；退火；精整并待用。本发明金相组织为全铁素体，晶粒度为11级，主要夹杂物为长线状MnS和颗粒状Mn/Nb复合氧化物，析出相为细小的NbC/N、BN颗粒，Rel为180~240MPa，拉伸强度280~360MPa，延伸率36~46%，钢板氢渗透时间≥25min/mm²，涂搪后无鳞爆，搪瓷密着强度优于A1级，针孔率低于10个/m²。

Description

一种热交换器用全铁素体搪瓷钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种搪瓷钢及生产方法，具体地属于一种热交换器用搪瓷钢及生产方法，确切地为一种热交换器用全铁素体搪瓷钢及生产方法。

背景技术

热交换器波纹板是热交换器中换热元件的主体构件，直接与烟气接触，需要具备优良的耐酸碱、耐腐蚀能力，目前主要采用搪瓷钢板制造。搪瓷波纹板是通过冷轧钢板辊压成形，再涂覆一层搪瓷粉，最后高温烧结制成。为满足热交换器严苛的使用环境，必须保证波纹板的涂搪质量，这就要求所采用钢板必须具有良好的抗鳞爆性能、搪瓷密着性和抗针孔性。虽然波纹板结构简单，对钢板的深冲性能要求不高，但钢板经高温搪烧后容易变形，影响波纹板组装质量和换热效率，这就要求钢板同时具备良好的抗高温变形能力。目前冷轧搪瓷专用钢材主要为添加B、Ti或Nb等合金元素的超低碳铝镇静搪瓷钢，虽然该类钢板具有良好的成形性，抗鳞爆性和抗高温变形也能满足使用要求，但其制造出的波纹板搪瓷密着强度和抗针孔性难以达到热交换器用波纹板的要求，因此开发出综合性能更优的搪瓷钢板。

经检索，中国专利申请号为CN01802486.6的专利文献，公开了一种加工性、时效性和上釉性出色的搪瓷用钢板及制造方法。其组分及质量百分比为：0.0018%以下的碳、0.020%以下的硅、0.10~0.30%的锰、0.010~0.030%的磷、0.030%以下的硫、0.005%以下的铝、0.0008~0.0050%的氮、0.0050%以下且0.6倍氮量以上的硼和0.010~0.05%的氧，该方法主要通过成分和热轧条件调整来控制氮化物形态，冶炼和轧制的控制难度较大，而且主要夹杂物为硼氮化物，虽然实现了在较低氧含量条件下保证钢板的抗鳞爆性，但没有起到改善搪瓷密着性的作用。

中国专利申请号为CN201010179312.5专利文献，其公开了一种以超低碳为基础、添加适量的合金元素、具有优良的成形性能和抗鳞爆性能的冷轧超低碳钢搪瓷钢板的制造方法，其组分及重量百分比为：C≤0.050、Si≤0.10、Mn≤0.50、P≤0.035、S≤0.035、Al:0.031～0.10、N≤0.015、O≥0.001、B:0.0003～0.020、Cu:0.01～0.50，还含有Nb:0.01～0.10、V:0.01～0.10、Ti:0.01～0.15中的一种或两种以上，还含有Cr:0.01～0.10、Ni:0.01～0.10、Mo:0.01～0.10中的一种或两种以上。其存在的不足是C含量较高，容易产生针孔缺陷，添加合金种类较多导致冶炼成本较高，该发明的钢板主要满足两次搪瓷两次搪烧的湿法搪瓷工艺，而制造热交换器波纹板主要采用静电干法一次搪烧工艺，对钢板涂搪性能要求更高，尚未得到实例验证是否满足使用要求。；

