沙鋼超薄帶雙輥鑄軋工藝及超薄帶耐候鋼的發(fā)展現(xiàn)狀

史華躍 馮慶曉 董 瀚 施一新 周東生 李化龍

(1.江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625；2.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444；3.江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司，江蘇 張家港 215625；4.張家港中美超薄帶科技有限公司，江蘇 張家港 215625)

如何解決鋼材在大氣中的腐蝕問題，一直是冶金行業(yè)的一個重要議題。自從20世紀(jì)30年代美國鋼鐵公司率先研發(fā)出Corten鋼以來，這種通過添加磷、銅、鉻和鎳來降低鋼材腐蝕速率的合金體系，在世界各國得到了廣泛的認(rèn)同。從19世紀(jì)80年代開始，我國耐大氣腐蝕鋼(又稱為耐候鋼)進(jìn)入迅速發(fā)展階段，相繼在鐵道、橋梁、建筑等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著我國產(chǎn)業(yè)升級的推進(jìn)，耐候鋼逐漸在新的應(yīng)用領(lǐng)域，如集裝箱、太陽能支架、鋼結(jié)構(gòu)建筑覆蓋板等領(lǐng)域顯露出了巨大的潛力，這些產(chǎn)業(yè)除了對產(chǎn)品耐蝕性能有著嚴(yán)格的要求外，還對減重有著更為苛刻的要求，因此對低厚度(1.5 mm以下)、高強(qiáng)度同時兼顧優(yōu)良耐蝕性能產(chǎn)品的需求很高。傳統(tǒng)的熱軋工藝很難在滿足上述需求的同時做到在生產(chǎn)成本上有競爭力。沙鋼超薄帶近終形連鑄連軋技術(shù)，能夠在控制成本的前提下生產(chǎn)超薄、高強(qiáng)度和耐蝕性能優(yōu)良的熱軋薄鋼帶，有望填補(bǔ)國內(nèi)產(chǎn)業(yè)空白。本文對沙鋼超薄帶雙輥鑄軋工藝的核心技術(shù)與生產(chǎn)線布局進(jìn)行了概述，總結(jié)了超薄帶耐候鋼的工藝特點(diǎn)與耐蝕性能，并對超薄帶耐候鋼的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 超薄帶工藝概述

1.1 核心技術(shù)

沙鋼引進(jìn)美國紐柯(Nucor)鋼鐵公司的超薄帶Castrip技術(shù)并結(jié)合自主創(chuàng)新，于2018年建成了國內(nèi)第一條超薄帶鑄軋生產(chǎn)線。Castrip技術(shù)，國內(nèi)也叫超薄帶技術(shù)，是一種直接鑄軋出尺寸及物理性能滿足最終產(chǎn)品要求的近終成型工藝。由于該工藝采用了一對銅鑄輥取代傳統(tǒng)連鑄的結(jié)晶器完成鋼水的凝固過程并進(jìn)行鑄坯的生產(chǎn)，因此該工藝也稱為雙輥鑄軋技術(shù)。沙鋼超薄帶雙輥鑄軋技術(shù)的核心工藝，即雙輥連鑄工藝的示意如圖1所示：鋼水通過布流系統(tǒng)注入一對相向旋轉(zhuǎn)的銅鑄輥之間，鑄輥的兩端采用一對特殊的耐火材料制成的側(cè)封板來輔助鋼水熔池的形成；隨著鑄輥的持續(xù)轉(zhuǎn)動，銅鑄輥中通過的冷卻水將熔池中鋼水的熱量帶走，鋼液凝固后從兩輥的縫隙之間經(jīng)擠壓后連續(xù)生產(chǎn)出厚度1.4～2.1 mm的鑄帶，再經(jīng)一道次在線熱軋生產(chǎn)出厚度0.7～1.9 mm的熱軋薄帶鋼。

圖1 超薄帶雙輥連鑄工藝示意圖

與常規(guī)熱軋工藝相比，超薄帶雙輥鑄軋工藝省略了鋼坯環(huán)節(jié)，鋼水可直接凝固成最薄1.4 mm厚的鋼帶，該工藝可實(shí)現(xiàn)更薄規(guī)格產(chǎn)品的制造。銅輥中通過的高速冷卻水可在瞬間帶走大量熱量，冷卻速率達(dá)1 000 ℃·s-1以上，鋼水可在1 s內(nèi)完成從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變，快速凝固可使鋼帶中幾乎不存在元素偏析；在超薄帶的連鑄過程中，不使用保護(hù)渣，鋼液與結(jié)晶輥直接接觸急速冷卻，避免了傳統(tǒng)工藝的下渣風(fēng)險，鋼質(zhì)潔凈度更優(yōu)[1]。

