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王国栋院士:打造我国自己的“超级钢”

发布时间:2023/01/09

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王国栋,中国工程院院士,东北大学教授。长期以来从事钢铁材料轧制理论、工艺、自动化等领域的应用基础和工程技术的研究,先后主持和完成多项国家重大基础研究规划项目(973)、高技术项目(863)、攻关项目、自然科学基金重大项目等。由他领衔的东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,承担我国超级钢的研究和开发科研项目,在耐低温、耐高压、耐腐蚀、耐冲击、耐疲劳等高强、特种钢材研发上,不断取得重大突破。他曾获国家科技进步奖一等奖2项,国家技术发明奖二等奖1项。

钢铁是目前全球应用范围最广的金属材料,高端、特种钢材则是钢铁材料中的明珠。在当今各国钢铁工业的竞争中,已不仅仅是总产量的竞争,还有产品结构,尤其是高端特种钢材的生产水平和能力的角逐。而在这方面,恰恰是我国亟待补齐的一块短板。在我国,飞机起落架、高速列车车轴、轴承等抗疲劳高强钢,核电站用耐高温、抗辐射的不锈耐热钢管等特种钢材,都曾长期依赖进口。几年前,我国圆珠笔笔头都要依赖进口的现实,至今让许多人记忆犹新。

经过多年的艰苦奋斗,1996年我国粗钢年产量历史性地突破1亿吨,跃居世界第一。之后20多年,一直雄踞全球首位。然而,作为钢铁生产大国,我们却遇到了低端供给过剩和高端供给不足的双重尴尬与困扰。尤其是2008年国际金融危机之后,全球钢铁长期处于产能过剩状态,给我们带来巨大压力。如今,经济向高质量发展转型,去产能,钢铁首当其冲,仿佛一夜之间钢铁成了落后材料的代名词。作为昔日的材料霸主之一,钢铁究竟还有没有发展的空间和潜力?在产能过剩、生态环境压力不断加大的今天,中国钢铁产业的绿色转型之路究竟在何方?要实现我国钢铁工业以结构优化和质量升级为标志的再次腾飞,必须以科技创新为抓手,全力推进中高端钢铁材料的研发,打造我国自己的“超级钢”。

好钢是如何炼成的

2018年,我国的钢产量就达到了9亿吨。中国的钢产量,比世界上其他国家钢产量的总和还要多,高铁、汽车、建筑、桥梁,这些大国重器都少不了钢铁的“身影”。中国可以生产几乎所有品种、规格的钢材,到2006年成为钢铁净出口国。这个发展过程,给我国的经济建设、国防事业和人民生活提高都带来了非常重大的影响。

钢铁是怎样炼成的?首先要有铁矿石和煤,然后把铁矿石和煤通过焦化和烧结的环节,变成烧结矿和焦炭,然后在高炉里边进行化学反应,变成铁水;铁水出来以后,经过转炉的冶炼、吹氧、去碳、降碳,使碳达到一定的程度,然后经过精炼,把成分进行调整,变成钢水;钢水又经过连铸以后变成钢坯,钢坯经过热轧变成热轧产品;热轧产品再经过冷轧,变成冷轧产品。这时候就得到了各种各样的钢材,比如型材、板材、管材等等。在这个过程中,要抓住一些钢铁重要性能来进行调整,通过加工过程来提高钢材的性能,这就是控轧控冷技术。

钢材的控轧控冷技术,是指在轧制过程中通过控制加热温度、轧制过程、冷却条件等工艺参数,改善钢材的强度、韧性、焊接性能。而钢铁轧制就是通过施加一定的压力,使钢锭、钢坯在旋转的轧辊间改变形状和性能。在钢铁生产技术中,轧制控制是使粗钢变成高精度、高性能、高效益钢铁产品的一个关键工艺。

我国钢铁轧制技术的研发和攻关,主要通过轧制与冷却过程来控制、改善钢材的性能。改变各种各样的轧制条件,就会改变钢的性能。如果能够把轧制条件控制好,就会得到性能优异的材料。世纪之交新一代钢铁材料的研究中,超级钢的发展也是采用了控轧控冷技术。国外在发展过程中,发现原来的控轧控冷系统有点问题。这种冷却模式上的研究,如果和金属指标、金属内部材料的变化结合在一起,可以给调整材料性能提供一个好手段。所以,国际上又开始研究超快速冷却。

