王国栋院士

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。在当今各国钢铁竞争中,已不仅仅是总产量,还有产品结构,尤其是高端特种钢材的生产水平和能力。而在这个方面,恰恰是我们国家亟待补齐的一块短板。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,我们的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40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,我国进入新时代,新目标要求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哪里?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,打造我们自己的“超级钢”。在这条路上,我们究竟取得哪些成就?今后怎样继续突破?CCTV-2《中国经济大讲堂》特邀中国工程院院士王国栋,为您深度解析——《我们如何打造“超级钢”?》

王国栋,中国工程院院士,东北大学教授、钢铁轧制技术领域国际知名专家。1966年从东北工学院毕业后,王国栋进入鞍钢,在生产一线度过了难忘的10年,与钢铁材料结下了一生的不解之缘。1978年10月,研究生毕业之后,王国栋回到东北工学院任教。此后30多年,他全身心投入我国桥梁钢、管线钢、高层建筑用钢,以及航母等大国重器用的高端钢材技术研发,矢志使我国的钢铁工业早日摆脱被“卡脖子”的状态。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。其科研成果曾荣获国家科学进步一等奖和二等奖,被业界誉为不老的“钢铁侠”。

1996年的时候,我们的钢产量达到了1亿吨,登上了全球第一的宝座。到了2018年,我们的钢产量就达到了9亿吨。什么意思呢?就是我们中国一个国家的钢产量,比全世界所有其他国家的钢产量的总和还要多。比如说我们的高铁、汽车、建筑、桥梁,我们的大国重器都少不了钢铁。我们可以生产几乎百分之百的钢材的品种、规格。2006年的时候。我们通过出口,成为了钢铁净出口国。这个发展的过程,实际上给我们国家的经济建设、国防的发展和人民生活提高都带来了非常重大的影响。

我们设想,如果没有我们今天这9亿吨钢,我们能不能有35000公里的高铁呢?能不能有我们14万公里的高速公路呢?能不能有我们6000公里的轨道交通呢?我们的长江上还能不能有100多座大桥呢?我们还能不能有每年2800万辆~2900万辆汽车的产量?钢铁在这里起了非常大的作用,它涉及到我们的国计民生、国防安全。

现在我们政策上的限产能是限制什么呢?是限制落后产能,把它关闭了,或者改造成为先进的产能,而对优良的产能我们还要扶持它。我们的政策是不鼓励大家去追求数量、追求规模,因为现在我们是要高质量发展。高质量发展的话就是要把东西做得好,然后同样数量的东西我们赚钱、有利润。做企业不赚钱不行,要把效益、利润、质量等等做上去,这才是我们真正地发展了我们的钢铁工业。

好钢是如何炼成的?

上海11选5钢铁是怎么炼成的?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;再经过精炼,把成分进行调整,变成了钢;钢水又经过连铸以后变成钢坯;钢坯又经过热轧变成热轧产品;热轧产品又经过冷轧,变成冷轧产品。这时候我们就得到各种各样的钢材,比如型材、 板材、管材等等。

在这个过程中,我们要抓住一些钢铁重要的性能来进行调整,通过我们的加工过程来提高钢材的性能,这就是我们所说的控轧控冷技术。

上海11选5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、高效益的钢铁产品的一个关键工艺。王国栋院士数十年潜心于我国钢铁轧制技术的研发和攻关,通过轧制与冷却过程来控制、改善钢材的性能。

我们改变各种各样的轧制条件就会改变钢的性能,可以在很大的范围里调整钢材性能。我们如果能够把这个条件控制好,比如它的变形程度、温度等等,我们就会得到非常好、性能非常优异的材料。

如何调整温度?用水来调整最好。多加点水,一冷却,温度就变化了;多浇水,它就冷却得快,少浇水就冷却慢。所以在钢材的发展过程中,就出现了叫做控轧技术,特别是控冷技术。世纪之交的新一代钢铁材料的研究中,超级钢的发展也采用了控轧控冷技术。

国外在这项技术的发展过程中,发现原来的控轧控冷系统有点问题。就是在它冷却的时候,由于它采用低压的层流水,导致它的冷却和传热效果都不是特别好,不均匀,所以钢板就会“翘”,这是一个挺大的问题。另外那时候的冷却技术,是直接冷却下来就完了,很少考虑冷却的方式,是先快冷后慢冷?还是先慢冷后快冷?还是先快冷再慢冷再快冷呢?这种冷却的模式上的研究,如果和我们的金属指标、金属内部的材料的变化结合在一起的话,可以给我们调整材料性能提供一个好的手段。所以在这个时候,在国际上来看,他们又开始研究超快速冷却的技术

如何打造我们自己的技术明珠?

