輕量化如何兼顧安全性？高強“綠”鋼或成破局點

國際能源署(IEA)3月發布的《全球能源回顧:2021年二氧化碳排放》報告顯示，2021年，全球能源和工業產生的二氧化碳排放量達到歷史最高水平，達到363億噸，比2020年增加21億噸，比2019年增加1.8億噸。

圖片來源:IEA官網

由于貨幣刺激和疫苗推廣下的經濟復蘇，2021年全球碳排放快速反彈。據悉，中國碳排放量超過119億噸，占全球總量的33%。相比2020年的29%和2019年的27%，仍處于逐年上升趨勢。因此，在工業快速發展的背景下，通過政策調整和技術創新加快實現二氧化碳排放峰值，不僅需要全社會的共同努力，也需要碳減排的新思路。

以汽車行業為例，汽車全生命周期的碳排放主要分為兩部分，一是汽車生產階段的物質循環碳排放，二是汽車運營和回收階段的燃料循環碳排放。如果說實施電氣化是汽車運營的對癥下藥；那么，車身輕量化是一個覆蓋汽車全生命周期的系統化處理:一方面，車身輕量化有利于車輛運行的減碳；另一方面，使用環保材料可以實現車身制造和回收過程中的減碳。

河鋼材料技術研究院總工程師熊博士從材料減碳的角度出發。與鋁、鎂、碳纖維等材料相比，鋼鐵的碳排放單位值最低。考慮到成本、安全等諸多因素，河鋼集團將推進以鋼材為主、多種材料混合應用的汽車輕量化技術，以高強度汽車板材料研發為重點，以輕量化結構和技術為補充，多措并舉賦予鋼材新的時代活力。

熊博士，鶴崗材料技術研究所總工程師

產業的呼喚，也是河鋼集團推動綠色發展的社會責任“6+2”戰略。

汽車輕量化就像是對人體進行塑形減脂，其中輕量化的材料和工藝被用來去除不必要的脂肪，減輕體重，讓運動變得更輕。輕量化設計是為了提高肌肉密度，調整體型和身材，達到最佳運動效果。

前者要求使用密度高于或低于強度(強度/表觀密度)的高強度鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維復合材料代替普通鋼結構，以減輕自重；改進冶煉工藝以提高性能，優化形狀和形貌等。

后者要求找到有效的載荷傳遞路徑和最佳的材料分布，以提高整體結構性能和結構設計效率。一般來說，簧下重量(懸架下面的控制臂，卡鉗，輪轂等。)具有比簧載質量高得多的減重性價比。所謂“1 kg簧下，10 kg簧上”，其實就是強調簧下重量對汽車加速和操控的決定性作用。

河鋼集團自身專注于輕量化材料和工藝的技術研發，并與客戶合作進一步探索輕量化建筑的解決方案。

圖片來源:河鋼集團官網

熊表示，車身輕量化需要綜合考慮材料重量和生產過程的單位碳排放強度。目前汽車車身的輕量化材料有高強度鋼、鋁、鎂、碳纖維等。汽車鋼鐵聯盟的數據顯示，從碳排放單位強度來看，高強度鋼只有鋁、鎂、碳纖維的20%、10.5%、5%。乘以典型零件的不同重量值，高強度鋼制成的零件的溫室氣體排放總量比其他材料更具環保優勢。

宏觀上，高強度鋼可以順應雙碳和車身輕量化的大趨勢。從企業角度來看，河鋼集團有進一步打造低碳材料的潛力和戰略。熊劉孜介紹，2020年，中鋼協發布了“控碳-減碳-凈零碳”三步走的技術路徑:第一步，嚴控產能，減少產量，實現總量控制。第二步，節能增效，調整結構，替代能源降碳。第三步，發展氫冶金和碳捕集技術，借助碳匯實現“凈零碳”，助力汽車輕量化和“零碳”發展。

圖片來源:鶴崗材料技術研究所熊

河鋼集團積極響應行業號召，制定了企業綠色發展“6+2”戰略:依托兩大碳數據管理平臺，深化六大碳減排技術路徑。具體來說，第一條是“鐵資源優化”的路徑，第二條是“流程優化重構”的路徑。具體措施包括提高所有廢鋼電爐流程的比例，優化接口；三是“系統能效提升”路徑，四是“能源結構優化”路徑，五是“低碳技術改造”路徑，具體措施有氫氣冶金和CCUS技術應用；六是“產業協同減碳”的路徑，具體措施是發展森林碳匯、綠色建材和城市一體化。

