一、研究的背景与问题
在绿色制造、低碳环保的大背景下，国内工程机械、商用车等行业越来越重视以高强减重、绿色长寿为方向的产品结构升级，对钢铁材料提出了更高强、更耐磨、更耐蚀等高要求。工程机械用户开始采用屈服960MPa以上的超高强结构钢制造起重机吊臂和泵车布料杆。部分自卸车用户有意向国外用户学习，采用HB400-500级别薄规格耐磨板替代普遍使用的345MPa级别产品。
2012年立项之初，国内薄规格超高强钢产品基本空白。下游用户主要依赖进口。进口产品不仅价格高昂，而且交货期很长。例如，欧洲某公司生产的960MPa级薄规格超高强钢国内吨钢售价近2万元，供货周期长达6个月，极大地制约了我国民族产业的发展。
图1 薄规格超高强钢应用领域
薄规格超高强钢的板形问题是世界公认的技术难题。长期以来，国内钢铁企业无法批量生产热轧薄规格超高强钢板，特别是2-8mm的超高强钢。此外，薄规格超高强钢生产关键装备及工艺技术也为国外企业垄断，国内企业缺乏成熟的生产设备和工艺技术，必须进行技术攻关解决这一世界性难题。同时，国内下游用户也缺乏使用超高强钢的经验，急需结合行业特点，建立热轧超高强钢用户服务技术体系，提供解决方案，引导用户产品升级换代。
（a）宝钢原超高强钢板形（b）国外超高强钢板形
图2 国内外薄规格超高强钢板形
二、技术解决方案
本项目深入分析了不同行业对薄规格超高强钢的多样化需求，结合对国外竞争对手的调研分析，确定了薄规格超高强钢产品大纲，并明确了各类产品的品种、规格、性能和质量要求。在此基础上，提出了对薄规格热处理产线、关键装备和制造工艺的需求。然后，集合宝钢装备技术、模型开发、工艺技术、产品技术以及用户服务技术等多方面技术力量，自主集成了一条薄规格超高强钢的专业热处理生产线，过程中自主开发和优化了一系列关键装备，形成了一批核心工艺技术。通过解决超高强韧性匹配、高耐磨蚀性能、高防护性能、高疲劳性能、抗焊接热影响区软化等技术难题，同步开发800-2000MPa超高强结构钢、耐磨钢和防护用钢等产品系列。开发选材、EVI设计、焊接、加工、材料数据库和服役寿命评估等6类关键用户服务技术，为多个行业的产品升级换代提供完整解决方案。
· 主要技术内容和创新点
1、自主集成一套薄规格超高强钢热处理线
本项目自主集成了一条适合薄规格热轧超高强钢生产的专业热处理线。针对加热炉、淬火机、矫直机等关键装备进行了工艺设计、装备选型、工艺技术开发以及模型开发，形成多路径柔性淬火系统、矫直机模型及反馈控制系统等具有自主知识产权的装备和工艺技术，为薄规格热轧超高强钢高质高效、稳定批量生产创造了条件。
图3 宝钢薄规格超高强钢热处理线
（1）薄规格钢板多路径柔性淬火技术。传统淬火机是高低压一体化设计，宽向流量也不可调，淬火模式比较单一，本项目创新设计了淬火机分体式框架以及宽向可调的冷却集管结构，对淬火机结构进行了优化设计，从而实现了淬火钢板横向温度均匀性和冷却速度精确可控。
（2）矫直机模型及反馈控制技术。传统钢板的矫直一般依靠人的经验，高强钢板形质量极不稳定。本项目集成了一套板形在线监测装置并实现反馈控制，开发了矫直参数自动设定模型，大大提高了矫直效率和板形质量。
该产线设计厚度3-12mm，最大宽度1900mm。2013年底热负荷试车，半年后月达产，实现了稳定高效生产。根据2019年合同数据，年产量近10万吨，其中6mm以下规格占比一半以上，最小厚度突破至2.3mm。
2、开发薄规格超高强钢全流程板形控制技术
