项目来源“80-120Kg级工程机械用焊接高强钢的研发与生产工艺控制研究”来源于北京科技大学与莱芜钢铁有限公司的合作。
项目背景
工程机械行业是机械工业的重要组成部分。目前工程机械行业的产品按照原国家“十五”规划分为18大类、288个系列，近5000个规格型号，主要包括挖掘机械、铲土运输机械、工程起重机械、矿山机械、叉车及工业车辆、混凝土机械、桩工机械、路面机械、压实机械、凿岩机械、气动工具、装修机械、市政与环卫机械、铁路线路机械、钢筋和预应力机械、电梯与扶梯、专用零部件等。其中挖掘机械、铲土运输机械、混凝土机械和叉车是四大主力产品。
工程机械产品广泛应用于国民经济各部门，其中主要有交通运输(公路、铁路、港口、机场)、能源(石油、煤炭、电站、管线等)、原材料(钢铁、有色金属、建筑材料、化工原料等矿山的开采)、农用水利(江河治理、林业、调水工程等)、城乡建设及国防建设六大领域。
工程机械全行业每年用钢量在450万t左右，其中装载机用钢量最大，在140万t左右，其次是挖掘机、电梯、塔吊等，材质以16Mn板材最多，其余各种级别的低碳合金高强板也有不少使用，另外还有少量工程机械专用耐磨材料，如铲刃、履带板、驱动轮等用钢。调查表明，6-14mm厚度高强机械用钢年需求总量为50000-60000吨，目前只有20000吨的生产能力，缺口较大。
目前，国内工程机械用高强度钢的常用较高级别为80Kg、100Kg级，常用规格为16mm、20mm、25mm和30mm，作为煤机、挖掘机等的液压支架使用，鉴于工程机械行业的特殊性，钢材强度指标要求越来越高，目前煤机行业已经大量使用70Kg(680MPa)和80Kg(780MPa)级别及以上钢材，而且是优先选用屈强比合理的热处理产品，市场需求极为旺盛，但是由于国内钢厂的生产能力不强，产品不同程度地存在表面质量差、成型时易开裂等问题，所以这些级别的钢材有相当一部分依赖进口。工程机械行业对70Kg和80Kg级常用高强钢的用量较大，年需求量约为40余万吨，但具有批量供货能力且产品质量稳定的企业较少，因而缺口较大。
工程机械用钢板基本上有两大类一是焊接高强度钢板，二是高硬度高耐磨损板。 对钢材的要求除一般的强度、钢度、焊接性能等外，还应具有耐磨性、耐冲击性、耐疲劳性能、低温韧性、耐腐蚀性。
机械制造业焊接结构用钢占用钢量45%左右，焊接高强度钢用于工程机械的主要结构，承受复杂多变的周期载荷，因此要求钢材具有高的屈服强度和疲劳极限，良好冲击韧性、冷成形性和优良的焊接性能。随着工程机械向大型化和轻型化方向发展，又要求节省能源和延长寿命，所以要求钢材更高的强度级别，板厚由6mm至50mm，甚至达200mm，强度由400MPa至1200MPa，使用状态包括热轧、正火、调质、时效等不同类型。
因为材料的磨损每年使全世界的钢材丧失达2000万吨以上，所以目前各国都十分重视低合金耐磨损钢的开发。高硬度高耐磨钢主要用于工程机械的耐磨部件，如装载机的斗板，翻斗车的衬底板、挖掘机的铲齿，要求钢材的表面硬度有HB235~600的不同级别，所以这类钢往往是以淬火+回火调质状态交付使用，并按实际使用硬度和板厚来选择钢种和牌号。
在钢的生产技术方面，前一类在包括强度的同时，要提高韧性，为此要以较低碳含量和焊接碳当量，着眼于钢的合金化和热处理工艺;后一类不讲究高的焊接性，注重钢的固溶强化机制和硬质析出相的晶体结构类型及在钢中的弥散分布。
国外工程机械用钢发展比较早，已形成了一系列的成熟产品。如日本的Wel-ten系列，美国的HY，HSLA系列，瑞典SSAB的WELDOX、HARDOX系列高硬度，高强度耐磨钢板系列等。当前世界范围内，仅有瑞典SSAB公司可批量稳定生产的110kg产品的规格范围在4～100mm，具有世界领先水平，尤其是该公司生产12mm及以下薄规格高强度板的知名度远胜于德国迪林根和日本的一些著名钢铁企业。国内研发高强钢的企业一般都把其公司标准作为各自的研发标准。
