一、研究的背景与问题

搪瓷制品是通过高温烧结使无机非金属瓷釉牢固地密着于金属基体表面而形成的复合材料，兼具搪瓷的稳定性和金属易成形、易焊接和高强度等特点，还具有高耐蚀、耐磨、耐用、美观、防火、安全无毒和易清洗等优点，因此具有良好的应用前景。

1997年前，我国搪瓷制品主要以洁具、厨具等日用品为主。当时，国内缺乏搪瓷专用的冷轧和热轧（或酸洗）钢板，导致很多搪瓷用户在制作一般冲压用途的搪瓷制品时经常使用普冷板如SPCC等。但在使用过程中频繁出现鳞爆等缺陷，造成不可挽回的损失。专门的搪瓷用钢主要依赖进口，以新日铁、蒂森的超低碳钢板SPP、DC06EK等为典型，这些产品虽然成形性能和涂搪性能优良，但不仅品种单一、价格昂贵、高温烧成后强度较低，而且主要适用于以底釉加面釉的两次涂搪工艺，无法完全满足之后行业的进一步发展需求。

一方面，随着科学技术的发展、工艺装备的进步以及环保要求的不断提高，以减少资源和能源消耗、降低环境污染和排放、压缩工艺和原料成本为目的，搪瓷工艺及釉料更加简单、绿色、低成本：高污染的酸洗、披镍等前处理工序不断被取消，必需的脱脂、清洗等前处理工艺也有被取消的趋势；搪瓷烧成等高能耗工序不断被减少，烧成道次不断减少，一次涂搪逐步取代传统的两次涂搪；通过静电干粉等先进工艺实现减涂，显著减少瓷层厚度；通过减少釉料中贵金属氧化物含量，显著降低釉料成本。但是，搪前脱脂和酸洗能保证钢板在涂搪前具有清洁和易密着的表面；披镍在促进密着的同时能有效预防氢原子析出，显著降低鳞爆风险；通常瓷层越厚，出现针孔缺陷的概率越低，鳞爆风险也越低；釉料中贵金属氧化物通常都是重要的搪瓷密着剂，是提高釉料密着性的重要保证。搪瓷制品的最终质量取决于釉料、工艺及钢板特性。工艺和原料的简单、绿色、低成本都增加了搪瓷制品的质量风险，同时也极大地提高了对钢板适应性的要求。以某公司为例，该公司一方面采用了不脱脂不酸洗不披镍(即无任何前处理)、连续高速冲压一次成形后直接静电干粉涂面釉一次烧成的极简搪瓷工艺，将工序由传统的10个简化到4个；将瓷层厚度由150μm以上减薄至60μm以内；釉料中密着氧化物含量极低，将釉料和工艺的简单绿色低成本做到了极致。另一方面却要求必须双面搪无鳞爆，密着必须达最优，不脱脂却要求每平米针孔数必须少于100个。不仅如此，还要求钢板必须适应高速无油一次冲压成形无损伤、屈服强度必须大于180MPa，对钢板各方面特性要求也都高到了极致，代表了该行业最高难度技术要求。

另一方面，随着人们生活水平的日益提高和科技不断进步，搪瓷的应用领域不断被拓展，用户对制品搪瓷质量及钢板搪瓷特性的要求也越来越高。具体体现在，对搪瓷用钢高抗鳞爆、易密着、低针孔缺陷等搪瓷特性，以及超深冲、高强度、大幅面、低烧成变形等力学成型特性的要求都在不断提高。然而，这些产品特性之间往往存在着复杂的矛盾。譬如，提高抗鳞爆性需要引入夹杂物为主的氢陷阱，对深冲不利；提高强度要增碳，增加针孔风险；制品幅面增加易产生搪烧变形。要想实现这些综合性能的良好匹配，需要对关键成分阈值、微观组织等有更严格的控制。因此，搪瓷行业涂搪工艺和釉料的简单、绿色、低成本发展需求与最终制品高品质要求之间的矛盾，只能也必须凭借各方面性能优异的搪瓷用钢来化解。而国内外品种和性能单一的搪瓷用钢产品现状严重制约了我国搪瓷行业的发展，也成为各行业发展的关键瓶颈。