1.2 生產(chǎn)線布局

沙鋼超薄帶產(chǎn)線采用電爐冶煉鋼水。電爐冶煉的鋼水經(jīng)真空爐VD和爐外精煉LF處理后，得到成分合格、溫度達(dá)標(biāo)的鋼水。為了達(dá)到鋼水在鑄輥間均勻分布的效果，沙鋼超薄帶采用了大包-中間包-過渡包的三包澆鑄體系。因此，相較傳統(tǒng)連鑄工藝，超薄帶的澆鑄過程對鋼水的過熱度要求更高，這決定了出鋼溫度比常規(guī)工藝下的高。

超薄帶主線的工藝布局及設(shè)備配置如圖2所示。開澆后，鋼水從大包經(jīng)長水口、中間包、過渡包逐步布流至由側(cè)封板及一對銅輥形成的熔池中，銅輥中通入高速冷卻水，鋼水在銅輥表面逐漸凝固，在經(jīng)過輥縫時鑄輥將兩側(cè)坯殼擠壓成一定厚度的鑄帶，鑄帶的拉速一般為50～120 m·min-1。鑄帶經(jīng)下方的扇形導(dǎo)板傳送至夾送輥，由夾送輥送入四輥單機(jī)架軋機(jī)中，軋制成目標(biāo)厚度后經(jīng)層流冷卻系統(tǒng)冷卻至目標(biāo)溫度，然后進(jìn)入卷取機(jī)成卷。因?yàn)殍T帶本身較薄，所以軋機(jī)軋制中采用較小的壓下率，軋制帶材的厚度范圍為0.7～1.9 mm，并且可以通過加工不同的鑄輥及軋輥輥型來控制帶鋼的板型[2]。目前，沙鋼已經(jīng)穩(wěn)定使用的鑄輥寬度有1 345及1 680 mm兩種，產(chǎn)品最大寬度可達(dá)1 580 mm，其他規(guī)格寬度的鑄輥也在開發(fā)之中。主線之后配備了一條切邊拉矯線，將產(chǎn)品切至目標(biāo)寬度并進(jìn)一步調(diào)整板型。沙鋼超薄帶生產(chǎn)線經(jīng)過兩年的工業(yè)化運(yùn)營，已形成結(jié)構(gòu)鋼、耐候鋼、高強(qiáng)鋼及汽車用鋼等幾大類共20多個品種，產(chǎn)品厚度規(guī)格涵蓋0.8～1.9 mm，產(chǎn)品質(zhì)量得到市場的廣泛認(rèn)可。

圖2 超薄帶主線工藝布局及設(shè)備配置示意圖

2 超薄帶耐候鋼發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 超薄帶耐候鋼的工藝特點(diǎn)

沙鋼自2019年開始采用超薄帶產(chǎn)線批量生產(chǎn)耐候鋼，目前最主要的產(chǎn)品為SPA-H鋼，其典型化學(xué)成分如表1所示。作為一種已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品，沙鋼超薄帶SPA-H鋼在合金化上采用較通行的做法，即添加銅、磷、鉻等元素，通過在鋼材表面形成一層較為致密的氧化膜來降低腐蝕速率。其中：銅元素可以通過陽極鈍化降低表面腐蝕速率，且銅可以與鋼中的硫形成難溶的硫化物，以降低鋼中硫的負(fù)面作用；磷作為耐腐蝕合金體系中最有效的元素之一，可以與銅共同作用，加快Fe2+向Fe3+的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)鋼材表面形成均勻致密的氧化保護(hù)膜；鉻元素的加入可以抑制在干濕交替環(huán)境下Fe3+轉(zhuǎn)變?yōu)镕e2+的還原反應(yīng)，提高均勻銹層的穩(wěn)定性[3]。

