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王國棟院士：我們如何打造“超級鋼”？
發(fā)布日期：2020-04-24
王國棟院士
鋼鐵是目前全球應用范圍最廣的金屬材料，高端、特種鋼材則是鋼鐵材料中的明珠。在當今各國鋼鐵競爭中，已不僅僅是總產量，還有產品結構，尤其是高端特種鋼材的生產水平和能力。而在這個方面，恰恰是我們國家亟待補齊的一塊短板。飛機起落架、高速列車車軸、軸承等抗疲勞高強鋼，核電站用耐高溫、抗輻射的不銹耐熱鋼管等特種鋼材，都曾長期依賴進口。幾年前，我們的圓珠筆筆頭都要依賴進口的現(xiàn)實，至今讓許多人記憶猶新。
經過40多年的艱苦奮斗，1996年我國粗鋼年產量歷史性地突破1億噸，躍居世界第一。之后20多年，一直雄踞全球首位。然而，作為鋼鐵生產大國，我們卻遇到了低端供給過剩和高端供給不足的雙重尷尬與困擾。尤其是2008年國際金融危機之后，全球鋼鐵長期處于產能過剩狀態(tài)，給我們帶來巨大壓力。如今，我國進入新時代，新目標要求經濟向高質量發(fā)展轉型，去產能，鋼鐵首當其沖，仿佛一夜之間鋼鐵成了落后材料的代名詞。作為昔日的材料霸主之一，鋼鐵究竟還有沒有發(fā)展的空間和潛力？在產能過剩、生態(tài)環(huán)境壓力不斷加大的今天，中國鋼鐵產業(yè)的綠色轉型之路究竟在哪里？要實現(xiàn)我國鋼鐵工業(yè)以結構優(yōu)化和質量升級為標志的再次騰飛，必須以科技創(chuàng)新為抓手，全力推進中高端鋼鐵材料的研發(fā)，打造我們自己的“超級鋼”。在這條路上，我們究竟取得哪些成就？今后怎樣繼續(xù)突破？CCTV-2《中國經濟大講堂》特邀中國工程院院士王國棟，為您深度解析——《我們如何打造“超級鋼”？》
王國棟，中國工程院院士，東北大學教授、鋼鐵軋制技術領域國際知名專家。1966年從東北工學院畢業(yè)后，王國棟進入鞍鋼，在生產一線度過了難忘的10年，與鋼鐵材料結下了一生的不解之緣。1978年10月，研究生畢業(yè)之后，王國棟回到東北工學院任教。此后30多年，他全身心投入我國橋梁鋼、管線鋼、高層建筑用鋼，以及航母等大國重器用的高端鋼材技術研發(fā)，矢志使我國的鋼鐵工業(yè)早日擺脫被“卡脖子”的狀態(tài)。由他領銜的東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，承擔我國超級鋼的研究和開發(fā)科研項目，在耐低溫、耐高壓、耐腐蝕、耐沖擊、耐疲勞等高強、特種鋼材研發(fā)上，不斷取得重大突破。其科研成果曾榮獲國家科學進步一等獎和二等獎，被業(yè)界譽為不老的“鋼鐵俠”。
1996年的時候，我們的鋼產量達到了1億噸，登上了全球第一的寶座。到了2018年，我們的鋼產量就達到了9億噸。什么意思呢？就是我們中國一個國家的鋼產量，比全世界所有其他國家的鋼產量的總和還要多。比如說我們的高鐵、汽車、建筑、橋梁，我們的大國重器都少不了鋼鐵。我們可以生產幾乎百分之百的鋼材的品種、規(guī)格。2006年的時候。我們通過出口，成為了鋼鐵凈出口國。這個發(fā)展的過程，實際上給我們國家的經濟建設、國防的發(fā)展和人民生活提高都帶來了非常重大的影響。
