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轻量化如何兼顾安全性？高强“绿”钢或成破局点

樵车 · 2,515 次浏览 时间：2022-09-01

国际能源署（IEA）三月发布《全球能源回顾：2021年二氧化碳排放》报告显示，2021年，全球能源与工业领域产生二氧化碳排放量达到有史以来的年度最高水平，高达363亿吨，相较2020年增加21亿吨，相较2019年增加1.8亿吨。

图片来源：IEA官网

由于货币刺激和疫苗推广下的经济复苏，全球碳排放量在2021年实现了快速反弹。据报道，中国碳排放量超过119亿吨，占全球总量的33%，相比2020年的29%，2019年的27%，仍处在逐年上升的趋势中。因此，要在工业快速发展的背景下，通过政策调节和技术革新加速实现碳达峰，不仅需要全社会协同努力，也需要新的减碳思路。

以汽车行业为例，汽车生命全周期碳排放主要分为两个部分，一是汽车生产阶段的材料周期碳排放，二是汽车运行和回收阶段的燃料周期碳排放。如果说推行电动化，是汽车运行环节的对症下药；那么车身轻量化就是覆盖汽车全生命周期的系统施治：一方面，车身减重有利于车辆运行环节减碳，另一方面，使用环境友好的材料，可以在车身制造、回收环节实现减碳。

河钢材料技术研究院主任工程师熊自柳博士从材料减碳的角度切入，相比于铝、镁、碳纤维等材料，钢的碳排放单位值最低，综合成本、安全性等多因素，河钢集团将推动以钢为主，多材料混合应用的汽车轻量化工艺，主攻研发高强级汽车板材料，辅以架构、工艺轻量化，多举措并行赋予钢铁新的时代生机。

熊自柳博士河钢材料技术研究院主任工程师

行业号召也是社会担当河钢集团主推绿色发展“6+2”战略

汽车轻量化好比为人类的减脂塑形，其中材料、工艺轻量化是去除不必要的脂肪，减轻体重，使运动起来更轻盈；设计轻量化是提高肌肉密度，调整体型和身材以达到最佳的运动效果。

前者要求使用比强度（强度/表观密度）更高或密度更小的高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维复合材料代替普通钢结构，实现自重的减低；提高冶炼工艺实现性能提升、形状和形貌的优化等。

后者要求找到有效载荷传递路径、最佳材料分布，提高整体结构性能和结构设计效率。一般而言，簧下质量（悬架以下控制臂、卡钳、轮毂等）减重性价比远高于簧上质量。所谓“簧下1公斤，簧上10公斤”，其实就在强调簧下质量对汽车加速和操控性的决定性作用。

河钢集团自身专注于材料、工艺轻量化的技术研发，在与客户的合作中进一步探索了架构轻量化的解决方案。

图片来源：河钢集团官网

熊自柳表示，车身轻量化需要综合考虑材料重量和生产过程单位碳排放强度。目前，车身轻量化材料包含高强度钢、铝、镁、碳纤维材料，根据汽车用钢联盟数据，从碳排放单位强度来看，高强钢只有铝、镁、碳纤维的20%，10.5%和5%，乘以典型零件不同用材重量值，高强钢制造零件的总温室气体排放量相比于其他几种材料更具备环保优势。

宏观来看，高强度钢能够顺应双碳与车身轻量化的大趋势。从企业角度看，河钢集团具备进一步打造低碳化材料的潜力与战略。熊自柳介绍，2020年中国钢协发布了“控碳-降碳-净零碳”的三步走技术路径：第一步严控产能、压减产量实现总量控制。第二步节能提效、结构调整、能源替代实现降碳。第三步发展氢冶金、碳捕集技术，借助碳汇实现“净零碳”助力汽车轻量化和“零碳”发展。

图片来源：河钢材料技术研究院熊自柳

积极响应行业号召，河钢集团制定了企业绿色发展“6+2”战略：依托两大碳数据管理平台，深耕六项降碳技术路径。具体而言，一是 “铁素资源优化”路径，二是“流程优化重构”路径，具体措施包括全废钢电炉流程比例提高和界面优化；三是“系统能效提升”路径，四是“用能结构优化”路径，五是“低碳技术变革”路径，具体措施为氢冶金和CCUS技术应用；六是“产业协同降碳”路径，具体措施为发展森林碳汇、绿色建材和城市共融。