针对上述现象，1997年宝钢开始立项，与浙江开尔新材有限公司、上海应用技术大学、豪顿华工程有限公司和冠立金属制品有限公司等共同合作，其目的是开展搪瓷用钢关键技术的持续研究，开发品种多样、性能优异的搪瓷用钢，减少搪瓷行业对资源、能源的消耗，降低碳排放和环境污染，推动行业技术进步和高品质发展。

二、解决问题的技术思路与方案

搪瓷制品的质量取决于钢板、瓷釉和涂搪工艺三个方面,但是钢板是至关重要的。搪瓷用钢的性能要求主要包括(如图1)：1）良好的成型性能和抗减薄能力；2）优良的涂搪性能。它主要包括抗鳞爆性能、钢板与瓷釉之间的密着性能和抗针孔、气泡缺陷等；3）优良的焊接性能。搪瓷用钢的焊接性能不仅要求焊缝及热影响区具有较高的强度和良好的塑性，而且由于焊接后要经过涂搪和高温烧成因此还要求焊缝及热影响区具有优良的涂搪性能；4）对于建筑装饰等大幅面板来说，由于钢板在成型加工之后要经过至少两次高温烧成，需防止烧成变形；5）对于电热水器内胆用钢等承压容器来说，钢板经过高温烧成后仍要保持较高的屈服强度，以满足搪瓷内胆的打压和疲劳性能要求。

图1搪瓷用钢要解决的问题示意图

本项目搪瓷用钢研发可按不同产品系列的量产时间，划分为四个阶段：

第一阶段：1998至1999年，率先研发成功超低碳高氮高钛超深冲冷轧搪瓷用钢BTC1并实现量产。

第二阶段：2000至2006年，完成薄规格高强系列热轧酸洗搪瓷用钢系列多个产品的开发并实现量产。

第三阶段：2004至2010年，独创具有高温烘烤硬化性系列搪瓷用钢产品并量产，在全球首次实现钢板经高温搪烧后强度提高。

第四阶段：2009年之后，宝钢在极低碳高氧直接一次搪瓷用冷轧钢板领域获得重要突破并实现多个产品的量产。

三、主要创新性成果

搪瓷用钢团队历经二十余年从理论到方法、从产品到技术、从生产到应用的全面创新，开发成功多个系列性能独特的搪瓷用钢产品，实现了国内外高端应用领域全覆盖。项目的主要创新点如下：

1、极低碳高氧搪瓷用钢及其连铸技术创新。量化氢穿透时间和夹杂物关系，制定11ppm以内极低碳、250ppm以上高氧，适量锰、硼、硫及微合金元素的成分设计。开发专用辅料、耐材，优化连铸工艺，实现产品的稳定生产。

2、超低碳高氮高钛超深冲搪瓷用钢及RH大环流清洁高效精准控氮技术创新。开创兼顾涂搪质量和超深冲、高温烧成低变形的超低碳高氮高钛成分方案。首创RH大环流增氮技术，开创不带入其它有害元素、持续稳定精确控制窄窗口氮含量的规模化生产方式并实现批量生产。

3、高温烘烤硬化系列搪瓷用钢的成分控制及铸坯角裂边裂控制技术创新。首创严控硼和氮的冷轧钢板，高温烘烤后强度明显提高，获国际专利授权。首创严控钛、氮和硫等元素配比的热轧钢板，实现高温烧成后屈服强度增量至少100MPa的强化效果。通过成分设计、连铸和热轧工艺优化，显著改善高硼钢铸坯角裂和边裂问题。

4、高强热轧酸洗搪瓷用钢的成分设计与薄规格稳定热轧技术的联控创新。确定控碳锰、适量钛铌、适度增氮硫的成分设计，借助固溶、弥散和细晶等强化机制提高钢的强度，实现330、360MPa系列热轧酸洗高强搪瓷用钢的开发。通过创新工艺提高热轧稳定性及带钢表面质量，实现大规模稳定生产。

5、高表面特性高清洁控制及微量成品碳控制技术创新。通过一贯制高表面特性持续控制技术创新，取得需专门脱碳退火或闪镀镍工艺才有的搪瓷密着高、针孔少所需钢板表面，使带钢免预处理直接一次涂搪。通过脱碳退火工艺优化，实现钢中5ppm以下极微量成品碳稳定控制。