圖片來源:鶴崗材料技術研究所熊

熊著重介紹了河鋼集團“低碳技改”和“流程優化改造”的具體實施方法。河鋼集團在生鋼生產上主要采用兩種技術路徑:氫基豎爐生鋼和廢鋼回收。熊劉孜介紹，河鋼集團在提純氫氣的過程中，利用風能和光能電解水產生清潔能源，從而為汽車鋼注入綠色元素。

而且通過提高廢鋼回收在整個煉鋼過程中的比例，多項措施并行，碳含量可降低20%以上。熊表示，2022年8月，河鋼集團與寶馬簽署MOU戰略合作，寶馬將成為河鋼綠色低碳鋼的第一家客戶。“十五”末，河鋼集團預計將有380萬噸氫基豎爐直接壓減鐵產能。

此外，河鋼集團還致力于發展碳減排技術，包括二氧化碳捕獲和存儲技術，利用碳匯減少碳排放，從而在2050年實現碳中和的目標。

綠色鋼材如何以輕量化和安全性為理念進入市場？

在綠色發展的戰略下，河鋼集團的綠色鋼鐵不僅需要材料的環保性作為主要競爭點，在強度、可靠性、輕量化技術等方面也有很多亮點，因為汽車的第一定位仍然是載人工具。

與鋁、鎂合金、碳纖維等材料相比，鋼材在強度、彈性模量等安全性能上具有明顯優勢。熊劉孜介紹，鋼材強度一旦超過1500MPa，在比強度和比含膜量上的優勢差距也會顯現，有助于塑造安全可靠的車身結構。

除了強度，河鋼集團通過提高材料的延展性，優化結構和傳力路徑，打造輕量化、高韌性、高吸能的產品。熊舉例，河鋼集團的鋼材強度從2005年的340MPa提高到目前的2000MPa，980MPa高強度鋼的最大成型可以達到22%。這些指標的直觀反映就是在碰撞場景中，鋼材的剛性和壓碎性能都有明顯的提高。

工藝輕量化方面，河鋼集團的主要工藝是冷成型和熱成型。

熱成型鋼是指鋼板經過AC3點以上的高溫加熱后成型，然后快速冷卻，全面提高了鋼板的強度。用這種方法處理的鋼叫做熱成型鋼。一般熱成型鋼的強度在1000MPa以上，每平方厘米能承受10噸以上的壓力，而河鋼集團的熱成型鋼強度在2000MPa左右。冷成型是指金屬在室溫下的塑性變形，屬于成型工藝。

將冷成型和熱成型相結合，河鋼集團高強度鋼成型技術向高強度鋼成型和提高成型效率兩個方向發展，先后推動了冷沖壓、冷彎成型、熱沖壓、激光拼焊、一體化熱成型和一體化冷成型的發展，提高了成型效率，降低了制造成本。

冷彎圖片來源:熊，鶴崗材料技術研究所

熊介紹，R&D與生產平臺并行，河鋼集團致力于滿足客戶對優質鋼材的定制化需求，以高技術標準覆蓋生產全過程，打造純凈鋼冶煉平臺、優質熱軋生產線平臺、國內首條高氫水淬高強鋼生產線。

在高強度鋼的應用方面，河鋼集團取得了一定的成績:截至目前，河鋼集團推廣的高強度汽車板產品涵蓋熱軋酸洗板、冷軋板、熱浸鍍鋅鋼板五大產品類別……鍍鋅板、鋅鋁鎂鍍層板和鋁硅鍍層板，包括含磷鋁鎮靜鋼、IF鋼、BH鋼、HSLA鋼、擴孔鋼、DP/DH鋼、TRIP鋼、MS鋼和熱成型鋼。p鋼擁有10多個產品系列，100多個品牌，實現了強度等級和產品規格的全覆蓋。

