我国汽车工业在进入新世纪以来的15年间取得了巨大发展和技术进步。2014年中国汽车产量为2372万辆，连续6年居世界第一，占世界汽车总产量8974万辆的1/4。同时，我国钢铁工业为汽车制造提供了重要的材料支撑。2014年我国钢产量为8.2亿吨，占全球钢产量的一半，并已建成以宝钢、武钢、鞍钢为代表的汽车板生产基地。

面对全球严峻的生态环境问题，各国汽车业的技术发展聚焦在整车轻量化、节能减排环保和对生命周期的评价方面，同时，努力提高汽车的抗冲撞能力和安全等级。因此，基于近年来国内外薄板坯连铸连轧TSCR和先进热成型处理AHFT的技术发展，研究者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，开发出一种高效率、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二代TSCR技术和以ESP无头轧制为主要特征的第三代TSCR技术，生产高强度薄规格热轧酸洗板，作为热冲压成型的板料；而后采用先进的热成型处理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。

这种短流程TSCR新工艺与先进热成型处理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。

短流程薄板坯连铸连轧技术的发展

截至2014年，全球已建薄板坯连铸连轧（TSCR）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。其中，最具有代表性的工艺设备主要有德国西马克公司SMS Siemag开发的CSP（Compact Strip Production）技术、德马克公司SMS Demag与意大利阿尔维迪Arvedi公司合作开发的ISP（Inline Strip Production）技术、意大利达涅利公司Danieli开发的FTSCR（Flexible Thin Slab Casting & Rolling）技术、德国西门子公司Siemens与意大利Arvedi公司合作开发的ESP（Endless Strip Production）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%；FTSCR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，年产能为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。目前，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。

按照最主要开发方向——全流程工艺连续性的发展特征，薄板坯连铸连轧工艺技术在20年间完成了从单坯轧制（Batch Rolling）向半连续生产工艺（半无头轧制Semi-Endless Rolling）和全连续生产工艺(无头轧制Endless Rolling)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、FTSC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。全流程中每一工艺环节点处的金属秒流量，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处的金属秒流量，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。

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，而且进一步显著降低了能耗，使新一代ESP工艺的吨钢能耗又比ISP工艺降低了30%，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。

15年来，我国的TSCR技术已从本世纪初的低投资、低成本、中低档产品，转入以高强度、薄规格、高附加值、高性价比为主导的产品发展阶段。例如，武钢和马钢开始大批量生产无取向电工钢，而取向电工钢的开发也已取得进展。值得注意的是，日照钢铁公司引进西门子和阿尔维迪的无头轧制设备和技术，建设2条ESP生产线，采用薄板坯连铸—粗轧3机架—在线感应加热—精轧5机架的工艺布置和全连续无头轧制技术，热轧板带产品最薄规格为0.8mm。整条生产线更加紧凑高效，全长191m，厚度为80mm的铸坯最高拉速为6.0m/min，单流年产量200万吨。这2条全连续ESP生产线的建设，标志着我国的短流程薄板坯连铸连轧TSCR技术进入了全连续化的新阶段。

先进热成型处理AHFT技术

为满足新一代汽车对轻量化、节能环保和抗冲撞安全的需求，国内外汽车制造业与钢铁行业在不断探索新的技术途径，改进热成型工艺，提高热成型构件的强塑性。钢铁研究总院和汽车工程研究院合作探讨，在全面分析先进高强度钢AHSS强塑化机理与方法的基础上，将残余奥氏体的相变诱导塑性TRIP效应及其热处理技术引进到热冲压成型工艺过程中，提出了先进热成型处理AHFT（Advanced Hot Forming Treatment）技术，将热冲压成型工艺与贝氏体等温淬火处理（Austempering Treatment）或者淬火—碳分配—回火处理（Quenching-Partitioning-Tempering, Q-P-T Treatment）结合起来，使热成型淬火构件获得铁素体—残余奥氏体为基体的F-TRIP钢、贝氏体—残余奥氏体为基体的B-TRIP钢、马氏体—残余奥氏体为基体的M-TRIP钢（即Q-P钢），在达到超高强度（抗拉强度不小于1.0GPa~1.5GPa）的同时，通过残余奥氏体的TRIP效应使伸长率提高到A50≥10%～15%以上，从而显著提高构件的强塑积至PSE≥15GPa·%～20GPa·%以上。

