热成形钢市场需求增长，不同生产线特点及优缺点分析

热成型钢作为高性价比的轻量化车身制造材料，市场需求日益增长，在车身中的应用比例逐年提升，零件类型及相应模具的设计风格也日趋多样化。对于热成型生产系统而言，除了满足生产产量外，还需要具有广泛的产品适应性和较高的生产柔性。

对于计划引进热成形生产线的零部件生产厂家来说，最关心的就是了解不同生产线的特点和差异，并根据产能规划、零部件类型选择适合自己需求的生产系统。本文从多个角度对热成形零部件生产领域两大主流生产系统的优缺点进行分析和总结，希望能够为计划引进热成形生产系统设备的厂家提供参考。

生产线投资规模

国内热成形行业发展初期，即2000年至2010年，部分零部件生产厂家基于对汽车轻量化材料发展趋势的前瞻性预测，引进热成形生产线系统并投入量产。由于该类生产线的核心工艺设备辊底式加热炉只有少数国外厂家能够提供，国内当时尚无相应的热处理设备供应商，因此初期进口的辊底式炉生产线价格昂贵、系统复杂、生产线规模较大，如图1左图所示。

随着时间的推移和行业的发展，这一局面逐渐被打破，市场上出现了以箱式炉为主的热成型生产线系统，如图1右图所示。相对于辊底炉生产线动辄数千万元的投资，箱式炉生产线投资额小，结构简单，占地面积小，大大降低了企业的引进门槛，能够满足中小型零部件企业的生产需求。

图1 辊底炉生产线及箱式炉生产线

产线区域

辊底炉生产线除了投资额高外，占地面积也比箱式炉生产线大，通常一台标准辊底炉长度约40m，整合自动化上下料系统及压合设备后，整条生产线长度通常可达50至60m。

与辊底炉生产线相比，配备两台箱式炉的热成型生产线占地面积减少50%以上，相当于在一条辊底炉生产线的面积上安装两条箱式炉生产线，如图2所示。

图2 辊底炉生产线与箱式炉生产线尺寸对比

因此对于制造企业来说，箱式炉生产系统对场地面积的要求较低，设备引进的限制较少。

加热炉结构

辊底炉炉体内部采用大量耐高温陶瓷辊子，通过链轮、链条连接传动，带动辊子连续运转。板材放置在辊子上，辊子旋转运转，带动板材在加热炉内缓慢运行、加热。辊子之间保持一定的距离（一般节距为110mm左右），当一根辊子发生故障时，整条线需要停机检修。同时辊底炉对辊子的产品一致性和装配要求较高，以保证板材在炉内运行的直线度。辊底炉示意图如上图3所示。

相对于辊底炉中辊子的运动结构，箱式炉炉内支撑金属板加热的结构是固定的。因此，金属板送入炉内后，在整个加热周期内都是静止的。因此，其结构简单，生产稳定，故障率低。箱式炉示意图如下图3所示。

图3 辊底炉与箱式炉炉体结构示意图

生产费用和维护费用

电力消费支出

在热成型生产过程中，加热用电能消耗占生产费用的主要部分。电能除了用于加热板材外，不可避免的还要消耗在炉内元件吸收的热量上。用热量计算公式进行分析：

式中Q为吸收的热量（J）；c为比热容[J/(kg·℃)]；m为物体的质量（kg）；Δt为温度变化量（℃）。

从上面的公式我们可以知道加热炉所消耗的热量和被加热物体的质量成正比，通常炉子尺寸越大，内部元件越多，吸热物体的质量越大，理论上耗电量就越大。

辊底炉炉膛长、尺寸大，一般辊底炉功率可达1500～2000kW；箱式炉炉膛尺寸可根据板材尺寸设计，有效避免过多的冗余加热面积，炉内元件少，受热物体质量小，相应的耗电量也小。

同时，为了进一步优化箱式炉炉膛尺寸，设计开发了板材变间距技术，将板材间距压缩后送入加热炉加热，出炉后恢复间距，将板材放入模具内，如图4所示。这样可以进一步优化加热炉炉膛面积，使加热能量得到更有效的利用。一般7层箱式炉的功率只有500-600kW。