对于超高强钢来说，板形是最难达到的指标，越薄越宽越难控制，号称是世界性难题。超高强钢板形问题贯穿生产始终。基板生产由于轧制负荷大，易出现单边浪、镰刀弯缺陷。热处理淬火过程中，热应力和相变应力交织作用，薄板易扭曲变形。此外，残余内应力消除难，用户加工后易发生翘曲、旁弯，影响加工尺寸精度。
图4 全流程板形控制
针对以上问题，本项目开发了轧制板形控制技术、层冷冷却板形控制技术、淬火板形控制技术以及回火板形控制技术等，形成薄规格超高强钢全流程板形控制技术，成功解决了极薄规格产品板形控制难题，实现了2-12mm超高强钢产品的批量稳定生产，板形不平度达到3mm/m以内，极限不平度≤1mm/m。
（a）淬火后 /（b）成品板
（c）切割下料 /（d）折弯成型
图5 薄规格超高强钢板形实物质量
3、开发五个系列超高强钢产品，强度覆盖800-2000MPa
在工艺装备取得突破的同时，本项目聚焦用户端的差异化需求，开发了以BS超高强结构钢、BW耐磨钢、BP防弹钢、BMS耐磨蚀钢、BQT桥壳钢共5个系列17个牌号的薄规格超高强产品，强度覆盖800-2000MPa。基于元素扩散、相变原理、析出物形核长大机理和大量热处理线产品的生产实践，国内首次开发了一套热处理产品性能预报模型，大大减少了实验量，并降低了研发风险，初步实现了热处理产品开发智能化。
图6 热处理超高强钢模型计算与实测结果对比
BS800-1300系列超高强结构钢通过优化的成分工艺设计，实现了产品的高强高韧高疲劳，韧脆转折温度达到-60℃，并解决了高强钢常见的焊接软化问题。BW300-600系列耐磨钢深入研究了高硬度和高韧性间的匹配，确保该系列产品具有优异的综合性能，极限规格拓展至3*1800mm。BP300-600系列防护钢大量应用于特种车辆，钢板的抗拉强度级别达到2000MPa，并具有良好的塑性和低温韧性。
表1 BS系列超高强结构钢标准及典型力学性能
表2 2000MPa级防弹钢典型性能
传统商用车重卡桥壳用钢厚度一般≥14mm，常规高强钢热成形空冷后钢板的强度下降显著，屈服强度只有300-400MPa。同时桥壳对材料的焊接、疲劳等综合性能要求极高。本项目开发了一种热成形后屈服强度500MPa以上的热成形桥壳钢BQT800，使桥壳减重14%，并通过国外某公司的严苛认证，成为国内唯一的供货商。
在围海造陆、航道疏浚等作业中，大量泥沙通过管道以浆体的形式输送。原来管体主要采用Q235B，使用时磨损、腐蚀较快，一般9个月就要更换。本项目研究了钢板的耐磨蚀机理，开发了耐磨蚀钢BMS1400，采用BMS1400制造的疏浚管寿命提高到原来的2.1倍。BMS1400成功应用于大国重器——世界第三、亚洲第一的疏浚船“天鲸号”及“天鲲号”配套管线上，有力地支撑了围海造田及各类岛礁的建设。
图7 BQT800和其他高强钢热成形性能对比/图8 不同钢种耐磨蚀性能对比
4、开发了6类关键用户服务技术，为多个行业提供轻量化整体解决方案
本项目建立了以超高强钢选材、结构仿真设计、焊接、加工技术、材料数据库和结构服役寿命评估六大类技术为核心的用户服务技术体系，创新性地为多家用户使用热连轧超高强钢提供了全套技术解决方案，国内首次提出并制定热轧超高强钢焊接接头性能评价标准，被工程机械行业用户广泛接受并应用。具备了全面的热轧超高强钢整体解决方案能力，在工程机械、商用车等领域引领用户产品升级换代，有效促进了薄规格超高强钢的快速应用。
本项目累计为商用车、工程机械等行业提供39项整体解决方案，轻量化率达10-40%，为多个行业顺利使用超高强钢提供了有力的支撑，也助力了行业用钢的升级换代。
图9 典型轻量化解决方案
5、热连轧TP钢应用于混凝土搅拌车整体解决方案—创新改变了一个行业