區分了車身不同部位的應用:為滿足汽車外板輕量化要求，河鋼集團開發了140-340MPa等級的全系列烘烤硬化鋼產品(BH)，技術上可實現6個月的長時效；為滿足汽車結構件和安全件的輕量化要求，河鋼集團引進的高強度低合金鋼(HSLA)包括260-500MPa等級的冷軋和熱鍍鋅產品，組織均勻，屈強比高。為了滿足座椅等高端零部件的需求，河鋼集團還開發了550-1000MPa級HSLA。

圖片來源:鶴崗材料技術研究所熊

拓寬優質市場河鋼集團進入快速發展時期。

高質量帶來高需求。熊劉孜表示，2021年，河鋼集團不斷優化產品結構，汽車板產銷量達到660多萬噸。隨著鋼鐵產品技術和服務的并行發展，河鋼集團迎來了新的技術和服務升級期。

2015年以前，河鋼集團二手車主要供應商。目前，河鋼集團業務領域已拓展至乘用車，應用車型和場景增多，從傳統車型向新能源車型轉變；高端用戶增多，從自主品牌到合資、外資品牌。

為了應對這些變化帶來的挑戰，河鋼集團從外板輕量化解決方案、碰撞(正面碰撞和側面碰撞)、激光拼焊解決方案、座椅解決方案四個方向為主機廠提供高專業、高覆蓋的產品和技術服務。

以側撞解決方案為例，河鋼集團將1.5GPa至2GPa高塑性熱成型鋼應用于車門防撞梁，結合W型截面設計，在零件層面滿足了高速性能和氫致開裂性能的要求，實現了新能源汽車的高側撞安全性能，達到了輕量化的效果。

w形截面圖片來源:熊，鶴崗材料技術研究所

正如熊所說:“今天的鋼鐵匯集了現代社會最活躍的創新元素。”深耕技術創新是河鋼集團與時俱進的最重要因素，以低碳制造、高強度、高塑性、輕量化等元素賦能鋼鐵材料，幫助傳統材料煥發新的活力，進入可持續發展，即深耕未來。

(以上內容根據2022年8月23日，在由加索爾主辦的第二屆Gasol 2022中國車身大會上，河鋼材料技術研究院總工程師熊博士發表的《河鋼集團汽車輕量化產品及應用解決方案》主題演講進行理解和整理。)根據國際能源署(IEA)3月發布的《全球能源回顧:2021年二氧化碳排放》報告，2021年，全球能源和工業產生的二氧化碳排放量達到歷史最高水平，達到363億噸，比2020年增加21億噸，比2019年增加1.8億噸。

圖片來源:IEA官網

由于貨幣刺激和疫苗推廣下的經濟復蘇，2021年全球碳排放快速反彈。據悉，中國碳排放量超過119億噸，占全球總量的33%。相比2020年的29%和2019年的27%，仍處于逐年上升趨勢。因此，在工業快速發展的背景下，通過政策調整和技術創新加快實現二氧化碳排放峰值，不僅需要全社會的共同努力，也需要碳減排的新思路。

以汽車行業為例，汽車全生命周期的碳排放主要分為兩部分，一是汽車生產階段的物質循環碳排放，二是汽車運營和回收階段的燃料循環碳排放。如果說實施電氣化是汽車運營的對癥下藥；那么，車身輕量化是一個覆蓋汽車全生命周期的系統化處理:一方面，車身輕量化有利于車輛運行的減碳；另一方面，使用環保材料可以實現車身制造和回收過程中的減碳。

河鋼材料技術研究院總工程師熊博士從材料減碳的角度出發。與鋁、鎂、碳纖維等材料相比，鋼鐵的碳排放單位值最低。考慮到成本、安全等諸多因素，河鋼集團將推進以鋼材為主、多種材料混合應用的汽車輕量化技術，以高強度汽車板材料研發為重點，以輕量化結構和技術為補充，多措并舉賦予鋼材新的時代活力。

熊博士，鶴崗材料技術研究所總工程師

產業的呼喚，也是河鋼集團推動綠色發展的社會責任“6+2”戰略。

汽車輕量化就像是對人體進行塑形減脂，其中輕量化的材料和工藝被用來去除不必要的脂肪，減輕體重，讓運動變得更輕。輕量化設計是為了提高肌肉密度，調整體型和身材，達到最佳運動效果。

