一、研究的背景與問(wèn)題
在綠色制造、低碳環(huán)保的大背景下，國(guó)內(nèi)工程機(jī)械、商用車等行業(yè)越來(lái)越重視以高強(qiáng)減重、綠色長(zhǎng)壽為方向的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級(jí)，對(duì)鋼鐵材料提出了更高強(qiáng)、更耐磨、更耐蝕等高要求。工程機(jī)械用戶開(kāi)始采用屈服960MPa以上的超高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼制造起重機(jī)吊臂和泵車布料桿。部分自卸車用戶有意向國(guó)外用戶學(xué)習(xí)，采用HB400-500級(jí)別薄規(guī)格耐磨板替代普遍使用的345MPa級(jí)別產(chǎn)品。
2012年立項(xiàng)之初，國(guó)內(nèi)薄規(guī)格超高強(qiáng)鋼產(chǎn)品基本空白。下游用戶主要依賴進(jìn)口。進(jìn)口產(chǎn)品不僅價(jià)格高昂，而且交貨期很長(zhǎng)。例如，歐洲某公司生產(chǎn)的960MPa級(jí)薄規(guī)格超高強(qiáng)鋼國(guó)內(nèi)噸鋼售價(jià)近2萬(wàn)元，供貨周期長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月，極大地制約了我國(guó)民族產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
圖1 薄規(guī)格超高強(qiáng)鋼應(yīng)用領(lǐng)域
薄規(guī)格超高強(qiáng)鋼的板形問(wèn)題是世界公認(rèn)的技術(shù)難題。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)無(wú)法批量生產(chǎn)熱軋薄規(guī)格超高強(qiáng)鋼板，特別是2-8mm的超高強(qiáng)鋼。此外，薄規(guī)格超高強(qiáng)鋼生產(chǎn)關(guān)鍵裝備及工藝技術(shù)也為國(guó)外企業(yè)壟斷，國(guó)內(nèi)企業(yè)缺乏成熟的生產(chǎn)設(shè)備和工藝技術(shù)，必須進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)解決這一世界性難題。同時(shí)，國(guó)內(nèi)下游用戶也缺乏使用超高強(qiáng)鋼的經(jīng)驗(yàn)，急需結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)，建立熱軋超高強(qiáng)鋼用戶服務(wù)技術(shù)體系，提供解決方案，引導(dǎo)用戶產(chǎn)品升級(jí)換代。
（a）寶鋼原超高強(qiáng)鋼板形（b）國(guó)外超高強(qiáng)鋼板形
圖2 國(guó)內(nèi)外薄規(guī)格超高強(qiáng)鋼板形
二、技術(shù)解決方案
本項(xiàng)目深入分析了不同行業(yè)對(duì)薄規(guī)格超高強(qiáng)鋼的多樣化需求，結(jié)合對(duì)國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的調(diào)研分析，確定了薄規(guī)格超高強(qiáng)鋼產(chǎn)品大綱，并明確了各類產(chǎn)品的品種、規(guī)格、性能和質(zhì)量要求。在此基礎(chǔ)上，提出了對(duì)薄規(guī)格熱處理產(chǎn)線、關(guān)鍵裝備和制造工藝的需求。然后，集合寶鋼裝備技術(shù)、模型開(kāi)發(fā)、工藝技術(shù)、產(chǎn)品技術(shù)以及用戶服務(wù)技術(shù)等多方面技術(shù)力量，自主集成了一條薄規(guī)格超高強(qiáng)鋼的專業(yè)熱處理生產(chǎn)線，過(guò)程中自主開(kāi)發(fā)和優(yōu)化了一系列關(guān)鍵裝備，形成了一批核心工藝技術(shù)。通過(guò)解決超高強(qiáng)韌性匹配、高耐磨蝕性能、高防護(hù)性能、高疲勞性能、抗焊接熱影響區(qū)軟化等技術(shù)難題，同步開(kāi)發(fā)800-2000MPa超高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼、耐磨鋼和防護(hù)用鋼等產(chǎn)品系列。開(kāi)發(fā)選材、EVI設(shè)計(jì)、焊接、加工、材料數(shù)據(jù)庫(kù)和服役壽命評(píng)估等6類關(guān)鍵用戶服務(wù)技術(shù)，為多個(gè)行業(yè)的產(chǎn)品升級(jí)換代提供完整解決方案。
· 主要技術(shù)內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)
1、自主集成一套薄規(guī)格超高強(qiáng)鋼熱處理線