6、成品及钢板搪瓷特性理论建立、评价装置创新。首次提出预测搪瓷鳞爆风险的理论，确定评价风险相对值的临界值、理论公式及实验方法，填补制品鳞爆风险的理论空白。提出无毒欧标氢穿透实验方法，创新钢板搪瓷密着适应性快速评价方法、耐针孔特性定量评价方法，填补钢板特性评价方法空白。

该技术形成发明专利33项（其中国际专利4项），获授权19项（国际专利2项），发表科技论文25篇，认定技术秘密31项，认定上海市高新技术成果转化5项。经中国金属学会组织的科技成果评价专家委员会鉴定，该技术成果总体上达到了国际领先水平，并获得2021年冶金科技进步一等奖。

四、应用情况与效果

项目研发的搪瓷用钢产品不仅走进中国千家万户，更是远销欧、美、非洲和东南亚等六大洲十余个国家，主要应用于建筑装饰、脱硫脱硝设备、轻工家电等领域，以下是具体内容。

脱硫脱硝搪瓷换热元件是搪瓷用钢一个重要的应用领域。如前所述，该行业的代表性企业采用了最简单、绿色、低成本的釉料和工艺，同时对搪瓷制品质量有着极高要求，代表着行业最高产品难度技术要求。本项目中BTC4D-HD凭借着显著优于SPP的涂搪特性和综合力学特性，完全满足了用户的工艺技术及产品质量要求，成功通过产品认证并已连续三年稳定供货1万余吨无任何质量问题。该项突破意味着BTC4D-HD完全胜任当前搪瓷行业最简工艺、最薄瓷层情况下对搪瓷表面质量及钢板综合力学特性的最高要求，完全满足搪瓷行业简单、绿色、低成本和高品质发展需求。目前以BTC4D-HD为代表的极低碳高氧搪瓷用钢广泛应用于国内脱硫脱硝换热器用搪瓷换热片的生产（如图2(a)所示），显著提高了换热效率和产品寿命，获得了众多脱硫脱硝设备生产企业的好评，为中国的天更蓝、水更清、山更绿做出了巨大贡献。

          (a)搪瓷换热片；(b)大兴国际机场候机大厅；(c)港珠澳大桥隧道

图2 搪瓷用钢的应用示例

建筑装饰是搪瓷用钢另一个重要应用领域。艳丽的色彩、光滑的表面、优异的耐蚀性、超强的抗老化性能以及高强耐磨易清洗等特性，使得搪瓷装饰板成为高端建筑装饰领域的宠儿。作为建筑装饰领域的贵族，要想得到用户青睐，除了需要具备极为优良的表面特性外，产品还必须具备极为优异的抗高温搪烧变形能力，需要保证板面在经受850℃左右的高温烧成并冷却至室温后仍能保证板面平整。板面尺寸越大装饰效果越佳，但控制高温变形的难度也越大。凭借着极为优异的抗高温烧成变形能力和同样优异的常规力学及涂搪特性，项目研发的BTC1和DC06EK带动了国内搪瓷装饰面板的发展，在该领域占据着绝对主导地位。从早期的香港、南京地铁站到如今的杭州亚运场馆，在国内搪瓷钢板装饰面板领域，BTC1和DC06EK的占有率达90%以上。产品成功应用于大兴国际机场、港珠澳大桥岛隧等重大工程（见图2(b)和 (c)）。其中，仅港珠澳大桥采用装饰搪瓷钢板就超过7万平米，全部采用本项目产品。近期，采用本项目研发的搪瓷用钢制作的巨幅搪瓷装饰板即将亮相国家会议中心二期工程，该装饰板采用7m×1.7m整张钢板制作，创造当前单幅搪瓷装饰板尺寸之最，也代表了搪瓷用钢在装饰板表面质量和搪后变形控制方面的最高水平。

家电是搪瓷用钢另一个重要应用领域，主要用于生产烤炉、烤箱、BBQ炉、微波炉及热水器内胆等。该行业用户多，采用的瓷釉，成形、前处理、喷涂和烧成工艺各异，对钢板的涂搪特性、强度和成形性均有不同求。本项目开发产品实现了全覆盖，不仅批量稳定供应众多国内家电巨头，更远销六大洲，是众多国际知名家电品牌的优质搪瓷用钢供应商。

信息来源：宝山钢铁股份有限公司