我們設想，如果沒有我們今天這9億噸鋼，我們能不能有35000公里的高鐵呢？能不能有我們14萬公里的高速公路呢？能不能有我們6000公里的軌道交通呢？我們的長江上還能不能有100多座大橋呢？我們還能不能有每年2800萬輛~2900萬輛汽車的產量？鋼鐵在這里起了非常大的作用，它涉及到我們的國計民生、國防安全。
現(xiàn)在我們政策上的限產能是限制什么呢？是限制落后產能，把它關閉了，或者改造成為先進的產能，而對優(yōu)良的產能我們還要扶持它。我們的政策是不鼓勵大家去追求數量、追求規(guī)模，因為現(xiàn)在我們是要高質量發(fā)展。高質量發(fā)展的話就是要把東西做得好，然后同樣數量的東西我們賺錢、有利潤。做企業(yè)不賺錢不行，要把效益、利潤、質量等等做上去，這才是我們真正地發(fā)展了我們的鋼鐵工業(yè)。
好鋼是如何煉成的？
鋼鐵是怎么煉成的？首先要有鐵礦石和煤，然后把鐵礦石和煤通過焦化和燒結的環(huán)節(jié)，變成燒結礦和焦炭；然后在高爐里邊進行化學反應，變成鐵水；鐵水出來以后，經過轉爐的冶煉、吹氧、去碳、降碳，使碳達到一定的程度；再經過精煉，把成分進行調整，變成了鋼；鋼水又經過連鑄以后變成鋼坯；鋼坯又經過熱軋變成熱軋產品；熱軋產品又經過冷軋，變成冷軋產品。這時候我們就得到各種各樣的鋼材，比如型材、 板材、管材等等。
在這個過程中，我們要抓住一些鋼鐵重要的性能來進行調整，通過我們的加工過程來提高鋼材的性能，這就是我們所說的控軋控冷技術。
鋼材的控軋控冷技術，是指在軋制過程中通過控制加熱溫度、軋制過程、冷卻條件等工藝參數，改善鋼材的強度、韌性、焊接性能。而鋼鐵軋制就是通過施加一定的壓力，使鋼錠、鋼坯在旋轉的軋輥間改變形狀和性能。在鋼鐵生產技術中，軋制控制是使粗鋼變成高精度、高性能、高效益的鋼鐵產品的一個關鍵工藝。王國棟院士數十年潛心于我國鋼鐵軋制技術的研發(fā)和攻關，通過軋制與冷卻過程來控制、改善鋼材的性能。
我們改變各種各樣的軋制條件就會改變鋼的性能，可以在很大的范圍里調整鋼材性能。我們如果能夠把這個條件控制好，比如它的變形程度、溫度等等，我們就會得到非常好、性能非常優(yōu)異的材料。
如何調整溫度？用水來調整最好。多加點水，一冷卻，溫度就變化了；多澆水，它就冷卻得快，少澆水就冷卻慢。所以在鋼材的發(fā)展過程中，就出現(xiàn)了叫做控軋技術，特別是控冷技術。世紀之交的新一代鋼鐵材料的研究中，超級鋼的發(fā)展也采用了控軋控冷技術。
國外在這項技術的發(fā)展過程中，發(fā)現(xiàn)原來的控軋控冷系統(tǒng)有點問題。就是在它冷卻的時候，由于它采用低壓的層流水，導致它的冷卻和傳熱效果都不是特別好，不均勻，所以鋼板就會“翹”，這是一個挺大的問題。另外那時候的冷卻技術，是直接冷卻下來就完了，很少考慮冷卻的方式，是先快冷后慢冷？還是先慢冷后快冷？還是先快冷再慢冷再快冷呢？這種冷卻的模式上的研究，如果和我們的金屬指標、金屬內部的材料的變化結合在一起的話，可以給我們調整材料性能提供一個好的手段。所以在這個時候，在國際上來看，他們又開始研究超快速冷卻的技術
如何打造我們自己的技術明珠？
上世紀七十年代，日本開發(fā)了一個系統(tǒng)，叫做Super OLAC。OLAC就是在線加速冷卻的意思，Super是超級的。這個超級的冷卻系統(tǒng)，它可以實現(xiàn)高冷速，可以非常均勻地冷卻。