本項(xiàng)目自主集成了一條適合薄規(guī)格熱軋超高強(qiáng)鋼生產(chǎn)的專業(yè)熱處理線。針對(duì)加熱爐、淬火機(jī)、矯直機(jī)等關(guān)鍵裝備進(jìn)行了工藝設(shè)計(jì)、裝備選型、工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)以及模型開(kāi)發(fā)，形成多路徑柔性淬火系統(tǒng)、矯直機(jī)模型及反饋控制系統(tǒng)等具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的裝備和工藝技術(shù)，為薄規(guī)格熱軋超高強(qiáng)鋼高質(zhì)高效、穩(wěn)定批量生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。
圖3 寶鋼薄規(guī)格超高強(qiáng)鋼熱處理線
（1）薄規(guī)格鋼板多路徑柔性淬火技術(shù)。傳統(tǒng)淬火機(jī)是高低壓一體化設(shè)計(jì)，寬向流量也不可調(diào)，淬火模式比較單一，本項(xiàng)目創(chuàng)新設(shè)計(jì)了淬火機(jī)分體式框架以及寬向可調(diào)的冷卻集管結(jié)構(gòu)，對(duì)淬火機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了淬火鋼板橫向溫度均勻性和冷卻速度精確可控。
（2）矯直機(jī)模型及反饋控制技術(shù)。傳統(tǒng)鋼板的矯直一般依靠人的經(jīng)驗(yàn)，高強(qiáng)鋼板形質(zhì)量極不穩(wěn)定。本項(xiàng)目集成了一套板形在線監(jiān)測(cè)裝置并實(shí)現(xiàn)反饋控制，開(kāi)發(fā)了矯直參數(shù)自動(dòng)設(shè)定模型，大大提高了矯直效率和板形質(zhì)量。
該產(chǎn)線設(shè)計(jì)厚度3-12mm，最大寬度1900mm。2013年底熱負(fù)荷試車，半年后月達(dá)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定高效生產(chǎn)。根據(jù)2019年合同數(shù)據(jù)，年產(chǎn)量近10萬(wàn)噸，其中6mm以下規(guī)格占比一半以上，最小厚度突破至2.3mm。
2、開(kāi)發(fā)薄規(guī)格超高強(qiáng)鋼全流程板形控制技術(shù)
對(duì)于超高強(qiáng)鋼來(lái)說(shuō)，板形是最難達(dá)到的指標(biāo)，越薄越寬越難控制，號(hào)稱是世界性難題。超高強(qiáng)鋼板形問(wèn)題貫穿生產(chǎn)始終?；迳a(chǎn)由于軋制負(fù)荷大，易出現(xiàn)單邊浪、鐮刀彎缺陷。熱處理淬火過(guò)程中，熱應(yīng)力和相變應(yīng)力交織作用，薄板易扭曲變形。此外，殘余內(nèi)應(yīng)力消除難，用戶加工后易發(fā)生翹曲、旁彎，影響加工尺寸精度。
圖4 全流程板形控制
針對(duì)以上問(wèn)題，本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了軋制板形控制技術(shù)、層冷冷卻板形控制技術(shù)、淬火板形控制技術(shù)以及回火板形控制技術(shù)等，形成薄規(guī)格超高強(qiáng)鋼全流程板形控制技術(shù)，成功解決了極薄規(guī)格產(chǎn)品板形控制難題，實(shí)現(xiàn)了2-12mm超高強(qiáng)鋼產(chǎn)品的批量穩(wěn)定生產(chǎn)，板形不平度達(dá)到3mm/m以內(nèi)，極限不平度≤1mm/m。
（a）淬火后 /（b）成品板
（c）切割下料 /（d）折彎成型
圖5 薄規(guī)格超高強(qiáng)鋼板形實(shí)物質(zhì)量
3、開(kāi)發(fā)五個(gè)系列超高強(qiáng)鋼產(chǎn)品，強(qiáng)度覆蓋800-2000MPa
在工藝裝備取得突破的同時(shí)，本項(xiàng)目聚焦用戶端的差異化需求，開(kāi)發(fā)了以BS超高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼、BW耐磨鋼、BP防彈鋼、BMS耐磨蝕鋼、BQT橋殼鋼共5個(gè)系列17個(gè)牌號(hào)的薄規(guī)格超高強(qiáng)產(chǎn)品，強(qiáng)度覆蓋800-2000MPa?；谠?cái)U(kuò)散、相變?cè)怼⑽龀鑫镄魏碎L(zhǎng)大機(jī)理和大量熱處理線產(chǎn)品的生產(chǎn)實(shí)踐，國(guó)內(nèi)首次開(kāi)發(fā)了一套熱處理產(chǎn)品性能預(yù)報(bào)模型，大大減少了實(shí)驗(yàn)量，并降低了研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，初步實(shí)現(xiàn)了熱處理產(chǎn)品開(kāi)發(fā)智能化。
圖6 熱處理超高強(qiáng)鋼模型計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比