上海11选5上世纪七十年代,日本开发了一个系统,叫做Super OLAC。OLAC就是在线加速冷却的意思,Super是超级的。这个超级的冷却系统,它可以实现高冷速,可以非常均匀地冷却。

当时得到这个消息以后,我们觉得这个东西很重要,我们也得干这个事。然后我们就琢磨这件事,想了解一下这个情况。但是虽然人家介绍了优点,介绍了所开发的钢材的性能,但是技术并没有公开。钢材冷却的时候会有一个淬火的过程,从摄氏900度到1000度这个温度,用快速冷却的办法,把它冷却到室温去。这个过程,我们钢材最薄的只有8个、10个毫米,它都可以保证钢板很平,而且效果也非常好。我们正好在那时候搞钢材热处理,我们的淬火机,取得了一个突破,做得挺好。淬火机出来了之后,这边就想我们这个轧机冷却系统,能不能也搞一个快速冷却系统?这两个思想一借鉴,那就行了,不用找外国人了,我们自己想办法,就设计了这个系统。

我们应该说是几乎和国外是并行的,但还是稍微慢了一点,属于跟跑的末期阶段。但是我们很快就把这个事做上去了。那么怎么做呢?这里就有一个怎么把我们设计的东西用到现场上去的问题,我们就在找这个机会。

上海11选5那个时候正好石家庄附近有一个敬业集团,他们有个3100mm的轧机,我们就在他这块做了第一套超快冷却系统,到现在效果还是可以的,因为这东西它板形不爱瓢,就是平,这就很好。

我们就接着把这个技术往鞍钢的4300mm轧机上应用,还有当时首钢的一个新引进的4300mm轧机。经过大家的共同努力,也克服了不少现场中出现的问题,出来以后板子非常平。板形这个问题的解决,使我们这个管线的生产不断提升,X80用于西气东输,我们国家现在管线钢是全世界做得最好的。

一个印度人到南钢,就看着他们的轧制线,整个轧制线上采用的全是德国SMS西马克的设备,仅仅控冷这一段,上面是一个RAL的标志,那是我们实验室的logo。他看着这板子生产这么好,冷却的效果这么好,他挺奇怪,就问南钢的同志,这个RAL是什么公司?后来听说是一个学校里实验室,他感到很惊奇。所以说,我们是在外国设备林立的地方,镶上了一颗我们中国人做的明珠。

我们在钢板的冷却控制上,是从跟跑,到差不多并跑,然后又开始走向领跑的地位。

另外,企业里跟我提出,说我们这个系统是和外国公司一块做的,得和它能兼容。首钢京唐,就是现在的曹妃甸,后来就找了我们,就是在外国的新引进的设备上给它开了一刀,把我们超快冷设备给它装上去了,解决了它在热连轧生产冷却过程中的问题。

上海11选5国内好几家采用这个系统,这个系统都是在和国外的引进设备在一起的,外国人做不到的地方我们做到了。

在新的时期还有一个问题,就是人们的眼光和他们的期望值和10年之前都不一样了,有很大的变化。他们的期望值很高,他们希望有更好的设备来满足他们的要求。所以我们必须要“啃一些硬骨头”,就是人家都解决不了的问题你去做,你才可能有市场。如果要是人家有了,人家自己厂里自己能做了就自己做了。人家不能做呢,可能还可以问外国去,如果外国也没有的话,那这些东西你要做的话,可能就会是一个很好的一个机会。所以在新的时期里头,我们就必须开发更多自主的、原创的、外国没有的这些东西。

在控冷系统上,我们了解到钢管的控冷系统国内外不少厂都尝试过,但是都没做成。所以钢管的生产过程,它有两个依靠:一个是加合金,还有一个就是后边的热处理。大家想加合金也好,热处理也好,都是资源能源的消耗,它不是一个真正的绿色化的技术,如果我们能把控冷做好那就行了。

宝钢听到这个消息后来找我们,和我们的同志们一块儿组成了一个联合的研发团队。经过3年多的时间,经历了将近100次的工业性的实验,终于把这个系统做出来了。做好以后又对整个的工艺布置重新进行改造,现在这个系统发挥了很好的作用。

所以我们想,在这种情况下,我们必须要发挥自主创新的精神,敢啃硬骨头,敢做别人不敢做的事。

钢铁材料研发,未来什么样?