表1 沙鋼超薄帶SPA-H耐候鋼與傳統(tǒng)熱軋SPA-H耐候鋼的典型化學(xué)成分

由于工藝的特殊性，超薄帶產(chǎn)線更偏向于生產(chǎn)低碳/超低碳鋼材。超薄帶SPA-H鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般控制在0.020%～0.025%，與傳統(tǒng)熱軋產(chǎn)品相比，其含量顯著降低。采用傳統(tǒng)熱軋工藝制備鋼材時，偏低的碳含量會導(dǎo)致材料強(qiáng)度顯著降低；而超薄帶雙輥鑄軋工藝由于快速凝固的特點(diǎn)，鑄帶的鑄態(tài)組織及最終產(chǎn)品的顯微組織與傳統(tǒng)產(chǎn)品有明顯差異。在傳統(tǒng)熱軋過程中，SPA-H鋼熱軋板坯經(jīng)歷再加熱、多道次粗軋和精軋以及較長時間的層流冷卻等工序后，其顯微組織比較均勻，晶粒細(xì)小且多呈等軸狀，如圖3(a)所示。沙鋼超薄帶SPA-H鋼的顯微組織如圖3(b)所示，與傳統(tǒng)熱軋工藝相比，超薄帶雙輥鑄軋工藝下鋼水的凝固過程非常迅速，其組織基本由鐵素體構(gòu)成，鐵素體晶粒形態(tài)多樣，除少數(shù)呈等軸狀外，大多呈不規(guī)則多邊形。相比傳統(tǒng)熱軋SPA-H鋼，超薄帶SPA-H鋼的晶粒尺寸偏大，并有部分針狀鐵素體[4]，針狀鐵素體的強(qiáng)度較高，因此超薄帶SPA-H鋼在很低的碳含量且晶粒尺寸較大的情況下也能達(dá)到與傳統(tǒng)熱軋產(chǎn)品接近的強(qiáng)度，再通過錳元素的強(qiáng)化作用，其性能完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如表2所示。隨著碳含量的降低，焊接性能也隨之提高，這為材料的后續(xù)加工帶來了便利。

圖3 不同工藝生產(chǎn)的SPA-H耐候鋼的顯微組織

表2 超薄帶SPA-H鋼的力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)值及測試值

采用傳統(tǒng)熱軋工藝，耐腐蝕元素尤其是磷元素，在凝固過程中易形成偏析且易富集在帶鋼的中心部位，導(dǎo)致其耐蝕性能不均勻；相比于傳統(tǒng)熱軋工藝，超薄帶雙輥鑄軋工藝的凝固速率更大，可以顯著改善包括磷元素在內(nèi)的元素偏析現(xiàn)象，不同工藝生產(chǎn)的SPA-H耐候鋼中磷元素的分布結(jié)果如圖4所示?？梢娏自诔PA-H鋼中分布均勻，從而提高了鋼的整體耐蝕性能。

圖4 不同工藝生產(chǎn)的SPA-H耐候鋼中磷元素的分布

超薄帶SPA-H鋼與傳統(tǒng)熱軋SPA-H鋼的夾雜物評級結(jié)果如表3所示。傳統(tǒng)熱軋鋼中的非金屬夾雜物(硫化物、氧化物、硅酸鹽等)常常作為腐蝕電池的陰極成為最早的點(diǎn)蝕誘發(fā)源，從而加速鋼鐵材料的腐蝕和失效。鋼中長條狀、鏈狀硫化物及氧化物等夾雜物具有較大的長寬比，電極電位明顯高于鋼基體，從而誘發(fā)點(diǎn)蝕，同時夾雜物中曲率半徑小的夾雜物優(yōu)先溶解，造成基體局部酸化，進(jìn)一步加速基體的腐蝕。超薄帶雙輥鑄軋工藝的可控快速冷卻過程有利于形成細(xì)小且形狀均勻的類球形夾雜物。由于超薄帶澆鑄采用硅脫氧鋼，避免了鋁脫氧鋼中常見的Ⅱ型MnS不規(guī)則夾雜物，因此夾雜物與基體電位差較低。同時，夾雜物未經(jīng)歷大壓下率的傳統(tǒng)連鑄連軋過程，其分布具有各向同性的特點(diǎn)，從而提高了超薄帶產(chǎn)品的成形性能[5]。