图4 板料变间距示意图

维护成本

目前热成型生产中主流钢板为铝硅涂层钢板，涂层在加热过程中，涂层中的铝元素会析出，导致辊底炉中支撑、传送板料的陶瓷辊表面产生结核状污染，污染物的累积会造成辊面不平整，影响钢板在炉内加热时的直线度，因此需要定期更换，导致后期使用成本较高。

对于多层箱式加热炉，由于炉内结构固定，热成型钢板在加热过程中始终保持静止，因此其表面的铝硅涂层不会对炉内支撑造成污染，炉内支撑钢板的部件基本免维护，大大降低了长期连续生产的成本支出。

生产的连续性和灵活性

生产场景

辊底炉的结构是不同温区串联排列，当某个温区发生故障，比如需要更换辊子或者上述提到的其他问题，整条线就会停工，必须立即修复，整条线才能恢复。

相对于辊底炉的串联温区布置，箱式炉为并联温区类型；当某一加热层发生故障时，可以暂时屏蔽故障炉层，开启备用炉层，保证生产的连续性。然后按照计划停车时间停车，进行集中维护。这样不仅大大保证了生产工作的连续性，而且避免了因故障暂时停车，造成产能不足，影响整体生产计划。

线路停止场景

一般生产企业除计划停电外，还可能遇到电力系统检修、现场停电等突发停电情况。辊底炉必须配备附加发电机系统，以保证炉内所有辊筒连续旋转，否则辊筒会成批损坏。箱式加热炉由于炉内为固定结构，即使突然停电也不会对加热炉本体造成损坏，因此也省去了附加发电机系统。

产品适应性

腔体组合

热成形行业发展初期，只有A柱、B柱、防撞钢梁等少数车身关键零部件采用热成形工艺制造。随着汽车轻量化进程的推进，越来越多的车身结构件采用热成形钢材料制造，其尺寸形状也多种多样。为了提高冲压产量，节省模具制造成本，模具制造商通常将多个零件集成到一副模具中。模具型腔数量可以是一腔、两腔、三腔、四腔或多腔，模具型腔的排列组合根据零件尺寸形状设计为一排多列，甚至多排多列。辊底炉生产线系统由于其辊道传动和打磨定心设备特性，只适合生产一排一列或一排多列的零件或零件组合，如图5(a)所示。 而箱式炉生产线则不存在这样的限制，可以生产的零件组合类型更多，灵活性更高，可以满足图5(b)所示零件组合的生产需求。

图5 腔体排列组合示意图

纸张尺寸

一般辊底炉长度在40米以上，辊径为60mm，节距为110mm左右，一台加热炉的辊子数量达400多根，对辊子制造的一致性、安装精度提出了很高的要求。同时，对于较小的板材，一方面由于辊子节距的关系，可能会陷入辊隙中或造成运行不稳定。另一方面，由于小板重量轻、惯性小，辊子的平行度、表面平整度稍有误差就会引起小板运行的偏差，无法在炉内稳定直线运动。因为箱式炉的炉体结构是固定的，加热过程中即使是小板也不会移动，所以不存在这个问题。

片材类型

为了使热成型件不同区域获得差异化的工艺性能，许多热成型钢板采用补片板的制作工艺，即通过点焊工艺在基板的局部区域增加补片板，以增加此区域的局部强度；由于基板与补片板的厚度和面积存在差异，导致该类板材在加热过程中产生变形速度不一致，板材因此而发生翘曲；若采用辊底炉生产，板材在加热过程中通常会发生变形翘曲，造成操作卡死或“跑偏”，造成生产中断；在箱式炉生产中，虽然在加热过程中也会发生翘曲，但由于加热过程处于静止状态，板材达到目标温度后会恢复平整，因此不会对生产过程造成影响。

生产节奏

辊底炉热成型生产线的长度决定了产量，根据生产的部件不同，生产节拍通常在3~5SPM，若以平均节拍4SPM、每班10小时计算，理论班次产量可达2400冲次。

箱式炉的生产节拍与加热层数有关，通常配备两台8层箱式炉的生产线，生产节拍为2~3SPM，以平均节拍2.5SPM、10小时班次计算，理论班次产量为1500冲次。

对于规模大、产量需求高的大型零部件生产企业来说，辊底炉生产线能够很好的匹配其产能需求。而箱式加热炉具有投资门槛低、占地面积小、故障率低等特点，更能满足中小批量零部件生产企业的需求；同时，箱式加热炉广泛的产品适应性和较高的生产灵活性也更加符合车身制造行业未来产品类型多样化、快速更新迭代的发展趋势。