目前新日铁大分、新日铁君津、浦项3#厚板厂均全部使用新型立式连铸机的最大铸坯厚度达到400mm，名古屋厚板厂预留了生产600mm厚度板坯的能力，坯料单重均在35t以上。而我国高强钢连铸板坯厚度多为180~330mm，单重受限，轧制压缩比不高，加上热处理工艺较为复杂，特别是调质用钢的生产更加困难，所以我国生产所有需求规格的高强钢目前尚有困难。
国内工程机械用钢开发和生产比较晚，国内以前以Q235和16Mn为主，其他强度级别的需要进口，现各大钢铁企业也在研制低合金高强度钢，目前600MPa级以上工程机械用中厚板的生产企业主要有舞钢、鞍钢、济钢、浦钢、武钢、南钢等企业，由于舞钢、鞍钢是老牌的高强用钢生产厂家，产品质量、性能较好，市场占有率较高，但交货周期较长;济钢、武钢、浦钢为后起之秀。目前国内80kg及以上的工程机械研发和生产都存在一定的问题。
山推和徐工需求情况
(1)目前山推使用的最高级别工程机械用钢是100kg工程机械用钢，在出口产品铲斗的铲刃部位使用，在国内销售的产品铲斗的铲刃部位使用80kg工程机械用钢。开始山推在济钢和鞍钢采购100kg工程机械用钢，后来因为表面质量问题，以及加工后钢板强度下降幅度大，目前山推使用的100kg工程机械用钢是通过合资股东小松在日本采购，使用量每年在1000-2000吨左右。80Kg年用量6000吨左右。
(2)目前徐工使用的最高级别工程机械用钢为110kg工程机械用钢，主要在大型起重机的末端吊臂上使用，主要从瑞典采购，使用情况良好，板形、厚度公差、力学性能、表面质量都能满足要求，每年110kg工程机械用钢使用量在4000～5000吨左右。80Kg年用量1～2万吨。
(3)东岳重工每年需求60kg、70kg及以上级工程机械用钢年分别在3000~4000吨和4000~6000吨，其厚度在4~18mm之间，宽度1.25m以上。
技术特点在4300mm宽厚板生产线条件下，通过低成本的成分系统设计结合现场工艺配置，采用TMCP后以速率升温、短时保温、冷速水冷的离线快速淬火和回火热处理工艺，生产出10~100mm的Q690D(80Kg)钢板;采用常规轧制/TMCP轧制+在线淬火/离线淬火+高温回火的生产工艺开发出低成本、性能优异，厚度16-40mm的Q890D(100Kg)高强度钢板;采用TMCP+离线淬火+低温回火的生产工艺开发出低成本、厚度16-40mm的Q960D(110Kg)和Q1030D(120Kg)超高强工程机械用钢板。
申请专利及获奖情况
申请《一种屈服强度690MPa级低合金高强钢的热处理工艺》
申请《屈服强度960MPa以上超高强度钢板及其制造方法》
鉴定山东省科技厅主持鉴定，成果总体达到国际先进水平
应用行业及领域工程机械制造
经济效益及市场分析
上述不同强度级别的工程机械用钢实现了不同厚度规格的批量、稳定化生产，从2010年末到2012年上半年，批量生产的高强度工程机械用钢(Q690D(80Kg)/Q890D(100Kg)/Q960D(110Kg))分别已应用到郑州煤机和山东矿机的液压支架，用户反映实际使用效果良好。
技术前景机械制造业对高级别、高质量等级工程机械用钢的需求日益强烈。随着国内钢结构产业、工程机械、矿山机械等行业蓬勃发展，高强度钢板的需求量大大增加。国内只有舞阳、武钢、鞍山、济钢等少数钢铁公司能批量生产70kg级高强钢，造成高强钢市场资源紧缺。随着工程机械的大型化、轻量化，工程机械用钢的强度级别也逐渐提高，由50kg、60kg级发展到100kg、110kg级，并且高强度钢的用量也将越来越大。