當時得到這個消息以后，我們覺得這個東西很重要，我們也得干這個事。然后我們就琢磨這件事，想了解一下這個情況。但是雖然人家介紹了優(yōu)點，介紹了所開發(fā)的鋼材的性能，但是技術并沒有公開。鋼材冷卻的時候會有一個淬火的過程，從攝氏900度到1000度這個溫度，用快速冷卻的辦法，把它冷卻到室溫去。這個過程，我們鋼材最薄的只有8個、10個毫米，它都可以保證鋼板很平，而且效果也非常好。我們正好在那時候搞鋼材熱處理，我們的淬火機，取得了一個突破，做得挺好。淬火機出來了之后，這邊就想我們這個軋機冷卻系統(tǒng)，能不能也搞一個快速冷卻系統(tǒng)？這兩個思想一借鑒，那就行了，不用找外國人了，我們自己想辦法，就設計了這個系統(tǒng)。
我們應該說是幾乎和國外是并行的，但還是稍微慢了一點，屬于跟跑的末期階段。但是我們很快就把這個事做上去了。那么怎么做呢？這里就有一個怎么把我們設計的東西用到現(xiàn)場上去的問題，我們就在找這個機會。
那個時候正好石家莊附近有一個敬業(yè)集團，他們有個3100mm的軋機，我們就在他這塊做了第一套超快冷卻系統(tǒng)，到現(xiàn)在效果還是可以的，因為這東西它板形不愛瓢，就是平，這就很好。
我們就接著把這個技術往鞍鋼的4300mm軋機上應用，還有當時首鋼的一個新引進的4300mm軋機。經過大家的共同努力，也克服了不少現(xiàn)場中出現(xiàn)的問題，出來以后板子非常平。板形這個問題的解決，使我們這個管線的生產不斷提升，X80用于西氣東輸，我們國家現(xiàn)在管線鋼是全世界做得最好的。
一個印度人到南鋼，就看著他們的軋制線，整個軋制線上采用的全是德國SMS西馬克的設備，僅僅控冷這一段，上面是一個RAL的標志，那是我們實驗室的logo。他看著這板子生產這么好，冷卻的效果這么好，他挺奇怪，就問南鋼的同志，這個RAL是什么公司？后來聽說是一個學校里實驗室，他感到很驚奇。所以說，我們是在外國設備林立的地方，鑲上了一顆我們中國人做的明珠。
我們在鋼板的冷卻控制上，是從跟跑，到差不多并跑，然后又開始走向領跑的地位。
另外，企業(yè)里跟我提出，說我們這個系統(tǒng)是和外國公司一塊做的，得和它能兼容。首鋼京唐，就是現(xiàn)在的曹妃甸，后來就找了我們，就是在外國的新引進的設備上給它開了一刀，把我們超快冷設備給它裝上去了，解決了它在熱連軋生產冷卻過程中的問題。
國內好幾家采用這個系統(tǒng)，這個系統(tǒng)都是在和國外的引進設備在一起的，外國人做不到的地方我們做到了。
在新的時期還有一個問題，就是人們的眼光和他們的期望值和10年之前都不一樣了，有很大的變化。他們的期望值很高，他們希望有更好的設備來滿足他們的要求。所以我們必須要“啃一些硬骨頭”，就是人家都解決不了的問題你去做，你才可能有市場。如果要是人家有了，人家自己廠里自己能做了就自己做了。人家不能做呢，可能還可以問外國去，如果外國也沒有的話，那這些東西你要做的話，可能就會是一個很好的一個機會。所以在新的時期里頭，我們就必須開發(fā)更多自主的、原創(chuàng)的、外國沒有的這些東西。
在控冷系統(tǒng)上，我們了解到鋼管的控冷系統(tǒng)國內外不少廠都嘗試過，但是都沒做成。所以鋼管的生產過程，它有兩個依靠：一個是加合金，還有一個就是后邊的熱處理。大家想加合金也好，熱處理也好，都是資源能源的消耗，它不是一個真正的綠色化的技術，如果我們能把控冷做好那就行了。
