科技新进展：商用车高强轻量化梁厢罐系列用钢关键技术开发及应用

一、研究的背景与问题

随着全球能源转型与气候变化应对的深入推进，我国正积极落实“双碳”重大战略决策，推动制造业向绿色低碳、高质量方向发展。在此背景下，高强轻量化材料技术已成为推动整车减重、增强结构安全性、实现节能减排目标的关键路径，契合国家低碳经济导向和“一带一路”倡议中对高效、绿色交通运输装备的核心要求。为响应国家推动产业链优化升级，针对物流运输、工程建设及特殊用途车辆对大梁、厢体和罐体等结构部件的轻量化与高强度需求，开展系列高强轻量化钢材的研发与应用研究，不仅有助于降低车辆全生命周期碳排放、满足“国六”排放标准要求，更可提升我国整车及零部件在“一带一路”沿线市场的适应性与竞争力，为构建安全、高效、绿色的现代交通物流体系提供关键材料支撑，具有显著的经济社会效益和战略意义。目前该研究领域主要技术难题包括：

1、国内商用车大梁钢以510L和610L为主，700L逐步应用，但钢厂多忽视低温韧性研究，导致极寒环境下大梁断裂频发，开发低温高强韧性700L及以上级别大梁钢已成为当务之急。此外，大梁钢还存在因强度跨度大、规格分散导致合同兑现率低影响高效化生产、以及板形差引起分条后不平度和侧弯等问题亟待解决。

2、挂车、自卸车等厢体制造目前主要采用耐磨钢和高强厢体钢。国内耐磨厢体钢多采用热处理工艺，交货周期长、成本高，尤其是薄宽规格板形控制难、合格率低，开发薄规格宽幅免调质耐磨厢体钢成为行业焦点。现有750MPa高强厢体钢多采用Nb+Ti复合强化，成本高、竞争力弱，且Ti易形成大颗粒TiN，增加开裂风险

3、汽车罐体用钢呈现高强化、轻量化的发展趋势。由于产品强度高、规格薄，在生产和使用过程中存在诸如：酸洗表面存在“黑钢”缺陷、薄规格板形难以控制等技术难题，在国内钢企还未得到有效解决。

二、解决问题的思路与技术方案

1、总体思路

图1 项目总体开发思路

2、技术方案

（1）研究建立-40℃以下服役环境长寿化汽车大梁钢生产工艺、一钢多级柔性轧制技术和带钢低内应力控制技术。

①特殊化成分设计。本项目成品具有良好的低温冲击韧性，兼顾经济性原则，以700L为例，打破常规0.07%C含量，设计0.04%C+1.4%Mn+0.09%Ti，严控P、S和气体N含量，有效保证了低温冲击韧性。

②洁净钢及连铸大压下技术。铁水预脱硫：工序结束铁水S含量控制在0.003%-0.008%，将S控制在钢种要求范围，免去LF造渣脱硫环节，极大程度缩短LF处理周期；转炉冶炼：冶炼终点C含量控制在0.04%-0.12%，冶炼终点O≤350ppm，转炉终点高拉碳低终点氧配合，减少了钢水脱氧铝制品用量；LF精炼：将钢水温度调至液相线温度以上80-100℃，加入电石进行扩散脱氧；RH精炼：将渣层厚度减小至70-150mm，循环开始后加入0.4-1.4kg/吨钢顶渣改质剂；压下参数为结晶器设定厚度的4.35%-5%；连铸过热度控制在10-18℃之间。

③整卷罩退工艺控制技术。不同钢种热处理工艺稍有区别，以典型钢种700L为例，按照300℃、400℃、500℃、600℃进行回火，保温时间25h，冷却模式采取随炉冷却，对不同工艺参数进行对比试验，对试验后的钢带进行-40℃冲击功和力学性能检测。

④冷却模型及微中浪轧制技术。通过研究带钢轧制冷却和钢卷下线冷却温度及时间纳米级的TiC二相粒子在α相中充分析出规律，充分发挥其析出强化的作用，同时对高强钢的内应力进行有效释放。设计分组间隔冷却模式和微中浪轧制，平坦度1IU～5IU。

