深加工新技术与高强塑性汽车构件的开发

自2010年起，我国制造业总产值达到2万亿美元，占全球总产值的19.8%，超过美国居世界第一。然而，作为世界第一的制造业大国，面临着向制造业强国发展的严峻挑战，包括强化制造基础的各种关键材料和基础零部件，推行绿色制造和综合考虑资源、能耗、环境的现代制造模式。面对全球严峻的生态环境问题，各国汽车业技术发展聚焦在车身轻量化、节能减排环保和生命周期评价，同时努力提高汽车抗冲撞能力和安全等级。
    基于近年来国内外薄板坯连铸连轧TSCR和先进热成形处理AHFT技术的发展，提出了先进短流程与深加工技术相结合的工艺途径，为超高强塑性汽车构件的生产制造，开发了一种高效率、低能耗、低排放、低成本的新工艺。首先采用先进的短流程工艺，包括以CSP、FTSR、ISP半无头轧制为主要特征的第2代TSCR技术和以ESP无头轧制为主要特征的第3代TSCR技术，生产高强度薄规格热轧酸洗板，作为热冲压成形的板料；而后采用先进的热成形处理AHFT工艺技术，对这些短流程热轧板料进行热冲压与热处理相结合的深加工，以获得超高强塑性汽车构件。以下介绍了短流程薄板坯连铸连轧TSCR技术的发展，先进热成形处理AHFT技术的强塑化工艺与主要技术特征；讨论采用短流程TSCR新工艺技术，生产先进高强度钢AHSS薄规格汽车板，为先进热成形处理AHFT提供热冲压成形原料钢板的主要技术关键；介绍采用超短流程的双辊薄带连铸工艺，开发高强塑性TWIP钢的试验新进展。短流程TSCR新工艺与先进热成形处理AHFT深加工新技术相结合，开发生产超高强塑性汽车构件，需要钢铁与汽车行业的密切合作。
    这项新工艺技术不仅可以满足新一代汽车在使用运行中对轻量化节能减排和抗冲撞安全的要求，而且可以显著降低汽车板构件生产制造过程中的能耗与温室气体排放。这对于汽车的整体生命周期评价、生态环境改善和可持续发展具有重要意义。从薄板坯连铸连轧TSCR技术的发展来看，第2代CSP机组的半无头轧制技术和新一代ESP机组的无头轧制技术，在生产高强度、薄规格汽车板方面，具有必备的工艺设备条件。同时，与传统长流程厚板坯连铸—热连轧CSCR工艺相比较，短流程CSP工艺在节能、减排和生命周期评估方面，具有巨大的优势。CSP机组吨钢能耗比传统厚板坯CSCR机组的冷送冷装工艺降低了62.5%，比厚板坯CSCR机组的热送热装工艺降低了49%。最主要的差别在于，薄板坯加热过程的能耗大幅度降低。这对于钢铁厂家减少汽车板生产过程中的排放，降低汽车生命周期全过程中的温室气体GHG排放，是非常重要的。
    短流程薄板坯连铸连轧技术的发展
    从1989年世界上第1条短流程CSP生产线在美国纽柯钢铁公司建成投产以来，薄板坯连铸连轧TSCR技术在各国钢铁行业得到了迅速发展和广泛应用。至2014年，全球已建薄板坯连铸连轧生产线66条101流，总年产能力达到1.1亿吨，成为热轧板带的重要生产方式之一。
    在世界各国的TSCR生产线中，最具有代表性的工艺设备主要有：德国SMSSiemag公司开发的CSP技术、德国SMSSiemag公司与意大利Arvedi公司合作开发的ISP技术、意大利Danieli公司开发的FTSR技术、德国SIEMENS与意大利Arvedi公司合作开发的ESP技术。其他的TSCR生产线还有，奥钢联的CONROLL技术、日本住友的QSP技术和中国鞍钢的ASP技术等。在全球66套TSCR机组中，CSP机组35套，占全球TSCR机组的53%；ISP机组7套，占10.6%；FTSR机组9套，占13.6%；ESP机组3套，占4.5%。采用这4种典型技术的机组共计54套，占全球TSCR机组的80%以上。