混凝土搅拌车长期使用Q345级别钢种，磨损严重，往往1年左右更换叶片，3年左右更换筒体。多数用户装备加工能力有限，对材料提出了“易加工、更耐磨、成本低”等要求。结合用户装备现状，确定了材料的力学性能要求：抗拉强度950MPa以上，屈服强度600MPa左右，延伸率15%左右。
为了实现这一目标，确定了采用铁素体、马氏体、残余奥氏体三相组织设计，并计算出各相的最优比例。通过采用一步法碳配分取代常用的QP钢两步法配分，在热连轧条件下开发了满足上述性能要求的TP型耐磨钢。这种钢表现出优异的综合性能，其抗拉强度1000MPa以上、屈强比0.70以下，同时具有优良的成形性和焊接性。与同抗拉强度钢相比，其屈服强度低、成形性好。与同屈服强度钢相比，其抗拉强度高、耐磨性好。而且，钢中残余奥氏体的存在，也使得材料在使用过程中能够越磨越硬。到目前为止，国际上也未见相似产品。
图10 一步法/两步法工艺对比
本项目采用该工艺开发了BW300TP和BW400TP新型耐磨钢，其典型性能如表3和表4所示。
表3 BW300TP力学性能典型值
BW300TP具有优异的耐磨性能，是普碳钢的两倍以上。采用新型耐磨钢生产的轻量化混凝土搅拌车使用寿命长，服役四年后，其筒体减薄量为0.2mm，仅为原有材料的1/4。
图11 热轧TP钢优异的耐磨性能
四、应用情况与效果
本项目实现了从单一产品开发到产线、装备、工艺、产品和用户服务技术同步集成与开发的转变。本项目自主集成的薄规格超高强钢热处理线装备和工艺技术获得成功，热轧热处理线实现高效稳定生产，且最薄规格拓展至2mm，极大地提升了我国在薄规格热处理线关键装备和工艺方面的技术水平。本项目开发的薄规格超高强钢全流程板形控制成套技术，成功解决了薄规格超高强钢板形控制这一世界难题，板形不平度达到3mm/m以内，极限不平度≤1mm/m。
本项目开发的BS系列超高强结构钢产品完全替代进口，价格不到同类进口产品的一半，交货周期缩短至1个月。BW系列耐磨钢成功应用于自卸车，减重率达20%～40%，助推行业用钢的升级换代；同时BW450还出口至东南亚、意大利和美国等。BP系列防护用钢应用于运兵车、装甲车、运钞车等，助推我国特种车辆发展。耐磨蚀钢BMS1400成功应用于大国重器——世界第三、亚洲第一的疏浚船天鲸号及天鲲号配套管线上，目前已批量供货5000余吨，有力地支撑了围海造田及各类岛礁的建设。超高强大梁钢B980LE批量应用于专用车大梁，相对Q700级别大梁，实现20%轻量化率。热成形桥壳钢BQT800批量应用于重卡桥壳，减重14%以上。桥壳出口欧洲，是国内唯一的材料供货商。
图12 超高强结构钢用于大吨位起重机/图13 防护钢制造的特殊车辆
图14 耐磨钢BW450用于新型自卸车/图15 耐磨蚀钢BMS1400用于“天鲲号”疏浚管道
新型耐磨钢BW300TP得到行业的广泛认可，目前国内近20家主流混凝土搅拌车厂都使用BW300TP。2020年1-6月份供货量已超4万吨，预计全年将超过8万吨，占总需求的80%。BW300TP显著推进了混凝土搅拌车全行业轻量化进程，随着国家对公路运输限超限载的不断治理，BW300TP应用前景更加广阔。
图16 采用新型耐磨钢BW300TP的混凝土搅拌车
2017年至今本项目产品销量39.6万吨，新增产值20亿元，总经济效益5.8亿元。除了直接经济效益之外，本项目产品实现替代进口，降低采购成本、缩短供货周期，保证民族制造业的供应链安全。通过为用户提供轻量化整体解决方案，促进工程机械、商用车、疏浚排泥管等多个行业产品升级，实现产品轻量化、长寿命，助推我国民族制造业的高质量发展。