中国专利申请号为CN201010179313.X的文献，公开了一种抗针孔性能、抗鳞爆性能、钢板和瓷釉之间的密着性优良的搪瓷钢，其组分及重量百分比为：C≤0.0040%、Si≤0.03%、Mn≤1.0%、P≤0.035%、S≤0.050%、Al≤0.030%、B:0.0003～0.010%、N≤0.015%、O：0.005~0.05%、Ti：0.01～0.50，还含有Cu：0.01~0.20%、Cr：0.01~0.20%、Ni：0.01~0.20%、Mo：0.01~0.20%中的一种或两种以上。该发明的钢板密着性在A1级和A2级之间，不能满足密着性优于A1级的产品需求，同时适应于加工热交换器波纹板的屈服强度最优范围为200~220MPa，而该发明钢板的屈服强度在148~220MPa，波动范围较宽，加工适应性较差。

中国专利申请号为CN201310486400.3的文献，公开了一种具有抗鳞爆性能的搪瓷钢，由以下组分及重量百分比制成：C：0.0020～0.0050%、Mn：0.30～0.50%、Si：0.0050～0.0100%、P：0.010～0.015%、S：0.011～0.020%、Als：0～0.010%、O：0.011～0.020%，余量为Fe和其他不可避免的杂质，该文献虽合金加入量少，生产成本低，钢板成形性、抗鳞爆性和涂搪密着性能满足一次涂搪使用要求，但晶粒较粗大，使钢板强度较低，抗高温变形能力较差，不能满足更高要求的热交换器需求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种金相组织为全铁素体，晶粒度为11级，主要夹杂物为长线状MnS和颗粒状Mn/Nb 复合氧化物，析出相为细小的NbC/N、BN颗粒，钢板屈服强度180~240MPa，拉伸强度280~360MPa，延伸率36~46% ，钢板氢渗透时间≥25min/mm²，涂搪后无鳞爆，搪瓷密着强度优于A1级，针孔率低于10个/m²的热交换器用全铁素体搪瓷钢及生产方法。

实现上述目的的措施：

一种热交换器用全铁素体搪瓷钢，其化学成份的重量百分比为：C≤0.0050%、Mn：0.10~0.50%、Si ≤0.010%、P≤0.020%、S：0.015~0.045%、Als ≤0.010%，Nb：0.010~0.055%，B≤0.0030%，O：0.010~0.050%，余量为Fe和其他不可避免的杂质；金相组织为铁素体，晶粒度为11级，主要夹杂物为长线状MnS和颗粒状Mn/Nb复合氧化物，析出相为细小的NbC/N、BN颗粒，钢板氢渗透时间≥25min/mm²，搪瓷密着强度优于A1级。

一种热交换器用全铁素体搪瓷钢，其化学成份的重量百分比为：C≤0.0050%、Mn：0.35~0.50%、Si ≤0.010%、P≤0.020%、S：0.032~0.040%、Als ≤0.010%，Nb：0.026~0.055%，B≤0.0030%，O：0.010~0.050%，余量为Fe和其他不可避免的杂质；金相组织为铁素体，晶粒度为11级，主要夹杂物为长线状MnS和颗粒状Mn/Nb复合氧化物，析出相为细小的NbC/N、BN颗粒，钢板氢渗透时间≥25min/mm²，搪瓷密着强度优于A1级。

一种热交换器用全铁素体搪瓷钢，其化学成份的重量百分比为：C≤0.0050%、Mn：0.40~0.50%、Si ≤0.010%、P≤0.020%、S：0.036~0.040%、Als ≤0.010%，Nb：0.040~0.050%，B≤0.0030%，O：0.010~0.050%，余量为Fe和其他不可避免的杂质；金相组织为铁素体，晶粒度为11级，主要夹杂物为长线状MnS和颗粒状Mn/Nb复合氧化物，析出相为细小的NbC/N、BN颗粒，钢板氢渗透时间≥25min/mm²，搪瓷密着强度优于A1级。

生产一种热交换器用全铁素体搪瓷钢的方法，其步骤：

1）进行铁水预处理、转炉冶炼、精炼并连铸；

2）对铸坯加热，控制铸坯加热温度在1200~1280℃；

3）进行热连轧，控制终轧温度在880~940°C；

4）进行卷取并酸洗，控制卷取温度在680~740°C；

5）进行冷连轧，控制冷轧压下率为75~85%；

6）进行退火：当采用罩式退火时，其退火温度控制在710~760°C，退火时间在24~30h，平整延伸率在0.5~1.2%；当采用连续退火时，其退火温度控制在800~850°C，退火时间在60s~150s，平整延伸率在0.5~1.2%；