⑤一钢多级柔性化控制技术。该技术涉及钢种主要元素含量：0.06%C+1.4%Mn+0.02%Nb+0.08Ti，根据表1不同工艺，可获得不同强度级别大梁钢。

表1 不同厚度不同强度级别大梁钢的生产工艺

实施效果：开发了在低温冲击性能优异的高强大梁钢700L和800L，其中-20℃到-40℃低温环境700L试样冲击值均达到200J以上，相比常规产品提升了1.5倍，且力学性能波动控制在30MPa以内，满足了极寒条件下应用需求。采用一种成分体系，通过调整不同轧制工艺，大梁钢产品可以从510L-700L多钢级全厚度覆盖，合同兑现率提升了20%。采用分组间隔冷却模式和微中浪轧制技术，使大梁钢开平后不平度控制在5mm/m以内，纵切分条后侧弯量控制在6mm/13m，指标处于国内领先水平。图2为高强大梁钢成套技术开发及应用效果。

图2 高强大梁钢成套技术开发及应用效果

（2）行业首创1000-1400Mpa宽幅免调质耐磨厢体钢生产工艺和低成本钛微合金化高强厢体钢生产工艺。通过研究0.5%~0.7%Al+Nb+Ti成分体系对组织性能的影响规律，率先开发出热轧超高强钢轧制全流程温控技术，结合10000KN以上超大轧制力平整与一体化板形控制策略，开发出吉帕级宽幅免调质耐磨厢体钢，填补国内空白；构建低C+高Ti经济型成分体系，结合连铸扇形段轻压下开口度精准控制方法，开发出低成本轻量化600MPa级高强厢体钢。

①免调质耐磨厢体钢技术开发。特殊化成分设计：传统耐磨厢体钢可以通过调质工艺，对组织进行二次调控，使软硬相有机结合，使其达到强韧性完美匹配。本项目开发的耐磨厢体钢，去处了调质处理工艺，直接轧制成品，因此在轧制冷却过程中必须完成软硬相组织调控。以NM300TP为例，主要成分设计0.16%C+2.0%Mn+0.6%Al+0.02%Nb+0.02%Ti。其中Al是本项目所研究钢板中的重要元素之一，加入较多Al的主要目的是在加快冷却过程中促使奥氏体向铁素体的转变，提供一定量的铁素体软相，使免调质耐磨厢体钢也具有良好的强韧性。

两段冷却工艺技术：采用分段冷却，冷却一段采取超快冷，冷速90-200℃/s；中间空冷时间11-16s，空冷温度700-760℃；冷却二段采取密集冷却，冷速40-55℃/s；二段冷却结束后进行卷取，卷取温度310-360℃。

全流程温控技术：开创“铸坯加热尾部补偿-中间坯边部加热-层冷边部遮挡”轧制全流程温控技术，在轧制过程中从“铸坯-中间坯-带钢”全流程进行温度均匀性控制。为保证钢卷性能稳定性，保证最终产品的各部位组织均匀，对轧制过程的坯料温度和水量进行均匀控制。板坯加热尾部温度补偿20-30℃；横向温度方面，在精轧前投用边部加热器升温60-80℃，对中间坯边部温降进行补偿；水量控制方面，避免边部冷却强度过大，钢带两侧距离边部30cm处投用边部遮挡。带钢横断面温差可控制在25℃以内，头尾温差控制在30℃以内（不包含头尾5米），确保带钢通卷性能达到窄范围控制。

大轧制力平整工艺开发：平整采用负凸度辊形和恒轧制力平整工艺，轧制力设定10000～15000kN，带钢头部、尾部轧制力另增加10～15%，适当加大弯辊力，弯辊力控在180-220KN，矫直机辊缝为-2mm和-1mm。不平度达到5mm/m以下，满足客户使用要求。

②高强厢体钢技术开发。特殊化成分设计+轧制制度：本项目围绕产品经济性原则，摒弃传统的Nb+Ti复合添加思路，设计0.07%Ti，结合1250℃高温出炉，终轧温度和卷取温度分别为880℃和600℃，充分发挥Ti的析出强化作用，保证强度满足设计要求；动态轻压下技术：扇形段系统压力提高至180-205bar，波动范围精准控制在190±5bar；制定扇形段压到位断面、钢种与拉速匹配表，及时调整其匹配性，保证铸坯凝固末端轻压下位置的精准控制，使铸坯凝固末端动态轻压下扇形段开口度偏差在0.1mm以内，有效的保证了高强厢体钢内在品质。