前者要求使用密度高于或低于強度(強度/表觀密度)的高強度鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維復合材料代替普通鋼結構，以減輕自重；改進冶煉工藝以提高性能，優化形狀和形貌等。

后者要求找到有效的載荷傳遞路徑和最佳的材料分布，以提高整體結構性能和結構設計效率。一般來說，簧下重量(懸架下面的控制臂，卡鉗，輪轂等。)具有比簧載質量高得多的減重性價比。所謂“1 kg簧下，10 kg簧上”，其實就是強調簧下重量對汽車加速和操控的決定性作用。

河鋼集團自身專注于輕量化材料和工藝的技術研發，并與客戶合作進一步探索輕量化建筑的解決方案。

圖片來源:河鋼集團官網

熊表示，車身輕量化需要綜合考慮材料重量和生產過程的單位碳排放強度。目前汽車車身的輕量化材料有高強度鋼、鋁、鎂、碳纖維等。汽車鋼鐵聯盟的數據顯示，從碳排放單位強度來看，高強度鋼只有鋁、鎂、碳纖維的20%、10.5%、5%。乘以典型零件的不同重量值，高強度鋼制成的零件的溫室氣體排放總量比其他材料更具環保優勢。

宏觀上，高強度鋼可以順應雙碳和車身輕量化的大趨勢。從企業角度來看，河鋼集團有進一步打造低碳材料的潛力和戰略。熊劉孜介紹，2020年，中鋼協發布了“控碳-減碳-凈零碳”三步走的技術路徑:第一步，嚴控產能，減少產量，實現總量控制。第二步，節能增效，調整結構，替代能源降碳。第三步，發展氫冶金和碳捕集技術，借助碳匯實現“凈零碳”，助力汽車輕量化和“零碳”發展。

圖片來源:鶴崗材料技術研究所熊

河鋼集團積極響應行業號召，制定了企業綠色發展“6+2”戰略:依托兩大碳數據管理平臺，深化六大碳減排技術路徑。具體來說，第一條是“鐵資源優化”的路徑，第二條是“流程優化重構”的路徑。具體措施包括提高所有廢鋼電爐流程的比例，優化接口；三是“系統能效提升”路徑，四是“能源結構優化”路徑，五是“低碳技術改造”路徑，具體措施有氫氣冶金和CCUS技術應用；六是“產業協同減碳”的路徑，具體措施是發展森林碳匯、綠色建材和城市一體化。

圖片來源:鶴崗材料技術研究所熊

熊著重介紹了河鋼集團“低碳技改”和“流程優化改造”的具體實施方法。河鋼集團在生鋼生產上主要采用兩種技術路徑:氫基豎爐生鋼和廢鋼回收。熊劉孜介紹，河鋼集團在提純氫氣的過程中，利用風能和光能電解水產生清潔能源，從而為汽車鋼注入綠色元素。

而且通過提高廢鋼回收在整個煉鋼過程中的比例，多項措施并行，碳含量可降低20%以上。熊表示，2022年8月，河鋼集團與寶馬簽署MOU戰略合作，寶馬將成為河鋼綠色低碳鋼的第一家客戶。“十五”末，河鋼集團預計將有380萬噸氫基豎爐直接壓減鐵產能。

此外，河鋼集團還致力于發展碳減排技術，包括二氧化碳捕獲和存儲技術，利用碳匯減少碳排放，從而在2050年實現碳中和的目標。

綠色鋼材如何以輕量化和安全性為理念進入市場？

在綠色發展的戰略下，河鋼集團的綠色鋼鐵不僅需要材料的環保性作為主要競爭點，在強度、可靠性、輕量化技術等方面也有很多亮點，因為汽車的第一定位仍然是載人工具。

與鋁、鎂合金、碳纖維等材料相比，鋼材在強度、彈性模量等安全性能上具有明顯優勢。熊劉孜介紹，鋼材強度一旦超過1500MPa，在比強度和比含膜量上的優勢差距也會顯現，有助于塑造安全可靠的車身結構。

除了強度，河鋼集團通過提高材料的延展性，優化結構和傳力路徑，打造輕量化、高韌性、高吸能的產品。熊舉例，河鋼集團的鋼材強度從2005年的340MPa提高到目前的2000MPa，980MPa高強度鋼的最大成型可以達到22%。這些指標的直觀反映就是在碰撞場景中，鋼材的剛性和壓碎性能都有明顯的提高。