先进热成型处理AHFT生产线与传统热冲压成型CHPF工艺的最主要区别在于：先进热成型处理AHFT工艺增加了1台用于贝氏体等温处理和淬火碳分配—回火处理的低温热处理炉。采用先进热成型处理AHFT工艺，不仅可以生产马氏体＋残余奥氏体型的M-TRIP钢构件（即Q-P或Q-P-T处理钢构件），也可以通过调整奥氏体化温度、冷却速度和采用贝氏体等温处理工艺，生产具有铁素体基体＋残余奥氏体组织的F-TRIP钢构件，还可以调整工艺参数来生产贝氏体+残余奥氏体型的B-TRIP钢汽车构件，并使构件的强塑积达到15GPa·%~20GPa·%以上，显著优于传统热成型淬火处理钢构件（10GPa·%）。技术关键是通过先进热成型处理工艺AHFT在汽车构件的不同基体组织内引入残余奥氏体，在高强度的基础上获得良好塑性。

这种先进热成型处理AHFT技术，可以不再仅仅沿用以22MnB5为代表的冷轧板原料，而可以采用以22MnB5、TRIP钢、Q-P钢和Q-P-T钢为基础改进的AHSS钢化学成分，通过传统热连轧宽带钢机组或者短流程薄板坯连铸连轧TSCR机组，生产热轧超薄带（1.2mm~2.0mm厚）酸洗板，提供热成型板料。

采用短流程薄板坯连铸连轧TSCR新技术，例如第2代CSP的半无头轧制技术或者新一代ESP的全连续无头轧制技术，生产薄规格先进高强度钢AHSS热轧带钢，为先进热成型处理AHFT提供热成型板料，可以省去传统长流程热连轧—冷连轧—连续退火工艺，显著缩短汽车板原料的生产流程，大幅降低吨钢能耗和温室气体排放。

随后，通过先进热成型处理AHFT工艺的深加工，可以在热成型的低流变应力和低冲压载荷下，获得所需复杂形状、高几何精度且无回弹影响的超高强塑性UHSD汽车构件，包括铁素体型F-TRIP钢、贝氏体型B-TRIP钢和马氏体型M-TRIP钢（即Q-P-T钢）的汽车构件，同时，省去了高冲压载荷的冷冲压设备，避免了高强钢板冷冲压裂纹和起皱等缺陷的困扰，消除了高强钢板冷冲压后严重回弹的影响，使汽车结构进一步减薄减重、节能减排和提高抗冲撞安全性。

因此，采用短流程薄板坯连铸连轧TSCR新技术与先进热成型处理AHFT工艺相结合，生产制造高强塑性汽车板构件，可以建立起一种高效、节能、环保的短流程深加工新工艺途径，显著缩短汽车构件的整体制造流程，降低生产成本，大幅度降低汽车构件生产制造过程中和汽车使用运行过程中CO2的排放，同时，进一步拓宽高强塑性热成型构件产品的种类及其强度和塑性级别范围，具有超短流程、深度加工和节能降耗的优点。

短流程TSCR生产——薄规格汽车板的技术关键

目前，在薄板坯连铸连轧生产线上轧制薄规格汽车板，为先进热成型处理AHFT提供热成型板料，国内现有的生产线设备按照轧制工艺的连续性，有3种不同的工艺技术条件，可以称为第1代单坯轧制技术、第2代半无头轧制技术、第3代无头轧制技术。

单坯轧制技术。在单坯轧制技术中，存在薄规格板带在轧制过程中轧制载荷较高、轧辊凸度变化大、板形难以控制、表面质量恶化、轧机振动、轧制过程不稳定和轧辊磨损严重等问题，必须系统解决板形控制、轧制工艺和轧制过程稳定控制等关键技术问题。珠钢针对上述问题，提出了轧辊凸度控制技术，包括热凸度模型和轧辊磨损模型，解决了轧辊凸度变化复杂导致板形严重恶化的关键技术；通过轧机振动控制技术、微张力控制技术和轧制时序控制技术，解决了轧制过程的稳定性问题，使堆钢和甩尾事故减少90%；通过轧辊长寿技术，包括低应力抗剥落支承辊辊形、工艺润滑技术、轧辊材质和辊径配置的研究，提高了支承辊和工作辊的轧制周期，从而实现了薄规格产品的批量生产。武钢采用超薄规格轧制新技术，已批量生产1.2mm厚的YS700MPa级超高强钢和1.4mm厚的中高碳（w(C)=0.3%～1.0%）复杂成分钢，产品用于汽车、集装箱、工程机械、特种设备和高端锯片等领域。唐钢采用超薄规格轧制新技术最薄生产规格达到0.8mm，已批量生产厚度1.0mm薄规格产品。