BS800-1300系列超高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼通過(guò)優(yōu)化的成分工藝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的高強(qiáng)高韌高疲勞，韌脆轉(zhuǎn)折溫度達(dá)到-60℃，并解決了高強(qiáng)鋼常見(jiàn)的焊接軟化問(wèn)題。BW300-600系列耐磨鋼深入研究了高硬度和高韌性間的匹配，確保該系列產(chǎn)品具有優(yōu)異的綜合性能，極限規(guī)格拓展至3*1800mm。BP300-600系列防護(hù)鋼大量應(yīng)用于特種車輛，鋼板的抗拉強(qiáng)度級(jí)別達(dá)到2000MPa，并具有良好的塑性和低溫韌性。
表1 BS系列超高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)及典型力學(xué)性能
表2 2000MPa級(jí)防彈鋼典型性能
傳統(tǒng)商用車重卡橋殼用鋼厚度一般≥14mm，常規(guī)高強(qiáng)鋼熱成形空冷后鋼板的強(qiáng)度下降顯著，屈服強(qiáng)度只有300-400MPa。同時(shí)橋殼對(duì)材料的焊接、疲勞等綜合性能要求極高。本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了一種熱成形后屈服強(qiáng)度500MPa以上的熱成形橋殼鋼BQT800，使橋殼減重14%，并通過(guò)國(guó)外某公司的嚴(yán)苛認(rèn)證，成為國(guó)內(nèi)唯一的供貨商。
在圍海造陸、航道疏浚等作業(yè)中，大量泥沙通過(guò)管道以漿體的形式輸送。原來(lái)管體主要采用Q235B，使用時(shí)磨損、腐蝕較快，一般9個(gè)月就要更換。本項(xiàng)目研究了鋼板的耐磨蝕機(jī)理，開(kāi)發(fā)了耐磨蝕鋼BMS1400，采用BMS1400制造的疏浚管壽命提高到原來(lái)的2.1倍。BMS1400成功應(yīng)用于大國(guó)重器——世界第三、亞洲第一的疏浚船“天鯨號(hào)”及“天鯤號(hào)”配套管線上，有力地支撐了圍海造田及各類島礁的建設(shè)。
圖7 BQT800和其他高強(qiáng)鋼熱成形性能對(duì)比/圖8 不同鋼種耐磨蝕性能對(duì)比
4、開(kāi)發(fā)了6類關(guān)鍵用戶服務(wù)技術(shù)，為多個(gè)行業(yè)提供輕量化整體解決方案
本項(xiàng)目建立了以超高強(qiáng)鋼選材、結(jié)構(gòu)仿真設(shè)計(jì)、焊接、加工技術(shù)、材料數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)構(gòu)服役壽命評(píng)估六大類技術(shù)為核心的用戶服務(wù)技術(shù)體系，創(chuàng)新性地為多家用戶使用熱連軋超高強(qiáng)鋼提供了全套技術(shù)解決方案，國(guó)內(nèi)首次提出并制定熱軋超高強(qiáng)鋼焊接接頭性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，被工程機(jī)械行業(yè)用戶廣泛接受并應(yīng)用。具備了全面的熱軋超高強(qiáng)鋼整體解決方案能力，在工程機(jī)械、商用車等領(lǐng)域引領(lǐng)用戶產(chǎn)品升級(jí)換代，有效促進(jìn)了薄規(guī)格超高強(qiáng)鋼的快速應(yīng)用。
本項(xiàng)目累計(jì)為商用車、工程機(jī)械等行業(yè)提供39項(xiàng)整體解決方案，輕量化率達(dá)10-40%，為多個(gè)行業(yè)順利使用超高強(qiáng)鋼提供了有力的支撐，也助力了行業(yè)用鋼的升級(jí)換代。
圖9 典型輕量化解決方案
5、熱連軋TP鋼應(yīng)用于混凝土攪拌車整體解決方案—?jiǎng)?chuàng)新改變了一個(gè)行業(yè)
混凝土攪拌車長(zhǎng)期使用Q345級(jí)別鋼種，磨損嚴(yán)重，往往1年左右更換葉片，3年左右更換筒體。多數(shù)用戶裝備加工能力有限，對(duì)材料提出了“易加工、更耐磨、成本低”等要求。結(jié)合用戶裝備現(xiàn)狀，確定了材料的力學(xué)性能要求：抗拉強(qiáng)度950MPa以上，屈服強(qiáng)度600MPa左右，延伸率15%左右。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，確定了采用鐵素體、馬氏體、殘余奧氏體三相組織設(shè)計(jì)，并計(jì)算出各相的最優(yōu)比例。通過(guò)采用一步法碳配分取代常用的QP鋼兩步法配分，在熱連軋條件下開(kāi)發(fā)了滿足上述性能要求的TP型耐磨鋼。這種鋼表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，其抗拉強(qiáng)度1000MPa以上、屈強(qiáng)比0.70以下，同時(shí)具有優(yōu)良的成形性和焊接性。與同抗拉強(qiáng)度鋼相比，其屈服強(qiáng)度低、成形性好。與同屈服強(qiáng)度鋼相比，其抗拉強(qiáng)度高、耐磨性好。而且，鋼中殘余奧氏體的存在，也使得材料在使用過(guò)程中能夠越磨越硬。到目前為止，國(guó)際上也未見(jiàn)相似產(chǎn)品。