我们觉得中国钢铁工业高质量发展有四个目标:工艺的绿色化、装备的智能化、产品的高质化、供给的服务化。这是四个方面,分别是工艺、装备、产品、 供给,其中工艺是龙头。

1、节能减排,变废为宝。

什么是工艺绿色化呢?就是减少排放和污染,保证环境友好,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。我想咱们钢铁工业虽然现在在这方面还有很多问题,但是我们这行业的同志们确确实实作了巨大的努力,而且收到了很好的效果。比如河钢集团旗下的唐钢,它的生产用水量是很大的。但钢铁生产不需要用新水,把我们城市的废水和我们钢厂里头的废水加在一块儿处理了以后,再循环使用,就可以在不增加一滴新水的情况下,生产1000多万吨钢。这个做法还获得了世界钢协的可持续发展奖。污染还包括废气、固废物,固废物现在不是废物了,是宝物了。固废物加工以后能赚钱,钢厂还能够获利,这都是我们绿色化的结果。再就是要节省资源和能源,我们的生产过程必须是节省资源和能源的。

2、建设聪明的生产线。

装备智能化现在是一个热门的话题。装备智能化就是我们要把我们的装备通过智能化的制造建设,使之变成一个智能的,能够思考、能够学习、能自己运行得越来越好的设备。

我们钢铁工业和汽车上智能制造不一样。汽车上智能制造是一件件往上焊,是单件生产的。我们钢铁工业叫流程工业,流程工业都是黑箱,所以要想控制它是很难的。

现有的控制系统中有一个信息物理系统。假如一边是实体高炉,另一边是它的一个孪生的或者是叫双胞胎的数字化的东西。这两个东西是通过数字化,把高炉里啥样给描述出来。所以,你得有这个东西才能谈得上智能制造,如果没有这个数字双胞胎,你想智能制造,没门儿。

上海11选5别看我们钢铁行业不起眼,钢铁行业的自动化水平是各个行业里最高的。比如轧钢的系统,它是多变量、强耦合、非线性、大滞后,这些控制系统最难的特点,我们轧钢的系统全有,它的变量上千。而且这些变量是强耦合的,都搅在一块了,你动这个那个又变了,在这种情况下,你控制很困难。由于它很难,所以钢铁的控制系统是最复杂的

我们现在需要多学科结合、学科交叉来做,起码搞钢铁的是炼铁、炼钢、连铸、轧制都要有专家,还得有信息专家、自动控制专家等等。按照任正非的话说,还得有物理学家、数学家和化学家,得有这些人参加,学科交叉。另外,行业上要协调协同,钢铁行业和信息行业、传感器行业都得结合起来。

3、拼质量,从第一到唯一。

中国钢铁产品的高质化大致分为两方面内容:一个是现在大家有的产品,我们要做到通过转型升级、提质增效,做到世界第一;还有一些就是领跑性的、前沿性的,这些技术全世界还没有,我们要做到唯一。

做材料研究需要具备三种能力。一个是叫做表征和评价,就是说钢材来了,你能把它的特点都搞清楚,你能通过观察显微镜或者是各种实验方法,把它的基本原理给表示出来,这叫表征。这是一个很重要的能力,要是表征不好的话,即便你做出来了,你不知道里边怎么回事儿也不行。第二个是合成与加工,就是说我们要把材料做出来。第三个能力是计算和建模,这是这些年新发展起来的。过去材料的工作是讲配方,是用显微镜看,现在还有一个计算这条路径。建立模型计算,把这些规律进行计算,而不是去测量,这个工作也是最近这些年才发展起来的。国外有材料基因组计划,有计算材料工程、集成计算材料工程,都是属于这个方面的内容。从这三个方面来看,我觉得我们现在在合成加工方面还是有点基础的,还有表征和评价我们也不错。我们的研究手段,比如说原子探针,还有一些原位观察的设备,我们国内现在也都有了,而且也有不少好的结果发表出来,这也不错。相对来说,最薄弱的就是计算和建模。所以说,这三个面一衡量,我们将来要抓住建模和计算,要抓住前沿。我们要做这个事就得想办法吸引人才。我们学校引进了一个年轻人,今年38岁,他是易红亮教授,他在研究汽车用钢的热冲压过程。这个热冲压过程是相对于冷冲压过程的问题发展起来的。我们现在主要做先进高强钢,强度都是在700兆帕以上,要达到800兆帕、900兆帕、1000兆帕这么高的强度,所以成形很困难,对装备模具的要求也非常高,质量也很难控制。为了解决这个问题,人家想出一个创新性的热冲压,把它加热到八、九百摄氏度进行冲压,成形非常好,还没有回弹,这多省劲。全世界的钢厂,还有汽车厂都在做这个事。我们易老师通过和汽车厂的结合,通过和钢厂的结合,开发了一个2000兆帕的热冲压钢。它不但强度提上去了,而且塑性仍然没下降。所以它和本钢合作做出来的2000兆帕的热冲压钢,在北汽新能源进行了上车试验,效果也是非常好的。