寶鋼聽到這個消息后來找我們，和我們的同志們一塊兒組成了一個聯(lián)合的研發(fā)團隊。經過3年多的時間，經歷了將近100次的工業(yè)性的實驗，終于把這個系統(tǒng)做出來了。做好以后又對整個的工藝布置重新進行改造，現(xiàn)在這個系統(tǒng)發(fā)揮了很好的作用。
所以我們想，在這種情況下，我們必須要發(fā)揮自主創(chuàng)新的精神，敢啃硬骨頭，敢做別人不敢做的事。
鋼鐵材料研發(fā)，未來什么樣？
我們覺得中國鋼鐵工業(yè)高質量發(fā)展有四個目標：工藝的綠色化、裝備的智能化、產品的高質化、供給的服務化。這是四個方面，分別是工藝、裝備、產品、 供給，其中工藝是龍頭。
1、節(jié)能減排，變廢為寶。
什么是工藝綠色化呢？就是減少排放和污染，保證環(huán)境友好，這是一個方面。另一個方面就是節(jié)省資源和能源，以最低的消耗生產高質量的產品，比如說減少排放和污染。我想咱們鋼鐵工業(yè)雖然現(xiàn)在在這方面還有很多問題，但是我們這行業(yè)的同志們確確實實作了巨大的努力，而且收到了很好的效果。比如河鋼集團旗下的唐鋼，它的生產用水量是很大的。但鋼鐵生產不需要用新水，把我們城市的廢水和我們鋼廠里頭的廢水加在一塊兒處理了以后，再循環(huán)使用，就可以在不增加一滴新水的情況下，生產1000多萬噸鋼。這個做法還獲得了世界鋼協(xié)的可持續(xù)發(fā)展獎。污染還包括廢氣、固廢物，固廢物現(xiàn)在不是廢物了，是寶物了。固廢物加工以后能賺錢，鋼廠還能夠獲利，這都是我們綠色化的結果。再就是要節(jié)省資源和能源，我們的生產過程必須是節(jié)省資源和能源的。
2、建設聰明的生產線。
裝備智能化現(xiàn)在是一個熱門的話題。裝備智能化就是我們要把我們的裝備通過智能化的制造建設，使之變成一個智能的，能夠思考、能夠學習、能自己運行得越來越好的設備。
我們鋼鐵工業(yè)和汽車上智能制造不一樣。汽車上智能制造是一件件往上焊，是單件生產的。我們鋼鐵工業(yè)叫流程工業(yè)，流程工業(yè)都是黑箱，所以要想控制它是很難的。
現(xiàn)有的控制系統(tǒng)中有一個信息物理系統(tǒng)。假如一邊是實體高爐，另一邊是它的一個孿生的或者是叫雙胞胎的數字化的東西。這兩個東西是通過數字化，把高爐里啥樣給描述出來。所以，你得有這個東西才能談得上智能制造，如果沒有這個數字雙胞胎，你想智能制造，沒門兒。
別看我們鋼鐵行業(yè)不起眼，鋼鐵行業(yè)的自動化水平是各個行業(yè)里最高的。比如軋鋼的系統(tǒng)，它是多變量、強耦合、非線性、大滯后，這些控制系統(tǒng)最難的特點，我們軋鋼的系統(tǒng)全有，它的變量上千。而且這些變量是強耦合的，都攪在一塊了，你動這個那個又變了，在這種情況下，你控制很困難。由于它很難，所以鋼鐵的控制系統(tǒng)是最復雜的
我們現(xiàn)在需要多學科結合、學科交叉來做，起碼搞鋼鐵的是煉鐵、煉鋼、連鑄、軋制都要有專家，還得有信息專家、自動控制專家等等。按照任正非的話說，還得有物理學家、數學家和化學家，得有這些人參加，學科交叉。另外，行業(yè)上要協(xié)調協(xié)同，鋼鐵行業(yè)和信息行業(yè)、傳感器行業(yè)都得結合起來。
3、拼質量，從第一到唯一。
中國鋼鐵產品的高質化大致分為兩方面內容：一個是現(xiàn)在大家有的產品，我們要做到通過轉型升級、提質增效，做到世界第一；還有一些就是領跑性的、前沿性的，這些技術全世界還沒有，我們要做到唯一。