7）精整并待用。

本发明中各元素及主要工序的作用

本发明的C≤0.0050%，钢板的成形性随碳含量降低而显著提高，降低钢中碳含量还能有效避免连铸过程中CO气泡的产生，减少铸坯缺陷，同时涂搪过程中C含量偏高时也会形成CO气泡，容易导致搪瓷针孔缺陷，损害搪瓷表面质量，因此钢中碳含量不应超过0.0050%。

本发明的Mn含量选择在0.10~0.50%，Mn可以与钢中的S、O结合形成MnS、MnO等夹杂物充当氢陷阱，显著改善钢板的抗鳞爆性能，同时, Mn与S含量比例大于10 时，还可有效抑制S元素引起的热轧热脆性问题，因此选择Mn含量在0.10%以上。Mn作为固溶强化元素，含量过高时钢板塑性显著降低，不利于搪瓷板的加工使用，因此Mn含量不应超过0.50%。

本发明的Si ≤0.010%，Si是搪瓷钢中的有害元素，Si含量增加会显著降低搪瓷密着性，损害表面质量，Si含量越低越好，因此选择将Si含量控制在0.010%一下。

本发明的P≤0.020%，P为杂质元素，容易在晶界偏聚，增加钢板脆性，损害钢板的成形性，因此其含量尽可能低，目前炼钢工艺将P控制在0.020%以下易于实现。 

本发明的S含量选择在0.015~0.040%，S容易与Mn结合形成塑性夹杂物MnS，充当钢中的有效氢陷阱，提高了钢板的抗鳞爆性能，选择S含量大于0.015%可以保证钢中形成MnS夹杂，但S含量超过0.040%时，一方面容易形成大尺寸的MnS，显著降低钢板的塑性，另一方面钢中Mn含量有限，超量的S还容易产生热脆性。；

本发明的Als ≤0.010%，Al是强脱氧剂，能够抑制其他氧化物的生成，Al的氧化物对氢的吸附能力差而且损害钢板的加工性，因此选择少量Al脱氧，Als含量不超过0.010%，达到有效控制钢液中氧含量的目的

本发明的Nb含量选择在0.010~0.055%，Nb是强碳、氮化物形成元素，能与C、N结合形成细小的析出相，既可充当氢陷阱，还能细化晶粒，提高钢板强度，在氧含量较高的钢液中，Nb还可以与Mn等合金元素形成复合氧化物，能提高钢板的抗鳞爆性能，为保证Nb元素起到以上有效作用，Nb含量不应低于0.010%，同时过量的Nb不仅进一步改善钢板性能的效果不明显，同时还会带来成本的提高，因此选择0.055%作为上限。

本发明的B≤0.0030%，B主要与N结合形成BN，有利于提高钢板抗鳞爆性，钢中加入少量的B就能起到很好的效果，当B含量过高时，容易形成铸坯角部裂纹，同时B的烧损更严重，不利于稳定控制，因此B含量上限取0.0030%。

本发明的O 含量选择在0.010~0.050%，O是钢中氧化物的形成元素，钢液氧含量越高，凝固过程形成的氧化物越多，对抗鳞爆性能有利，但氧含量超过0.050%时，一方面容易产生大量CO气泡，甚至引起钢液沸腾，不利于连铸生产和铸坯质量，另一方面还会形成导致炉内耐火材料、塞棒、水口等设备溶损严重

试验中发现，在其它元素含量范围不变的情况下，将其中的Mn、S、Nb的重量百分比进一步分别控制在以下范围：Mn：0.35~0.50%、S：0.032~0.040%、Nb：0.026~0.055%，所制得的钢板中夹杂物数量会更多，且夹杂物的类型和分布更加对力学性能和抗鳞爆性能有利，使抗鳞爆性能及力学性能更加优异。