还有一个例子,就是低温压力容器用钢,要求在摄氏零下196度的时候,还有很好的塑性。这个是国家的“十三五”重点项目,一共18个单位一起协同创新,大伙儿一块儿来做。我们现在做出了两类:一类是属于做陆基的LNG液化天然气的储存罐,还有一个是船用运输的LNG的储存罐。原来做这个罐子都是用9镍(9Ni)钢,在这个过程中,我们思考能不能把这个9镍(9Ni)的用量想办法降下来,因为镍很贵。这么高的镍含量的话,造价就上去了。现在就采用了微量铬和微量钼代替镍,同时采取了新的热处理工艺,最后做出来这个钢是6。5镍(6。5Ni),降了2。5的镍,这是一个非常大的进步。

那么,如果是做运输液化天然气的船,LNG的储物罐还需要有一个特殊的性能——耐热疲劳。液化天燃气的液化温度是摄氏零下162℃,在这个温度下,装船的时候能把液化天然气灌进去。到了地方,你还得把液化天然气倒出来,这个罐的温度又上来了。所以它是一个周期性循环的这么一个加载、装载 、热循环的过程,这里头就有一种高锰钢,它有这个性能。这个工作也取得了很大的进展。

上海11选5另外还有一个钢也是我们急需的,就是海洋平台用的高强钢。因为海洋环境非常恶劣,它对强度要求是非常苛刻的,同时又是在深水里头,越来越深,负荷也就越来越大。这种钢过去都是加好多的镍、钼等等这些元素,提高它的性能。现在我们也是在这个过程中开发了一种高锰的钢,这个钢加5%左右的锰,很好地改善这个材料的性能。这样的话,它的造价就比之前每吨可以节省4000块钱成本这些东西都是我们经过探索,提出创新的思想,通过对材料方面的研究,解决了我们国家的重大需求,实现高质量、低成本,给生产带来了效益。

4、以需求为导向,一切为客户服务。

第四个方面,供给服务化。我们现在提出供给侧结构性改革,推动高质量发展,这方面企业做了很多的工作。河钢集团在智能制造方面是非常活跃的,在供给侧结构性改革方面也确确实实是做得不错的。它有两个工作是很有意义的,一个是什么呢?海尔是家电方面的巨头,河钢和海尔就先建立一个家电用钢的实验室,通过这个实验室来检测我们的材料,提出性能要求,指出我们的不足,这个实验室取得了很好的效果。后来它就干脆点,把海尔的部门70%的股权买下来,让河钢的同志真正地进到海尔的产业链去。这样的话只要有需求,你提出来我们给你做,我们做的你不满意,咱们俩一块儿找毛病,找完毛病以后一块改,改完再做。这使得我们的服务工作能服务到用户的心坎上去,非常贴心。这样用户满意了,同时河钢的家电用钢产品也取得了非常大的进步,它后来又成立一个创新中心,也是这个过程。

现在河钢覆膜的家电板占全国50%以上,彩涂板占全国的30%以上,在全国家电板行业是领先的单位。所以说,这种钢厂供给侧和用户需求侧的紧密结合,甚至是融合,融为一体,为技术提高带来巨大的活力,使我们的技术进步有更大提高。

最后想说几句话。钢铁工业200多年历史了,到今天来说不是夕阳工业,历久弥新,还正在朝阳。只要创新,钢铁工业永远是朝阳工业。因为社会在发展,需求在不断提出来,钢铁的潜力通过新的技术的开发会不断地提升。创新任重道远,历史的重任落在我们中国人的身上,责无旁贷。因为现在我们占着全世界二分之一还要多的钢铁产量,我们中国人把这事做好,就是勇于担当与挑战、勇于创新,留下中国人的钢铁印记,进入到世界领先的钢铁行业集群。 (来源:冶金计量与信息化)