实施效果：在国内率先设计高Al成分体系，开创轧制全流程温控技术，基于两段冷却工艺和全流程温控技术，开发了宽幅免调质耐磨厢体钢NM300TP、NM400TP和NM450TP三个牌号，其中NM300TP宽幅1800mm产品满足客户厢体一体化成型需求，减少多道焊缝带来的开裂风险，填补国内空白。通过开发的大轧制力平整工艺，板形缺陷比例由12.3%降低至0.7%以内，带钢开平后不平度≤5mm/m，浪形消除，弓背或“C”翘高度≤4mm/宽度，实物质量指标处于国内领先水平，完全满足客户使用需求。委托北科大进行了磨粒磨损对比试验，分别选取NM300TP、Q355B、Q235B进行了失重检测对比。结果显示：NM300TP的磨损率为4.1%，较Q235B和 Q355B分别提升了43.8%和35.9%。设计经济化成分体系，开创性的研发了连铸扇形段轻压下开口度精准控制方法，开发了低成本轻量型600Mpa级高强厢体钢。

图3 高强耐磨厢体钢成套技术开发及实施效果

3、研究建立汽车罐体钢CSP短流程高效生产技术和基于表面氧化铁皮控制的罐体高效加工方案。

①特殊化成分设计+生产工艺控制技术。以620JJ为例，本项目采用了低碳加高钛成分体系（0.05%C+1.2%Mn+0.08%Ti），有效解决了CSP产线生产含Nb高强钢常出现边裂质量问题。采用15-20℃较低钢水过热度，结合薄板坯连铸高强度冷却，可有效减少钢水在液析氮化钛温度区间停留时间，抑制液析氮化钛夹杂析出和长大。采用890℃终轧温度和610℃的卷取温度，保证了钢中钛元素在铁素体晶内的固溶和弥散析出。

②酸洗罐体钢黑钢缺陷控制技术。本项目从热轧、酸洗工序入手，通过提高先共析Fe₃O₄比例、抑制共析转变过程，避免过酸洗等手段获得控制罐体钢酸洗黑钢缺陷的方法。精轧工序，精轧开轧温度1000±15℃，终轧温度为860±14℃；当成品厚度≥4.0mm时，精轧6组机架间冷却水全部打开，其中前4组机架冷却水比例为20-50%；当成品厚度＜4.0mm时，精轧机架间冷却水打开组数≤3组。酸洗工序，原料顺序进入6组酸槽中，其中1-4#酸槽酸液温度设为75-85℃，5-6#酸槽酸液温度设为60-75℃。当成品厚度≤3.5mm时酸洗速度为100-140m/min；成品厚度＞3.5mm时酸洗速度为70-110m/min。

实施效果：项目实施过程中，打破常规的成分设计，设计C-Mn-Ti成分体系，制定专属的生产工艺，基于短流程CSP产线开发了高强罐体钢520JJ和620JJ共计2个牌号，产品实物质量指标达到国内领先水平。从热轧、酸洗工序入手，通过提高先共析Fe₃O₄比例、抑制共析转变过程，避免过酸洗等手段开发了一套控制热轧罐体钢酸洗黑钢缺陷的方法，缺陷率由23.5%降低至0.92%，该项指标达到国内领先水平，有效提升了产品形象。图4为高强罐体钢成套技术开发实施效果。

图4 高强罐体钢成套技术开发实施效果

三、主要创新性成果

1、研究建立-40℃以下服役环境长寿化汽车大梁钢生产工艺、一钢多级柔性轧制技术和带钢低内应力控制技术

在Nb+Ti微合金洁净钢冶炼和连铸大压下技术协同基础上，率先研发出优化材料强韧性匹配的罩退工艺，满足了极寒环境商用车大梁的长效服役要求；开创了510L-700L一钢多级柔性轧制技术，实现了多钢级、多厚度大梁钢的高效连续生产，有效提升了合同兑现率；设计出分组间隔冷却模式和微中浪轧制技术，显著降低带钢内应力，有效解决了加工中的侧弯与浪形缺陷。

2、行业首创1000-1400Mpa宽幅免调质耐磨厢体钢生产工艺和低成本钛微合金化高强厢体钢生产工艺

通过研究0.4%~0.6%Al+Nb+Ti成分体系对组织性能的影响规律，率先开发出热轧超高强钢轧制全流程温控技术，结合10000KN以上超大轧制力平整与一体化板形控制策略，开发出吉帕级宽幅免调质耐磨厢体钢，填补国内空白；构建低C+高Ti经济型成分体系，结合连铸扇形段轻压下开口度精准控制方法，开发出低成本轻量化600MPa级高强厢体钢。