    我国现有薄板坯连铸连轧生产线15条30流，年产能力3720万吨，其中CSP机组7条，FTSR机组3条，ASP机组3条，ESP机组2条。我国已成为全球拥有薄板坯连铸连轧生产线最多、产能最大的国家，短流程板带产量占全球TSCR生产线的1/3。
    薄板坯连铸连轧工艺的开发方向最主要是将原来基本分离的两个工厂的冶金工艺过程，炼钢厂板坯连铸的液相→固相凝固结晶过程，与轧钢厂固相板坯的热变形轧制过程，尽量密切结合起来；最大限度地利用板坯凝固后高温状态的热量，直接进入轧钢生产线，以减少加热炉能耗；最大限度地减薄板坯厚度，以减少轧机能耗；最大限度地提高连铸与热轧之间的连续性，以提高生产效率并降低能耗与排放，提高连铸板坯和连轧板带的温度均匀性，提高板带产品几何精度、显微组织和力学性能的均匀性；最大限度地开发与生产具有性能特色和工艺优势的多种板带产品。
    经过30余年的不断开发，目前短流程TSCR的工艺技术已经取得重大进展和突破。按照最主要开发方向——全流程工艺连续性的发展特征，从1989年世界第1条CSP生产线在美国建成投产，到2009年世界第1条全连续无头轧制ESP生产线在意大利建成投产，薄板坯连铸连轧工艺技术在20年间完成了从单坯轧制（BATCHROLLING）向半连续生产工艺（半无头轧制SEMI—ENDLESSROLLING）和全连续生产工艺（无头轧制ENDLESSROLLING）的技术发展和转变。
    单坯和半连续轧制的短流程TSCR工艺，包括CSP、FTSR或QSP、ISP工艺，均是在薄板坯连铸后将板坯剪切成分离的定尺单坯，或者在粗轧机组后将粗轧板坯切成定尺卷，然后采用不同方法进行单坯或半连续轧制。在全连续ESP无头轧制工艺中，薄板坯连铸后不再进行定尺剪切，而是直接进入粗轧机组轧制，然后经过感应加热，使温度均匀化的中间坯连续进入精轧机组轧制并连续穿过层流冷却段，直到成品带钢进入卷取机之前，才按照热轧成品的定尺和重量要求进行剪切分卷。这样，薄板坯的连铸过程就与热连轧过程完全连续地结合成一个整体的短流程冶金工艺。
    这种全连续的短流程ESP工艺，对于从板坯连铸到热连轧全过程的连续性和稳定性控制的要求比较严格。对于全流程中每一工艺环节点的金属秒流量，必须保持均匀平稳一致。从连铸机组的水口、结晶器、二冷段各节点、动态轻压下机组、连铸机出口，到粗轧机组、感应加热器、精轧机组各机架、层流冷却段和卷取机，随着断面形状和厚度的变化，板坯和板带在全流程中各节点的金属秒流量，必须精确控制在同一水平，以保持无头轧制的全连续性和稳定性。同时，保持薄板坯连铸连轧原有的优越性，控制板带温度的均匀性，保持板带厚度精度、力学性能和显微组织的均匀性和稳定性，有利于生产薄规格和超薄规格0.8mm—2.0mm的板带产品。