半无头轧制技术。在半无头轧制技术中，唐钢、涟钢和马钢等企业在工艺和设备改进方面做了大量工作。在工艺控制方面非常严格，涟钢达到了以下技术目标：超长铸坯温差波动控制在30℃以内，其中97%铸坯温差不大于20℃；F1～F7机架间的张力波动在2MPa以内；终轧温度命中率(±10℃)达98.3%，卷取温度命中率(±15℃)超过99%；堆钢事故率从1.67次/万吨降低到0.57次/万吨。目前，涟钢已采用半无头轧制技术批量生产高质量薄规格和超薄规格宽带钢系列产品，包括中低碳钢、冲压用钢、低合金高强钢、双相钢和电工钢等12个钢种。

无头轧制技术。作为我国第1条全连续薄板坯连铸连轧生产线，日照钢铁的ESP机组在薄规格和超薄规格热轧带钢生产领域，十分引人注目。2015年2月，日照钢铁已在1号ESP机组轧制出第1卷薄带产品。该机组的建设只用了20个月，设计年产量255万吨，最薄规格0.8mm，薄带宽度可达1600mm，其吨钢能耗比传统连铸连轧厂降低45%。

短流程TSCR生产——先进高强钢AHSS的技术关键

由于先进热成型处理AHFT工艺生产超高强塑性汽车构件所需的板料不仅有以低碳锰铬为基础（w(C)=0.22%、w(Mn)=1.20%、w(Cr)=0.20%）成分的22MnB5含硼钢系列，还有以TRIP钢和Q-P钢为基础成分的先进高强度钢AHSS系列，其中一个重要的成分特点是锰质量分数在1.5%～2.0%的低碳和中碳（w(C)=0.20%~0.40%）钢，而热轧板带是在薄规格和超薄规格范围内（1.2mm～2.0mm厚）。作为汽车板构件，尽管是内部结构件，对于表面质量的要求仍然较高。因此，在薄板坯连铸工艺方面，面临一些重要的表面和内部质量问题和技术关键，需要在实际生产中予以重视和严格控制。

Mn含量对连铸坯质量的影响。对于Mn含量较高（w(Mn)=1.5%～2.0%）的钢，一方面，由于导热系数显著降低，铸坯坯壳内外部温差较大；同时，其线膨胀系数较高，在钢坯温降过程中体积收缩较大，因而在铸坯冷却过程中将形成较大的内应力，严重时会造成铸坯表面裂纹。另一方面，薄板坯的冷却速率较快，结晶速度加快，而导热系数低，易产生粗大的柱状晶组织，并在枝晶之间存在显微疏松和夹杂物，因而影响铸坯内部和表面质量。因此，对于Mn含量较高的钢，尤其是冷却速率较快的薄板坯，应适当降低浇铸温度，严格控制热裂纹和缩孔。

同时，由于一部分先进高强度钢的碳含量非常临近和处于包晶钢范围内，在凝固时铸坯的线收缩较大，连铸过程中易发生表面纵裂纹。因此，在连铸工艺方面需要控制中包钢水过热度，严格全程保护浇铸，改进和选择适用的结晶器保护渣。

保护渣的影响。对于结晶器保护渣，必须考虑到不同的氧化物对于保护渣的黏度有不同的影响。MnO的加入主要在于降低渣的熔化温度，使熔渣在较宽的温度范围内保持均匀液态；当MnO的加入量在2%～10%的范围内时，熔渣黏度明显降低。适当提高保护渣的熔点、熔速、黏度和碱度，促进保护渣均匀熔化，在结晶器中形成均匀的渣膜，以获得渣膜对铸坯表面的润滑作用，以及结晶器内的均匀传热，有利于坯壳结构的均匀性和铸坯表面质量的改善。