图片来源：河钢材料技术研究院熊自柳

熊自柳着重介绍了河钢集团“低碳技术变革”和“流程优化重构”技术路径的具体实施办法。河钢集团在绿钢生产上主要采用两种技术路径：氢基竖炉绿钢和废钢回炉。熊自柳介绍，河钢集团在提纯氢环节使用风能、光能实现电解水制造清洁能源，从而为汽车用钢注入绿色元素。

不仅如此，通过提高废钢回炉在全炼钢流程中的比例，多举措并行可以控制碳含量降低20%以上。熊自柳表示，2022年8月份，河钢集团同宝马签署MOU战略合作，宝马将成为河钢绿色低碳钢第一个汽车行业的客户，“十四五”末，河钢集团预计会有380万吨的氢基竖炉直接还原铁产能。

此外，河钢集团正致力于开发碳减排技术，包括二氧化碳捕集、储存技术，并利用碳汇协同减碳，争取于2050年前深度脱碳，实现企业碳中和目标。

轻量化兼顾安全性绿钢如何打入市场？

绿色发展战略下，河钢集团的绿钢不仅需要材料环境友好作为主打竞争点，由于汽车的第一定位仍是载人工具，绿钢要上车，还需要在强度、可靠性、工艺轻量化等方面具备诸多亮点。

同铝、镁合金、碳纤维等材料相比，钢在强度、弹性模量等安全性能方面优势明显。熊自柳介绍，一旦钢的强度超过1500MPa，在比强度和比膜量上的优势差距也会显现出来，这些都有助于塑造安全可靠的车身架构。

强度之外，河钢集团通过提升材料延展性，优化结构和传力路径，打造轻量化、高强韧、高吸能的产品。熊自柳举例，河钢集团的钢材强度从2005年的340MPa，发展至目前的2000MPa，而980MPa高强钢的塑形最高可达22%。这些指数的直观反映是：碰撞场景中钢材的刚度和压溃性能都明显提高。

工艺轻量化方面，河钢集团的主要工艺采取冷成形和热成形两种。

热成形钢是指将钢板经过AC3点以上的高温加热之后成形，然后又迅速冷却，全面提升了钢板强度，经过这样处理的钢材称之为热成形钢。一般热成形钢的强度达1000MPa之上，每平方厘米能承受10吨以上的压力，而河钢集团热成形钢的强度在2000MPa左右。冷成形意为在室温下对金属进行塑性变形，属于成形工艺。

结合冷成形与热成形两种工艺，河钢集团的高强钢成形技术朝着成形高强钢、提升成形效率两个方向发展，陆续推进冷冲压、冷弯成形、热冲压、激光拼焊、一体化热成形、一体化冷成型等技术发展，从而提高成形效率并降低制造成本。

冷弯成形图片来源：河钢材料技术研究院熊自柳

熊自柳介绍，研发与生产平台并行，河钢集团致力于满足客户对高品质钢材的定制化需求，对技术的高标准覆盖全生产流程，建设了纯净钢冶炼平台、高品质热轧产线平台，以及国内第一条高氢水淬高强钢生产线等。

在高强钢的应用方面，河钢集团已经取得了一定的成绩：截至目前，河钢集团推出的高强汽车板产品涵盖热轧酸洗板，冷轧板，热镀锌板，锌铝镁镀层板，铝硅镀层板共五个产品大类，含磷铝镇静钢、IF钢、BH钢、HSLA钢、扩孔钢、DP/DH钢、TRIP钢、MS钢、热成形钢、Q&P钢共十余个产品系列，一百余个牌号，实现了强度级别和产品规格的全覆盖。

就车身不同部件的应用来进行区分：对应汽车外板轻量化的需求，河钢集团开发了140-340MPa级别冷轧和热镀锌全系列烘烤硬化钢产品（BH），技术上保证了6个月以上不发生时效，实现了超长时效期；对应汽车结构件、安全件的轻量化需求，河钢集团推出的高强度低合金钢（HSLA）包括260-500MPa级别冷轧和热镀锌产品，组织均匀、屈强比高；为满足座椅等高端零件需求，河钢集团还开发了550-1000MPa级别HSLA。