钢坯加热温度控制在1200~1280℃，能保证钢坯充分奥氏体化，达到组织均匀的目的，同时钢中化合物能充分溶解，冷却过程中析出，能起到细化晶粒的作用。

热连轧终轧温度控制在880~940°C，可避免两相区轧制带来的混晶问题。

卷取温度控制在680~740°C，可保证析出相充分析出，有利于抗鳞爆性能。

冷轧压下率控制在75~85%：采用较高的冷轧压下率可增加钢中变形储能，降低再结晶温度，同时还有利于织构发展，改善钢板成形性能。

退火：当采用罩式退火，其退火温度控制为710~760°C，退火时间24~30h，平整延伸率0.5~1.2%；当采用连续退火，退火温度控制为800~850°C，退火时间60s~150s，平整延伸率0.5~1.2%。罩式退火温度相对较低，退火时间长能保证再结晶完全和析出物充分析出；连续退火温度较高，退火时间较短，生产效率高，退火时间不低于60s，能保证完全再结晶和织构发展，生成大量细小析出物，同时退火时间不能过长，避免晶粒和析出物的粗大；根据厚度规格调整平整延伸率，可有效改善板形，同时优化力学性能。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

（1）本发明搪瓷钢的化学成分简单，仅添加少量Mn、Nb、B合金元素，通过成分和工艺控制获得目标组织和夹杂物，显著改善了钢板性能；

（2）本发明生产的搪瓷钢金相组织为铁素体，晶粒度11级，钢板屈服强度180~240MPa，拉伸强度280~360MPa，延伸率36~46%，强度和塑性匹配良好，完全满足波纹板滚压加工要求；

（3）本发明制造的搪瓷钢中夹杂物主要是大量尺寸为1~5μm含Mn、Nb的复合氧化物颗粒，长度为5~20μm线状的MnS塑性颗粒以及尺寸小于1μm的NbC、NbN、BN析出物颗粒，在涂搪过程中，氧化物、硫化物夹杂和碳氮化物析出相均可充当不可逆氢陷阱，与单一种类的小颗粒析出相（TiC、NbC、TiS等）相比，本发明搪瓷钢中不同尺寸和形状的夹杂物共同作用，更能有效抑制氢在钢板中的扩散，既保证钢板具有良好的抗鳞爆性能，又具备细化晶粒和析出强化作用，提高钢板抗高温变形能力，同时氧化物夹杂有利于钢板界面与搪瓷层形成连接紧密的过渡层，提高钢板搪瓷密着性。

（4）经检测，钢板氢渗透时间≥25min/mm²，涂搪后板形良好，无鳞爆，搪瓷密着强度优于A1级，针孔率低于10个/m²，说明该搪瓷钢具有优良的搪瓷密着性、抗鳞爆性、抗针孔性和抗高温变形能力。

附图说明

图1为本发明钢板的金相组织图；

图2为本发明钢板中夹杂物的扫描电镜图；

图3为本发明钢板中析出相的透射电镜图；

图1可见线状和颗粒状物质为夹杂物；

图2中线状物质为MnS，颗粒状物质为Mn、Nb复合氧化物；

图3球形颗粒为NbC。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例性能检测情况列表；

表4为本发明各实施例的涂搪检测结果列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

1）进行铁水预处理、转炉冶炼、精炼并连铸；

2）对铸坯加热，控制铸坯加热温度在1200~1280℃；

3）进行热连轧，控制终轧温度在880~940°C；

4）进行卷取并酸洗，控制卷取温度在680~740°C；

5）进行冷连轧，控制冷轧压下率为75~85%；

6）进行退火：当采用罩式退火时，其退火温度控制在710~760°C，退火时间在24~30h，平整延伸率在0.5~1.2%；当采用连续退火时，其退火温度控制在800~850°C，退火时间在60s~150s，平整延伸率在0.5~1.2%；