热成型汽车板采用的先进高强度钢中Mn含量较高，在连铸过程中会使保护渣中MnO含量提高，致使保护渣熔点降低。因此，建议采用碱度和熔点较高的保护渣，例如碱度R=1.2~1.3的高碱度保护渣，熔点Tm=1170℃~1190℃的高熔点保护渣。

铸坯冷却速率控制。在连铸板坯的凝固过程中，钢水在结晶器中弯月面处的冷却收缩量较大，会引起坯壳较早地脱离结晶器铜管壁，降低整个结晶器的传热效率，导致结晶器内坯壳厚度的不均匀减薄，从而降低连铸坯表层的抗拉应力水平。因此，为保证薄板坯的表面质量，一方面，可以考虑在结晶器采用弱冷却，适度降低连铸坯热传导速率和内外温度梯度；另一方面，可以适当降低板坯拉速，控制连铸坯在冷却全过程中的传热稳定性，保证铸坯进入二冷段时的坯壳厚度，以提高坯壳的抗凝固内应力。同时，控制二冷段的比水量，避免铸坯体积在强冷条件下迅速收缩和应力集中导致的坯壳表面裂纹。一般采用弱冷方式，严格控制比水量，例如，将铸坯角部在矫直时的温度应控制在TL>820℃。

因此，对连铸全流程的冷却强度进行均匀控制非常重要，尤其是对结晶器和二冷段冷却速率的均匀性和稳定性进行控制，使铸坯冷却均匀，减少体积收缩引起的钢坯应力集中，防止表面裂纹的产生。

凝固末端长度预报与控制。在开发先进短流程—深加工技术和高强塑性汽车构件的过程中，为在TSCR生产线上严格控制中心偏析线和各种凝固缺陷，生产内部质量合格的薄板坯，必须研究开发适用于这些先进高强度钢的凝固末端长度的预报和动态轻压下控制软件。

最近，德国奥托·冯·格里克大学（Otto von Guericke University）与瑞士钢公司（Swiss Steel）合作研究了连铸坯凝固长度的理论模拟计算，并首先对连铸钢坯的实际表面温度和芯部温度沿铸坯冶金长度方向的变化，以及凝固长度等参数，进行了观察分析。结果发现，尽管连铸坯表面温度沿铸坯长度方向是波动的，但是，在研究了以往各种模拟计算方法和模型与实际测试温度分布的数据后，为了建立具有理论指导原则的二维热传导方程，他们仍然以铸坯表面恒定温度为边界条件，提出了连铸坯凝固长度的理论预报模型。采用新建的理论模型的计算结果，与瑞士钢公司实测的连铸方坯（150mm×150mm）的凝固长度非常接近，分别为15.1m和15.2m，而与蒂森克虏伯公司的薄板坯（63mm×1400mm）的凝固长度则差别较大，分别为8.3m和9.7m。

这一研究的主要结果表明，连铸坯凝固长度的主要影响参数有佛里埃和斯台芬数（Fourier & Stefan Number）、金属秒流量、比热、导热系数和铸坯断面几何特征；铸坯的凝固长度仅仅取决于宽度与厚度之比（w/h），而不是铸坯的实际宽度和厚度；凝固长度随着金属秒流量（拉速）的增加而增加，而随着宽厚比的增大而减小。这些变化规律对于薄板坯连铸工艺优化和板坯内部质量的提高有一定的参考价值。

短流程技术的新发展——薄带连铸技术DSC

在现有的短流程板带铸轧技术中，薄带连铸DSC(Direct Strip Casting)是近终形程度最高而生产线最短的工艺途径。薄带连铸可以采用双辊连铸工艺（Twin-Roll Casting）生产厚度为to=1.5mm~3.0mm的连铸薄带，随后热轧和冷轧至to=0.8mm~2.0mm的薄规格带钢。薄带浇铸速度可达80m/min~150m/min，坯壳冷却速度可以高达1700℃/s，生产线只有60米长，年产能力可以达到50万吨左右。目前，世界上采用双辊技术的薄带连铸厂家主要有德国KTN公司的EUROSTRIP、美国NUCOR公司的CASTRIP和新日铁的STC。