3、研究建立汽车罐体钢CSP短流程高效生产技术和基于表面氧化铁皮控制的罐体高效加工方案

深入挖掘利用CSP短流程工艺元素Ti在钢中的强化作用，设计开发出C+Mn+Ti高钛成分高强罐体钢，较传统热连轧产线生产周期明显缩短；明晰热轧过程氧化铁皮演化规律，制定特殊酸洗控制策略，开发出“黑钢”缺陷控制技术，显著提升表面质量，提高罐体成型涂装作业效率。

四、应用情况与效果

商用车高强轻量化梁罐厢系列用钢关键技术开发及应用项目在邯钢实施后，开发了超低温大梁钢700L、免调质耐磨厢体钢NM300TP和罐体钢620JJ等共计8个品种，其中具有良好低温韧性的大梁钢700L和1800mm宽幅免调质耐磨厢体钢填补了国内空白，解决了大梁钢纵剪分切后侧弯量大，免调质耐磨厢体钢板形差和酸洗罐体钢“黑钢”缺陷降级率高等系列技术难题，项目实施过程中形成了成套关键技术。

1、高强大梁钢成套技术应用及效果

开发了在低温冲击性能优异的高强大梁钢700L和800L，其中-20℃到-40℃低温环境700L试样冲击值均达到200J以上，相比常规产品提升了1.5倍，且力学性能波动控制在30MPa以内，满足了极寒条件下应用需求。采用一种成分体系，通过调整不同轧制工艺，大梁钢产品可以从510L-700L多钢级全厚度覆盖，合同兑现率提升了20%。大梁钢不平度≤5mm/m，纵切分条侧弯量≤6mm/13m，指标处于国内领先水平。产品不仅在国内中国一汽、中国重汽、北汽福田、陕汽集团等多家国内知名主机厂得到应用和推广，而且具有良好低温韧性的大梁钢成功打入俄罗斯卡玛斯和白俄罗斯明斯克等国际汽车制造公司，为国家“一带一路”战略的深入推进添砖加瓦。

2、高强耐磨厢体钢成套技术应用及效果

在国内率先设计高Al成分体系，开创轧制全流程温控技术，基于两段冷却工艺和全流程温控技术，开发了宽幅免调质耐磨厢体钢NM300TP、NM400TP和NM450TP，其中NM300TP宽幅1800mm产品满足客户厢体一体化成型需求，减少多道焊缝带来的开裂风险，填补国内空白。免调质耐磨厢体钢一次性通过湖北驰田和辽宁金天马等国内龙头专用车制造企业，焊接和成型性能良好，获得客户好评。600MPa级高强厢体钢批量应用于中集通华和安徽华兴等国内一流挂车企业。

3、高强罐体钢成套技术应用及效果

打破常规的成分设计，设计C-Mn-Ti成分体系，制定专属的生产工艺，基于短流程CSP产线开发了高强罐体钢520JJ和620JJ共计2个牌号，产品实物质量指标达到国内领先水平。从热轧、酸洗工序入手，通过提高先共析Fe₃O₄比例、抑制共析转变过程，避免过酸洗等手段开发了一套控制热轧罐体钢酸洗黑钢缺陷的方法，缺陷率由23.5%降低至0.92%，该项指标达到国内领先水平。先后通过安徽开乐和中集凌宇等国内罐体改装车头部企业，产品批量稳定生产，获得客户好评。

通过该项目的实施，邯钢商用车高强轻量化梁厢罐系列用钢完成了质的飞跃，邯钢掌握了所研系列产品从炼钢、热轧、平整、酸洗以及用户应用方面的关键工艺控制的核心技术。项目实施过程中形成了多项自主知识产权的核心技术，授权发明专利15项，实用新型专利1项，受理发明专利1项，形成企业标准4项，发表高水平论文7篇。该项目总体达到国际先进水平。积极推动了我国热轧汽车用钢生产技术的发展，为我国同类型钢铁制造企业提供了值得借鉴的成功经验。项目在推动河北省由钢铁大省向钢铁强省转变的历史进程中具有良好的带头和示范意义，同时为我国汽车工业的持续快速发展做出了重要贡献。

信息来源：河钢集团邯郸钢铁集团公司