7）精整并待用。

表1 本发明各实施例及对比例的取值列表（wt%）

表2 本发明各实施例及对比例的工艺参数

表3 实施例的性能检测结果

表3的试验条件：按GB/T29515-2013《搪瓷用冷轧钢板 鳞爆敏感性试验 氢渗透法》进行钢板抗鳞爆性检测，结果表明该钢板的氢渗透时间均大于25min。

用上述1~10各实施例所得到钢板成品

表4 实施例的涂搪检测结果

表4为进行涂搪后检测的数据，其试验条件：取试片大小300mm×300mm，试片完全脱脂后采用Ferro公司搪瓷粉进行静电喷粉，经850℃搪烧5min，自然冷却后进行试片外观检查和搪瓷性能检测，结果如表4所示。对于本发明的钢板，观察钢板外观，无明显变形、翘曲等问题，板形质量优良，试片放置1周后观察，均无鳞爆现象；由于按欧标BS EN10209-1996进行搪瓷密着性检测无法明显区分搪瓷密着强度，采用增大球形头下落高度至1m处进行测试再将结果与标准对比，结果显示密着强度仍被评为A1级，说明钢板实际密着强度优于A1级，表明钢板搪瓷密着性优异，；按显色法测量搪瓷层针孔率，结果显示每平米针孔数不超过10个，表明钢板抗针孔缺陷能力强。而对比例的钢板，由于成分和工艺超出控制范围，钢板力学性能、抗鳞爆性、密着强度、抗针孔性及搪烧后板形质量中的一项或几项存在问题，达不到热交换器用搪瓷钢使用要求。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (4)

1.一种热交换器用全铁素体搪瓷钢，其化学成份的重量百分比为：C≤0.0050%、Mn：0.10~0.50%、Si ≤0.010%、P≤0.020%、S：0.015~0.045%、Als ≤0.010%，Nb：0.010~0.055%，B≤0.0030%，O：0.010~0.050%，余量为Fe和其他不可避免的杂质；金相组织为铁素体，晶粒度为11级，主要夹杂物为长线状MnS和颗粒状Mn/Nb复合氧化物，析出相为细小的NbC/N、BN颗粒，钢板氢渗透时间≥25min/mm²，搪瓷密着强度优于A1级。

2.一种热交换器用全铁素体搪瓷钢，其化学成份的重量百分比为：C≤0.0050%、Mn：0.35~0.50%、Si ≤0.010%、P≤0.020%、S：0.032~0.040%、Als ≤0.010%，Nb：0.026~0.055%，B≤0.0030%，O：0.010~0.050%，余量为Fe和其他不可避免的杂质；金相组织为铁素体，晶粒度为11级，主要夹杂物为长线状MnS和颗粒状Mn/Nb复合氧化物，析出相为细小的NbC/N、BN颗粒，钢板氢渗透时间≥25min/mm²，搪瓷密着强度优于A1级。

3.一种热交换器用全铁素体搪瓷钢，其化学成份的重量百分比为：C≤0.0050%、Mn：0.40~0.50%、Si ≤0.010%、P≤0.020%、S：0.036~0.040%、Als ≤0.010%，Nb：0.040~0.050%，B≤0.0030%，O：0.010~0.050%，余量为Fe和其他不可避免的杂质；金相组织为铁素体，晶粒度为11级，主要夹杂物为长线状MnS和颗粒状Mn/Nb复合氧化物，析出相为细小的NbC/N、BN颗粒，钢板氢渗透时间≥25min/mm²，搪瓷密着强度优于A1级。

4.生产权利要求1至3所述的一种热交换器用全铁素体搪瓷钢的方法，其步骤：

1）进行铁水预处理、转炉冶炼、精炼并连铸；

2）对铸坯加热，控制铸坯加热温度在1200~1280℃；

3）进行热连轧，控制终轧温度在880~940°C；

4）进行卷取并酸洗，控制卷取温度在680~740°C；

5）进行冷连轧，控制冷轧压下率为75~85%；

6）进行退火：当采用罩式退火时，其退火温度控制在710~760°C，退火时间在24~30h，平整延伸率在0.5~1.2%；当采用连续退火时，其退火温度控制在800~850°C，退火时间在60s~150s，平整延伸率在0.5~1.2%；

7）精整并待用。