圖10 一步法/兩步法工藝對(duì)比
本項(xiàng)目采用該工藝開(kāi)發(fā)了BW300TP和BW400TP新型耐磨鋼，其典型性能如表3和表4所示。
表3 BW300TP力學(xué)性能典型值
BW300TP具有優(yōu)異的耐磨性能，是普碳鋼的兩倍以上。采用新型耐磨鋼生產(chǎn)的輕量化混凝土攪拌車使用壽命長(zhǎng)，服役四年后，其筒體減薄量為0.2mm，僅為原有材料的1/4。
圖11 熱軋TP鋼優(yōu)異的耐磨性能
四、應(yīng)用情況與效果
本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了從單一產(chǎn)品開(kāi)發(fā)到產(chǎn)線、裝備、工藝、產(chǎn)品和用戶服務(wù)技術(shù)同步集成與開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)變。本項(xiàng)目自主集成的薄規(guī)格超高強(qiáng)鋼熱處理線裝備和工藝技術(shù)獲得成功，熱軋熱處理線實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定生產(chǎn)，且最薄規(guī)格拓展至2mm，極大地提升了我國(guó)在薄規(guī)格熱處理線關(guān)鍵裝備和工藝方面的技術(shù)水平。本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的薄規(guī)格超高強(qiáng)鋼全流程板形控制成套技術(shù)，成功解決了薄規(guī)格超高強(qiáng)鋼板形控制這一世界難題，板形不平度達(dá)到3mm/m以內(nèi)，極限不平度≤1mm/m。
本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的BS系列超高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼產(chǎn)品完全替代進(jìn)口，價(jià)格不到同類進(jìn)口產(chǎn)品的一半，交貨周期縮短至1個(gè)月。BW系列耐磨鋼成功應(yīng)用于自卸車，減重率達(dá)20%～40%，助推行業(yè)用鋼的升級(jí)換代；同時(shí)BW450還出口至東南亞、意大利和美國(guó)等。BP系列防護(hù)用鋼應(yīng)用于運(yùn)兵車、裝甲車、運(yùn)鈔車等，助推我國(guó)特種車輛發(fā)展。耐磨蝕鋼BMS1400成功應(yīng)用于大國(guó)重器——世界第三、亞洲第一的疏浚船天鯨號(hào)及天鯤號(hào)配套管線上，目前已批量供貨5000余噸，有力地支撐了圍海造田及各類島礁的建設(shè)。超高強(qiáng)大梁鋼B980LE批量應(yīng)用于專用車大梁，相對(duì)Q700級(jí)別大梁，實(shí)現(xiàn)20%輕量化率。熱成形橋殼鋼BQT800批量應(yīng)用于重卡橋殼，減重14%以上。橋殼出口歐洲，是國(guó)內(nèi)唯一的材料供貨商。
圖12 超高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼用于大噸位起重機(jī)/圖13 防護(hù)鋼制造的特殊車輛
圖14 耐磨鋼BW450用于新型自卸車/圖15 耐磨蝕鋼BMS1400用于“天鯤號(hào)”疏浚管道
新型耐磨鋼BW300TP得到行業(yè)的廣泛認(rèn)可，目前國(guó)內(nèi)近20家主流混凝土攪拌車廠都使用BW300TP。2020年1-6月份供貨量已超4萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)全年將超過(guò)8萬(wàn)噸，占總需求的80%。BW300TP顯著推進(jìn)了混凝土攪拌車全行業(yè)輕量化進(jìn)程，隨著國(guó)家對(duì)公路運(yùn)輸限超限載的不斷治理，BW300TP應(yīng)用前景更加廣闊。
圖16 采用新型耐磨鋼BW300TP的混凝土攪拌車
2017年至今本項(xiàng)目產(chǎn)品銷量39.6萬(wàn)噸，新增產(chǎn)值20億元，總經(jīng)濟(jì)效益5.8億元。除了直接經(jīng)濟(jì)效益之外，本項(xiàng)目產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)替代進(jìn)口，降低采購(gòu)成本、縮短供貨周期，保證民族制造業(yè)的供應(yīng)鏈安全。通過(guò)為用戶提供輕量化整體解決方案，促進(jìn)工程機(jī)械、商用車、疏浚排泥管等多個(gè)行業(yè)產(chǎn)品升級(jí)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化、長(zhǎng)壽命，助推我國(guó)民族制造業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。