表3 超薄帶SPA-H鋼與傳統(tǒng)熱軋SPA-H鋼的夾雜物評級

相比于傳統(tǒng)熱軋工藝，超薄帶雙輥鑄軋工藝對產(chǎn)品厚度，尤其是薄規(guī)格范圍內(nèi)的控制更加靈活。以廣泛適用于貨柜集裝箱的厚1.6 mm規(guī)格SPA-H鋼卷板產(chǎn)品為例，為了提高成材率，實(shí)際厚度往往按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定遵循負(fù)公差交貨，即中心厚度一般控制在1.48 mm。在傳統(tǒng)熱軋生產(chǎn)條件下，1.5 mm以下厚度產(chǎn)品的生產(chǎn)難度較大，生產(chǎn)效率不高，無法達(dá)到最大產(chǎn)能，導(dǎo)致相應(yīng)規(guī)格的排產(chǎn)困難以及產(chǎn)品成本上升，從而嚴(yán)重?fù)p害了產(chǎn)品的市場競爭力。沙鋼超薄帶產(chǎn)線專為薄規(guī)格產(chǎn)品設(shè)計，能在精準(zhǔn)控制厚度的同時不增加額外生產(chǎn)成本，目前甚至可以穩(wěn)定生產(chǎn)0.9 mm厚度產(chǎn)品。在穩(wěn)定生產(chǎn)薄規(guī)格產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，沙鋼超薄帶產(chǎn)線同時可以精確控制板型，超薄帶實(shí)物的楔形小于15 μm，厚度波動在±20 μm以內(nèi)。圖5是超薄帶產(chǎn)品的厚度波動范圍，在整卷1 200 m的長度范圍內(nèi)厚度波動不超±10 μm，且不存在頭尾厚度差問題，使用時不用切頭切尾，提高了成材率。另外，由于超薄帶生產(chǎn)流程短，鑄輥至軋機(jī)之間利用熱箱內(nèi)的惰性氣體保護(hù)，防止了高溫鋼帶的氧化，鋼帶出軋機(jī)之前幾乎沒有氧化，表面粗糙度Ra基本控制在2 μm以下，平均值為0.95 μm，表面質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)熱軋產(chǎn)品，接近冷軋產(chǎn)品。

圖5 超薄帶SPA-H鋼的中心厚度波動范圍

2.2 超薄帶SPA-H鋼的耐蝕性能

SPA-H鋼廣泛用于制造海運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱。在遠(yuǎn)洋運(yùn)輸中，SPA-H鋼主要遭受干濕循環(huán)條件下的大氣腐蝕。為了模擬這一過程，一般采用周浸試驗(yàn)來評估超薄帶SPA-H鋼的耐蝕性能。在0.01 mol/L的NaHSO3溶液中進(jìn)行周浸試驗(yàn)，45 ℃光照，濕度70%，一個循環(huán)1 h(浸潤12 min，暴露48 min)，試驗(yàn)時間為24、48、72、120 h。將超薄帶SPA-H鋼與傳統(tǒng)熱軋SPA-H鋼以及超薄帶Q235結(jié)構(gòu)鋼的耐蝕性能進(jìn)行對比。不同時間周浸試驗(yàn)后3種試驗(yàn)鋼的表面腐蝕形貌如圖6所示。在腐蝕初期，3種試驗(yàn)鋼的腐蝕形貌接近，表面均形成了相似的氧化層。隨著周浸時間增加到72 h，Q235鋼表面銹層疏松多孔，SPA-H鋼表面銹層致密。在周浸時間達(dá)到120 h后，SPA-H鋼與碳鋼的表面銹層的這一區(qū)別更加顯著。試驗(yàn)鋼在不同腐蝕時間下的腐蝕速率如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，3種試驗(yàn)鋼的初期腐蝕速率均較高，后期形成的銹層降低了鐵陽極的溶解速率，從而提高了碳鋼和耐候鋼的耐蝕性能[6]。耐候鋼的初期腐蝕速率比碳鋼大，且自身銹層還原能力比碳鋼強(qiáng)，從而有利于銹層的形成，在相同干濕循環(huán)條件下，腐蝕初期耐候鋼的銹層比碳鋼厚，而腐蝕后期比碳鋼更致密，從而使得耐候鋼基體得到長期保護(hù)。

圖6 不同時間周浸試驗(yàn)后超薄帶Q235鋼、超薄帶SPA-H鋼以及傳統(tǒng)熱軋SPA-H鋼的表面腐蝕形貌

圖7 周浸試驗(yàn)后超薄帶SPA-H鋼、傳統(tǒng)熱軋SPA-H鋼以及超薄帶Q235鋼的腐蝕速率隨腐蝕時間的變化

3 耐候鋼的發(fā)展趨勢及沙鋼超薄帶的作用

與國外相比，我國耐候鋼研制起步較晚。自19世紀(jì)60年代中期首次試制出09MnCuPTi耐候鋼并將其初步應(yīng)用于鐵路貨車制造以來，我國從主要仿制美國Corten系列耐候鋼開始，逐漸發(fā)展到充分利用自身礦產(chǎn)特點(diǎn)，開發(fā)出一系列適合自身工業(yè)體系的耐候鋼，包括鞍鋼集團(tuán)的08-Cu-P-V-RE系列、武鋼集團(tuán)的09Cu-P-Ti系列等[7]。目前這些耐候鋼已經(jīng)廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑、鐵路等傳統(tǒng)領(lǐng)域。