近年来，薄带连铸技术主要用于合金含量较高的不锈钢、硅钢和第二代先进高强度钢TWIP的小批量生产与开发试制。德国阿亨大学的Markus Daamen与他的同事们对高强塑性TWIP钢的薄带连铸工艺—组织—性能进行了比较系统的试验研究。他们发现，连铸薄带在铸态和热轧态存在较强的微观偏析、化学成分梯度和不均匀的显微组织，使得薄带内的层错能分布发生区域性的强烈变化，从而导致不必要的奥氏体—马氏体相变和不均匀的力学性能。该研究小组对0.3C-29Mn成分的TWIP钢，在薄带连铸后（2.4mm×145mm）先热轧至2.0mm厚，再经过冷轧至t=1.0mm，随后进行900℃保温30min的退火处理，对这种50%压下冷轧和高温退火处理的连铸薄带试样，进行显微组织观察和力学性能试验。可以看到，经过冷轧—退火处理的薄带，获得了均匀的晶粒尺寸分布和显著减弱的微观偏析，其力学性能达到了抗拉强度TS=740MPa、伸长率Ag=60.3%、强塑积PSE=44.6GPa·%的水平，可以与传统工艺试制的TWIP钢相比。因此，双辊连铸薄带工艺为低成本生产具有高强塑性的TWIP钢提供了实际可能性。

为了观察对比TWIP钢连铸薄带在不同状态下的力学性能和抗冲撞能力，Daamen和他的同事们用薄规格的连铸—热轧薄带，制备了两种不同工艺状态的DSC薄带试样。第一种是50%冷轧后进行900℃再结晶退火的厚度为t=1.0mm试样，YS1=260MPa、TS1=750MPa、Elt1=65%；第二种是对1.4mm厚度的连铸—热轧薄带进行25%压下率的冷轧，获得冷轧态厚度为t=1.0mm的试样，YS2=820MPa、TS2=900MPa、Elt2=15%。将这两种工艺状态和力学性能的连铸薄带，制成截面为六角形的空心柱体，并进行条件相同的落锤式冲撞试验（落锤重w=250kg，高度h=2m，冲撞势能E=5kJ）。结果表明，屈服强度显著提高的冷轧态试样，其冲撞被压缩距离为LC2=124mm，显著优于再结晶退火态屈服强度很低的试样LC1=165mm。可见，在生产高强塑性汽车构件的时候，非常重要的是在较高强度的前提下，显著提高钢板的应变硬化率和伸长率，从而提高材料的强塑积水平，才有利于提高构件的抗冲撞性能。

第二代先进高强度钢的孪晶诱导塑性TWIP钢，是在高锰含量（15%Mn~30%Mn）的奥氏体基体上，主要通过形变孪晶和孪晶界大幅提高钢的应变硬化能力，使得n≥0.40，总伸长率A≥60%，而抗拉强度可以大幅提高到TS≥1000MPa以上。上述试验研究结果表明，可以对薄带连铸TWIP钢产品进行不同的热轧、冷轧和退火工艺处理，以获得不同显微组织、不同强度级别和不同强塑性的薄规格高强度高塑性钢板。

因此，采用超短流程的双辊薄带连铸工艺生产TWIP钢，有可能直接生产具有超高伸长率（A>50%）和应变硬化能力(n>0.40)的不同强度级别（TS≥700MPa~1000MPa）的超高强塑性汽车板，有可能在较低的屈服强度（YS=350MPa~500MPa）下进行冷冲压成型，制作高强塑性汽车构件，实现超短流程和超低排放的生产工艺用于生产制造超高强塑性汽车构件的目标。

根据近年来我国汽车产量稳步平缓增长的数据，预计近期我国乘用车的年产量将保持在2000万辆的水平。参考国内外新一代汽车对先进高强度钢AHSS的需求和热成型技术的发展趋势，瑞典Volvo公司预计今后汽车车身内40%重量的构件可以采用热冲压成型构件。据此可以预计10年以后至2025年，我国每年将需要热冲压成型汽车构件400万吨，约1.6亿件，至少相当于50条热冲压成型机组生产线的年产量。因此，采用先进短流程—深加工技术生产制造高强塑性汽车构件，作为一条新的高效率、低能耗、低排放、低成本的生产制造工艺流程，具有广阔的发展前景。