工藝輕量化方面，河鋼集團的主要工藝是冷成型和熱成型。

熱成型鋼是指鋼板經過AC3點以上的高溫加熱后成型，然后快速冷卻，全面提高了鋼板的強度。用這種方法處理的鋼叫做熱成型鋼。一般熱成型鋼的強度在1000MPa以上，每平方厘米能承受10噸以上的壓力，而河鋼集團的熱成型鋼強度在2000MPa左右。冷成型是指金屬在室溫下的塑性變形，屬于成型工藝。

將冷成型和熱成型相結合，河鋼集團高強度鋼成型技術向高強度鋼成型和提高成型效率兩個方向發展，先后推動了冷沖壓、冷彎成型、熱沖壓、激光拼焊、一體化熱成型和一體化冷成型的發展，提高了成型效率，降低了制造成本。

冷彎圖片來源:熊，鶴崗材料技術研究所

熊介紹，R&D與生產平臺并行，河鋼集團致力于滿足客戶對優質鋼材的定制化需求，以高技術標準覆蓋生產全過程，打造純凈鋼冶煉平臺、優質熱軋生產線平臺、國內首條高氫水淬高強鋼生產線。

在高強度鋼的應用方面，河鋼集團取得了一定的成績:截至目前，河鋼集團推廣的高強度汽車板產品涵蓋熱軋酸洗板、冷軋板、熱浸鍍鋅鋼板五大產品類別……鍍鋅板、鋅鋁鎂鍍層板和鋁硅鍍層板，包括含磷鋁鎮靜鋼、IF鋼、BH鋼、HSLA鋼、擴孔鋼、DP/DH鋼、TRIP鋼、MS鋼和熱成型鋼。p鋼擁有10多個產品系列，100多個品牌，實現了強度等級和產品規格的全覆蓋。

區分了車身不同部位的應用:為滿足汽車外板輕量化要求，河鋼集團開發了140-340MPa等級的全系列烘烤硬化鋼產品(BH)，技術上可實現6個月的長時效；為滿足汽車結構件和安全件的輕量化要求，河鋼集團引進的高強度低合金鋼(HSLA)包括260-500MPa等級的冷軋和熱鍍鋅產品，組織均勻，屈強比高。為了滿足座椅等高端零部件的需求，河鋼集團還開發了550-1000MPa級HSLA。

圖片來源:鶴崗材料技術研究所熊

拓寬優質市場河鋼集團進入快速發展時期。

高質量帶來高需求。熊劉孜表示，2021年，河鋼集團不斷優化產品結構，汽車板產銷量達到660多萬噸。隨著鋼鐵產品技術和服務的并行發展，河鋼集團迎來了新的技術和服務升級期。

2015年以前，河鋼集團二手車主要供應商。目前，河鋼集團業務領域已拓展至乘用車，應用車型和場景增多，從傳統車型向新能源車型轉變；高端用戶增多，從自主品牌到合資、外資品牌。

為了應對這些變化帶來的挑戰，河鋼集團從外板輕量化解決方案、碰撞(正面碰撞和側面碰撞)、激光拼焊解決方案、座椅解決方案四個方向為主機廠提供高專業、高覆蓋的產品和技術服務。

以側撞解決方案為例，河鋼集團將1.5GPa至2GPa高塑性熱成型鋼應用于車門防撞梁，結合W型截面設計，在零件層面滿足了高速性能和氫致開裂性能的要求，實現了新能源汽車的高側撞安全性能，達到了輕量化的效果。

w形截面圖片來源:熊，鶴崗材料技術研究所

正如熊所說:“今天的鋼鐵匯集了現代社會最活躍的創新元素。”深耕技術創新是河鋼集團與時俱進的最重要因素，以低碳制造、高強度、高塑性、輕量化等元素賦能鋼鐵材料，幫助傳統材料煥發新的活力，進入可持續發展，即深耕未來。

(以上內容根據2022年8月23日，在由加索爾主辦的第二屆Gasol 2022中國車身大會上，河鋼材料技術研究院總工程師熊博士發表的《河鋼集團汽車輕量化產品及應用解決方案》主題演講進行理解和整理。)

標簽：寶馬現代

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