钢铁材料研发的未来

自从工业革命爆发后,钢铁生产从作坊生产进入工业化大生产,在此后很长一段时间,钢铁工业需要大量劳动力,高耗能、高污染让钢铁企业在人们心中渐渐蒙上了一层灰暗的色彩。二战以后,科学技术的发展不断给传统的钢铁工业赋能,如今以智能化为代表的第四次工业革命,更是给人们带来了无限遐想。在材料突破上,2018年,我所在的东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,在国际上率先研发出2000MPa级汽车用热冲压用高强钢;在液化天然气低温容器用钢上,世界上普遍采用的材料是9Ni(镍)钢,在保证钢材性能的前提下,实验室与企业合作,用5Ni钢做出了9Ni钢的性能,大幅节约了成本。在生产工艺上,研发出薄带连铸、无头轧制等新流程、新工艺,正在向企业转化,可应用于多个重要钢种的生产。

日本新日铁等诸多国际先进钢铁企业都把生产自动化、降低能耗、提高人均产钢量和生产高附加值的“超级钢”作为未来的发展方向,而这同样是我国钢铁工业走向高质量发展的必由之路。

中国钢铁工业高质量发展有四个目标:工艺绿色化、装备智能化、产品高质化、供给服务化。这四个方面分别是工艺、装备、产品、 供给,其中工艺是龙头。

工艺绿色化就是减少排放和污染,环境友好,这是一个方面;另一个方面就是节省资源和能源,以最低的消耗生产高质量的产品。比如说减少排放和污染,现在钢铁工业在这方面还有很多问题,但是整个行业确实作出了巨大努力,而且收到了很好的效果。钢铁生产用水量是很大的,现在中国有的钢铁企业可以做到生产不需要用新水,就把城市的废水和钢厂里的废水加在一块儿处理以后,再循环使用,在不增加一滴新水的情况下,生产1000多万吨钢,得到了世界钢铁协会的可持续发展奖。生产过程必须是节省资源和能源的,才能够降低生产成本。

装备智能化。装备智能化现在是一个热门话题,就是要通过智能化建设,让装备能自己运行得越来越好。钢铁工业是流程工业,它的控制系统是非常复杂的,涉及多学科的结合和交叉,需要炼铁、炼钢、连铸、轧制专家和信息专家、自动控制专家一起参与。另外行业上也要协调协同,钢铁行业和信息行业以及传感器领域得结合起来。我们的实验室在智能化方面也做了一些工作,已经申请到国家“十三五”规划的重大项目,和企业一起配合完成。

产品高质化。产品的高质化包括两方面:一是现有产品要通过转型升级、提质增效,做到世界第一;二是领跑性、前沿性的技术要做到世界唯一。做材料研究需要三种能力,第一种是表征和评价,第二种是合成与加工,第三种是计算和建模。国内现在相对来说最薄弱的就是计算和建模,我们将来要抓住计算和建模这个前沿。

供给服务化。有些企业在智能制造方面是非常活跃的,在供给侧结构性改革方面确实做得不错。科研中有这样不好的倾向,那就是不从实践中寻找问题,而是从国外文献中找。这不是不可以,但这都已经是二手的问题。这些已经被研究的问题,是否符合我们的需求,是不是我们具体能碰到的问题呢?无论做哪个方面的研究,都离不开实践,离不开与企业的合作。我们的科学研究要面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康,就一定要深入到企业和实践中,否则就是无源之水、无本之木。从企业一线发现问题,再筛选出关键共性问题,上升到理论研究,然后和企业结合转化到生产实践中,科研成果必然会为企业欢迎,转化自然不是问题。供给侧和用户需求侧这种紧密的结合,甚至是融合,融为一体,为技术提高带来巨大的活力,使技术进步有更大提高。

钢铁工业已经有200多年历史了,到今天来说不是夕阳工业,还正在朝阳。只要持续创新,钢铁工业永远是朝阳工业,因为社会在发展,需求在不断被提出来,钢铁的潜力通过新的技术开发会不断地提升。创新任重道远,历史的重任落在中国人的身上,我们责无旁贷。现在中国占全世界二分之一以上的钢铁产量,中国人要把这件事做好,勇于担当、敢于挑战、善于创新,在世界钢铁工业历史上留下中国人的印记。(学习时报)

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