一、研究背景与问题

工程机械是矿山开采和各类工程施工用的机械设备总称，包括钻机、电铲、电动轮翻斗车、挖掘机、装载机、推土机、混凝土泵车、起重机、消防云梯及煤矿液压支架等。随着城镇化建设、基础设施建设投资持续增长，我国工程机械行业进入了快速发展阶段，成为全球最大的工程机械生产国，被称为“基建狂魔”，工程机械功不可没。工程机械行业已经成为我国七大核心产业之一，《中国制造2025》专项规划5次直接提到工程机械。工程机械行业“十三五”战略目标之一就是以质量和性能为重点，增强产品可靠性、耐久性，发展绿色、智能、高端的工程机械产品。重点发展任务是坚持创新驱动发展战略，着力提升工程机械产品可靠性、耐久性及环保、安全性，重点开发绿色节能产品、大型和超大型产品等九大类创新产品。从技术发展趋向上看，工程机械现在正处于数字化、智能化、宜人化、节能与环保、巨型化和微型化、减量化、轻量化等技术发展阶段，未来将向高性能、多功能、高可靠性、人性化、环境适应性、能源多样性以及机器人工程机械方向发展。

随着工程机械向大型化、智能化、轻量化、高效率方向发展，对工程机械用钢的综合性能要求越来越高，不仅要有超高强度，还要兼顾高韧性及耐疲劳、耐腐蚀，同时，还要有良好的冷成形性能和焊接性能。

在国内高端装备制造领域，工程机械行业使用的屈服强度690MPa及以下级别的高强度钢板以国产为主。然而，屈服强度960MPa及以上级别的宽薄规格钢板在2018年之前主要由国外公司垄断。其中，SSAB生产的钢板碳当量低，焊接性能优良，预热温度较低；低温韧性、折弯成型性能出色；在产品板形方面，12 mm以下规格的高强度钢板平直度优良，满足工程机械行业对高强度钢板任意方向不平度≤4mm/2m的要求。为了打破国外垄断，实现高强度、高韧性钢板“替代进口，以产顶进”的稳定供应，国内多家企业均在研发相应级别的高强度钢材。然而国产超高强度钢材在制定行业标准、成分与组织设计及控制、焊接工艺、低碳钢种开发、微合金与减量化生产、不同规格钢板的相变热处理以及钢板的矫直等方面仍有较大提升空间。

二、解决问题的思路与技术方案

针对屈服强度960MPa及以上级别宽薄规格工程机械用钢被国外垄断的难题，湘钢与国内高校、下游用户联合，先后调研超高强钢的市场及发展趋势，明确成分、工艺、组织和性能间的关系，通过对超高强钢冶炼、轧制、冷却、热处理、焊接等技术攻关，实现系列高级别产品的合金成分减量化降低成本、组织亚结构超细化改善低温韧性、强脱氧诱导粒子钉轧奥氏体晶粒改善焊接性、组织均匀性协同热处理装备高精度精准板形调控消除内应力四大创新，研发出兼具超高强度、高韧性、高焊接性、耐疲劳的屈服强度960MPa-1300MPa工程机械用超高强钢板，在下游用户实现稳定应用，并实现批量出口。

三、主要创新成果

1、基于成分-冶炼-轧制-热处理耦合的钢铁全流程组织亚结构细化控制技术，制定超高强韧性钢减量化成分与组织控制工艺路线，实现强度与韧性的多要素协同控制，所得超高强钢合金含量相对国际SSAB同级别产品降低15%，马氏体板条亚结构相比细化35%。

2、通过调控钢液成分，诱导生成形核粒子，利用强脱氧剂Ti产生的细小、均匀、弥散氧化物粒子钉扎晶界，规避传统冶炼中无法避免的氧化物杂乱聚集和异常长大，改善超高强钢的强韧性和本质焊接性，焊接线能量较常规思路提升90%。

3、基于全流程组织均匀性调控与超宽射流喷嘴式淬火机的缝隙喷嘴开启组数、缝隙宽度、高密I及高密II喷嘴的水量和水比、辊速、加速度和辊缝等优化控制，结合薄规格超高强钢均匀化冷却技术，实现6-12mm规格、3m以上宽钢板不整板平度≤4mm/2m，全板应力分布均匀，弯曲一致性较好，性能均匀，抗弯、低温冲击韧性优异。