近年來我國持續(xù)推進(jìn)的產(chǎn)業(yè)升級給耐候鋼帶來了更大的應(yīng)用空間。隨著近年光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對太陽能板支架鋼材的需求也持續(xù)增長。太陽能板支架一般采用碳鋼制造，為了提高其在露天條件下的耐蝕性能，目前普遍采用表面鍍鋅，但鍍鋅材料的應(yīng)用局限性較大。鍍鋅材料耐蝕性能不均勻，表面鋅層在雨水和泥土的作用下逐漸剝落，暴露的基材耐腐蝕性能不足，易造成整體材料的腐蝕失效[8]；剝落鋅層通過浸出效應(yīng)擴(kuò)散至土地以及地下水源而對環(huán)境造成極大的污染。此外，在較高大氣污染或者海洋性大氣環(huán)境等極端環(huán)境下，耐候鋼的耐蝕性能相比普通碳鋼的優(yōu)勢更明顯[9]。因此，采用耐候鋼代替鍍鋅普碳鋼制造戶外太陽能板支架，符合產(chǎn)業(yè)升級和環(huán)境保護(hù)要求的趨勢。因?yàn)榍捌诠こ掏度胼^大且缺乏配套加工設(shè)備，所以國內(nèi)建筑耐候鋼僅限于應(yīng)用在極端環(huán)境下的特殊建筑。但是近年來隨著產(chǎn)業(yè)的升級以及建筑風(fēng)格的多樣化，采用耐候鋼表面形成的紅棕色氧化膜來達(dá)成特殊風(fēng)格的建筑逐漸增多。此外，在取代建筑用冷軋彩鋼瓦對鋼結(jié)構(gòu)廠房進(jìn)行外立面覆蓋領(lǐng)域方面，耐候鋼也是一種合理的選擇。

耐候鋼無論是用于制造太陽能支架，還是作為建筑材料，其核心問題是輕量化的需求。為了滿足該需求，需采用更薄、更高強(qiáng)度的耐候鋼。目前，我國市場上存在各種牌號的高強(qiáng)耐候鋼，如首鋼集團(tuán)通過合理控制軋制和冷卻工藝，并發(fā)揮鈦的析出強(qiáng)化作用而生產(chǎn)的具有優(yōu)異的薄寬規(guī)格(4 mm×1 800 mm)，且屈服強(qiáng)度達(dá)到750 MPa級別的耐候鋼[10]。但目前市場上采用傳統(tǒng)熱軋工藝生產(chǎn)的能夠真正滿足“以熱帶冷”要求的高強(qiáng)超薄耐候鋼產(chǎn)品還處于空白狀態(tài)。采用熱軋工藝很難直接生產(chǎn)出厚度2 mm 以下的高強(qiáng)耐候鋼，而目前采用沙鋼超薄帶雙輥鑄軋工藝已能穩(wěn)定生產(chǎn)從Q345到Q690級別的低合金高強(qiáng)鋼，厚度區(qū)間在0.9～1.6 mm。鑒于目前市場對該類產(chǎn)品的需求，沙鋼正在積極進(jìn)行550 MPa以上級別高強(qiáng)超薄帶耐候鋼的產(chǎn)品開發(fā)。

4 結(jié)束語

與國外相比，我國耐候鋼的開發(fā)起步較晚。但是隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)升級的持續(xù)推進(jìn)，國內(nèi)市場對耐候鋼的需求與日俱增。除了應(yīng)用于橋梁、鐵路等領(lǐng)域的傳統(tǒng)熱軋耐候鋼外，近年來輕量化、高強(qiáng)化的需求為我國耐候鋼行業(yè)的發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)。沙鋼超薄帶雙輥鑄軋生產(chǎn)線在一定程度上代表了未來行業(yè)的發(fā)展趨勢，在生產(chǎn)超薄、超寬、高強(qiáng)的產(chǎn)品方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。目前沙鋼生產(chǎn)的以SPA-H鋼為代表的耐候鋼相比傳統(tǒng)熱軋產(chǎn)品具有表面質(zhì)量好、性質(zhì)均一、成材率高的特點(diǎn)。為了適應(yīng)行業(yè)內(nèi)對節(jié)能減排、綠色生態(tài)以及集約高效的需求，并開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域，沙鋼正在全力推進(jìn)具備高強(qiáng)度、薄規(guī)格、高耐候等要求的新一代超薄帶耐候鋼產(chǎn)品，以滿足輕量化與“以熱帶冷”的市場需求。