    2009年建成的第1条ESP意大利ARvEDI生产线，全长只有180m，与传统厚板坯长流程CSCR的700m—1000m和短流程CSP的430m相比，生产线长度大幅度缩短，更具短流程特点。这条ESP生产线从钢水连铸到热轧带卷产品轧出，全线工艺过程只需要5分钟，年产能力250万吨。板带产品厚度0.8mm—12.0mm，宽度可达1570mm，可以生产热轧卷、热轧酸洗卷和热镀锌卷。主要产品包括低碳软钢、中高碳钢、高强度低合金HSLA钢、管线钢、先进高强度钢AHSS（双相钢、TRIP钢）、硅钢（SI的质量分数为3%）、不锈钢等。
    薄板坯连铸连轧工艺从单坯轧制向半无头轧制和全连续无头轧制的发展，不仅对于超薄规格板带生产和扩大产品“以热代冷”的比例十分有利，而且显著降低了能耗，使新一代ESP工艺的吨钢能耗又比典型CSP工艺降低了50%，而比传统厚板坯CSCR的热送热装工艺的吨钢能耗降低了75%。因此，从节能环保的角度来看，随着热轧带钢生产从传统厚板坯连铸向薄板坯连铸连轧工艺的发展，吨钢能耗和相应的温室气体排放（CO2当量）呈阶梯式显著下降。从传统厚板坯长流程CSCR到薄板坯连铸连轧TSCR的第1代CSP短流程，吨钢能耗降低一半；在新一代全连续ESP中，如果采用较高拉速，可以使吨钢能耗又降低一半，使这3种流程（CSCR、CSP、ESP）的吨钢能耗和温室气体排放的比例为4：2：1。同时，全连续无头轧制ESP短流程的吨钢新水消耗量比CSP又降低一半。
    各种短流程工艺典型特点
    在世界各国TSCR工艺从半连续CSP技术向全连续ESP技术发展的过程中，典型技术和机组还有ISP和FTSR，它们的技术特点反映出TSCR向全连续工艺发展的趋势。CSP工艺的主要特点：开发和采用了漏斗形结晶器，弧形或立弯型连铸机，在连铸机和轧机之间可以采用隧道式加热炉、热卷箱、感应加热炉等不同选择，轧机布置可以根据产品需要采用串列式精轧机组、粗轧机与精轧机组、可逆式炉卷轧机（STECKELMILL）等不同配置，采用单坯轧制可以生产薄规格1.2mm厚带钢，在精轧机组后添置高速飞剪并改造地下卷取机，可以进行半连续轧制，生产更薄规格0.8mm厚带钢。
    在不断改进设备和工艺技术的基础上，在CSP热轧板带产品结构的多样性以及组织性能的均匀性方面，均已取得重要进展。至今，CSP产品已覆盖低碳钢、中碳钢、高碳钢，包括超低碳IF钢、高强度低合金HSLA钢和微合金钢MA、管线钢API系列、电工钢、多相钢等。CSP的热轧带钢产品可以用于汽车的各种结构件和非覆盖件，也可以取代一部分级别和牌号的冷轧板。
    对CSP生产的热轧板带，也可以作为冷轧坯料，供冷轧厂经过酸洗—冷轧—退火成为冷轧板产品。由CSP生产的薄规格热轧带钢，也可以经过酸洗处理，作为热轧酸洗板成品供给用户，还可以经过热镀锌，向用户提供热轧镀锌板。现在CSP的工艺和产品开发，正在进一步向高效、节能、高性能和高表面质量发展，尤其是向具有高强塑性的先进高强度钢AHSS以及热镀锌的AHSS钢发展。
    ISP工艺的主要特点：连铸机结晶器采用了液压伺服振动的多次弯曲技术，凝固末端采用动态轻压下技术，热轧采用3机架粗轧与5机架精轧机组。在粗轧和精轧机组之间，带坯（厚10mm—18mm）经过感应加热炉使中间坯温度提高150℃—250℃，然后进入克列蒙纳热卷箱，使粗轧带钢在经过温度均匀化处理后进入精轧机组，最后通过层流冷却进入卷取机，保证了热轧带钢产品力学性能的均匀性和稳定性。FTSR工艺的主要特点：采用立弯式连铸机、漏斗式结晶器、板坯轻压下和气雾冷却工艺，板坯厚度一般为60mm。在粗轧机和串列式精轧机组之间配置辊道式加热和冷却装置。