4、研发成功系列钢板的焊后预处理工艺、焊接结构、接头几何设计、焊缝几何形状控制、焊丝匹配等操作标准及方法，优化焊材、线能量、预热等焊接工艺控制参数，实现系列厚度规格超高强钢稳定化焊接，改善客户使用感受。

围绕本项目开发出了屈服强度960MPa、1100MPa和1300MPa级超高强钢关键生产技术，申报和授权了“一种低合金超高强度钢Q1100E薄板的生产方法”、“一种合金包芯线及其在氧化物冶金中的应用”、“一种高平直度超高强钢的生产方法”、“一种低合金超高强度钢Q1100E薄板的GMQW焊接方法”等13项专利，并获得授权。发表《工程机械用Q1100钢的J-C本构修正模型》、《工程机械用Q1100钢的热变形应变补偿本构方程》、《回火温度对 Q1100 超高强钢组织和性能的影响》、《工程机械用Q1300E超高强钢的淬火工艺》等论文共17篇，被国内外期刊论文多次引用。相关项目顺利通过了湖南省科技厅的结题验收，衍生的关键技术获得湖南省冶金科学技术进步一等奖1项，Q11OOE产品获得2020年湖南省重点新材料产品首批次应用示范奖励。

四、应用情况与效果

项目实施以来，易焊接耐疲劳高性能超高强度结构钢、经济型高洁净度冶炼和连铸关键工艺与控制技术、超高强钢控轧控冷及热处理关键工艺技术在湖南华菱湘潭钢铁有限公司得到广泛应用，工艺成熟稳定，生产制备出6-120mmQ960和6-40mmQ1100E超高强钢各项性能指标良好，先后通过了湖南黑色金属检测站、中科院金属所和钢铁研究总院的相关检测，指标达到世界先进水平：利用低碳、低合金化成分设计，控制碳当量0.55%以下，实现焊接预热温度100℃以下；Q1100的焊接线能量由0.9kJ/mm提升至1.72kJ/mm，典型接头的疲劳性能优异；应力比-1时的疲劳极限537.5MPa，500MPa载荷下横向焊缝疲劳性能≥14万次；钢板应力分布均匀，弯曲一致性较好，板形不平度≤4mm/2m；此外，对6-15mm厚Q1300E钢板进行技术攻关，各项指标满足GB/T28909要求，焊接性能良好。超高强钢产品先后通过了中联、三一、徐工、柳工等工程机械企业的焊接工艺评定，在大吨位起重机和混凝土泵车上得到广泛应用，近三年新增产值1058493.52万元，新增利税191340.47万元。

通过项目的实施，湘钢生产的高级别工程机械用超高强钢得到了市场用户的充分认可，使用表明该类产品实物质量优良，完全替代了同类进口产品，实现超高强钢全规格的国产化，降低用户采购成本5000-8000元/吨，缩短交货周期5个月左右，达到了“以产顶进”的目的。

超高强钢的批量应用促进了我国工程机械装备水平不断提高，助力我国工程机械装备世界记录的不断刷新，实现了汽车起重机和履带式起重机全球起重能力最强，分别达到4000吨和4500吨；混凝土泵车臂架长度世界领先，达到101米；进一步提升了中国超大吨位工程机械的全球竞争力，为中国打造工程机械强国提供了坚实的材料保障。同时，湘钢致力于开拓海外市场，Q1100产品通过了韩国KCP公司的认可，首次实现高级别的中国超高强钢材料走出国门，走向世界。

超高强钢的使用不仅使制造车辆部件、起重运输设备的企业降低钢材使用量和生产成本，同时降低用户油耗成本，实现节能减排。超高强钢在20-2000T工程起重机上实现应用，关键结构件吊臂减重12.25%，行驶油耗降低5.36%，作业油耗降低11.53%；该级别超高强钢在中联重科凌云系列67米混凝土泵车上的应用，是混凝土泵车行业首次应用1100级别超高强钢板，混凝土泵车关键结构件减重8.25%，同等重量下，臂架长度加长3米以上，行驶油耗降低2.6%，作业油耗降低11.52%。超高强钢的广泛应用大幅减少了工程机械装备行驶和作业过程中污染物排放，达到节约资源、降耗和减排的目的，成为新一代环境友好型材料，从而实现钢企、工程机械企业、用户及社会的多方共赢。

信息来源：湖南钢铁集团湘潭钢铁公司