温度控制

辊底炉炉膛容积较大，特别是长度较大，由于进料口、出料口只有一个，生产过程中板料进出炉时，在​​炉口处散失的热量很少，炉温容易保持稳定。

箱式炉的炉室在高度方向上呈叠放状，体积小，布置紧凑。每个炉室均设有装卸物料的炉口。炉室温度受上下板的影响相对较大。因此，在每次炉门开闭循环后，温控系统必须及时自动调节加热功率，以补偿炉门开闭造成的热量损失。

对热成型设备未来发展的几点思考

随着新能源汽车的快速发展，各类车型层出不穷，推出和迭代周期越来越短，汽车产品朝着多样化、快速更新的方向发展，热成型钢作为性价比高的车身轻量化材料，将面临更加复杂、多样化的生产需求。以下是未来热成型件生产体系优化发展的一些思考，可供参考：

简化硬件配置，提高设备可靠性

根据日本发那科公司提出的产品开发三原则，产品可靠性是第一要务。作为生产系统设备，热成型线的可靠性和稳定性永远是第一要务，配置更多的自动化功能只是锦上添花。在满足稳定生产的前提下，精简不必要的硬件配置，可以减少故障点，增加生产系统的实用性和可靠性，有效降低设备的投资成本。

减少非生产性停机时间

热成型生产线加热炉的炉体工作温度在950℃左右，不能随时开机使用，也不能随时停机；炉内任何维修、更换部件都必须等到炉子停机冷却后才能进行。通常炉子至少需要2~3天才能冷却下来。再加上维修、重新加热等操作，停机时间长达一周以上。对于企业来说，这意味着非常宝贵的生产时间的损失，同时也对产能造成压力。

因此，在现有的辊底炉、箱式炉等加热炉解决方案基础上，需考虑将炉内的易损件及加热丝等需定期更换的耗材设计为在不降温的情况下进行维修更换，开发应用模块化加热元件，优化炉内易损件及耗材的布局等，避免停机维修，提高设备利用率，为企业赢得宝贵的生产时间。

降低生产能耗

热成形件在使用过程中可以减轻重量、提高车身结构强度、减少排放。但热成形件生产过程能耗较高。由于需要将板材加热至奥氏体化，目前的加热炉主要采用热辐射加热。与“电阻加热”、“感应加热”、“直接传导加热”等加热方式相比，热辐射加热耗时较长（200至300秒），能耗较大，加热效率较低（12℃/秒），不符合未来节能环保的发展需求。

因此探索研究新一代板料加热技术，缩短加热时间（10～60秒）、降低能耗、提高加热效率（200～300℃/s）并应用于工程应用，是未来热成形行业可持续发展的重要方向。

板材性能定制

目前变强度零件制造主要通过不等厚轧制、激光焊接、增设补片板等方式改变材料厚度实现。未来随着车身设计的不断优化，如何实现基体上不同区域工艺性能的精准定制将成为热成形生产系统研发的重要研究课题。

一体化零部件生产

随着车身零部件集成化程度的提高，零部件数量也在逐渐减少，例如由原有的A柱、B柱、A柱下加强板、门槛等零部件组成的门环零部件，已经进行了集成化，减少了零部件的焊接工序，降低了成本，减轻了车身重量，提高了刚性。预计这样的零部件集成化技术也将成为未来车身发展的重要方向。作为热成型系统设备制造商，如何实现此类产品的量产，并不断降低生产成本，是需要前瞻性思考的问题。

总结

本文对两种主流的热成型生产系统进行了分析比较。辊底炉生产线投资大、生产能力高，适合规模化生产的大型零件生产企业；而箱式炉生产线投资门槛低、占地面积小、灵活性高、零件适应性强、使用成本低，更能满足产品种类繁多的中小型零件生产企业的需求。总之，辊底炉和箱式炉将各展所长、取长补短、共存发展，在热成型零件制造领域发挥作用。

未来随着车身制造不断向轻量化、节能环保、可持续发展方向发展，相信作为制造装备的热成型生产系统也将与时俱进，新的加热技术、先进的装备技术也将不断涌现、更新迭代，推动行业的可持续发展。