做材料研究需要具備三種能力。一個是叫做表征和評價，就是說鋼材來了，你能把它的特點都搞清楚，你能通過觀察顯微鏡或者是各種實驗方法，把它的基本原理給表示出來，這叫表征。這是一個很重要的能力，要是表征不好的話，即便你做出來了，你不知道里邊怎么回事兒也不行。第二個是合成與加工，就是說我們要把材料做出來。第三個能力是計算和建模，這是這些年新發(fā)展起來的。過去材料的工作是講配方，是用顯微鏡看，現(xiàn)在還有一個計算這條路徑。建立模型計算，把這些規(guī)律進行計算，而不是去測量，這個工作也是最近這些年才發(fā)展起來的。國外有材料基因組計劃，有計算材料工程、集成計算材料工程，都是屬于這個方面的內容。從這三個方面來看，我覺得我們現(xiàn)在在合成加工方面還是有點基礎的，還有表征和評價我們也不錯。我們的研究手段，比如說原子探針，還有一些原位觀察的設備，我們國內現(xiàn)在也都有了，而且也有不少好的結果發(fā)表出來，這也不錯。相對來說，最薄弱的就是計算和建模。所以說，這三個面一衡量，我們將來要抓住建模和計算，要抓住前沿。我們要做這個事就得想辦法吸引人才。我們學校引進了一個年輕人，今年38歲，他是易紅亮教授，他在研究汽車用鋼的熱沖壓過程。這個熱沖壓過程是相對于冷沖壓過程的問題發(fā)展起來的。我們現(xiàn)在主要做先進高強鋼，強度都是在700兆帕以上，要達到800兆帕、900兆帕、1000兆帕這么高的強度，所以成形很困難，對裝備模具的要求也非常高，質量也很難控制。為了解決這個問題，人家想出一個創(chuàng)新性的熱沖壓，把它加熱到八、九百攝氏度進行沖壓，成形非常好，還沒有回彈，這多省勁。全世界的鋼廠，還有汽車廠都在做這個事。我們易老師通過和汽車廠的結合，通過和鋼廠的結合，開發(fā)了一個2000兆帕的熱沖壓鋼。它不但強度提上去了，而且塑性仍然沒下降。所以它和本鋼合作做出來的2000兆帕的熱沖壓鋼，在北汽新能源進行了上車試驗，效果也是非常好的。
還有一個例子，就是低溫壓力容器用鋼，要求在攝氏零下196度的時候，還有很好的塑性。這個是國家的“十三五”重點項目，一共18個單位一起協(xié)同創(chuàng)新，大伙兒一塊兒來做。我們現(xiàn)在做出了兩類：一類是屬于做陸基的LNG液化天然氣的儲存罐，還有一個是船用運輸的LNG的儲存罐。原來做這個罐子都是用9鎳(9Ni)鋼，在這個過程中，我們思考能不能把這個9鎳（9Ni）的用量想辦法降下來，因為鎳很貴。這么高的鎳含量的話，造價就上去了?，F(xiàn)在就采用了微量鉻和微量鉬代替鎳，同時采取了新的熱處理工藝，最后做出來這個鋼是6.5鎳(6.5Ni)，降了2.5的鎳，這是一個非常大的進步。
那么，如果是做運輸液化天然氣的船，LNG的儲物罐還需要有一個特殊的性能——耐熱疲勞。液化天燃氣的液化溫度是攝氏零下162℃，在這個溫度下，裝船的時候能把液化天然氣灌進去。到了地方，你還得把液化天然氣倒出來，這個罐的溫度又上來了。所以它是一個周期性循環(huán)的這么一個加載、裝載 、熱循環(huán)的過程，這里頭就有一種高錳鋼，它有這個性能。這個工作也取得了很大的進展。
另外還有一個鋼也是我們急需的，就是海洋平臺用的高強鋼。因為海洋環(huán)境非常惡劣，它對強度要求是非常苛刻的，同時又是在深水里頭，越來越深，負荷也就越來越大。這種鋼過去都是加好多的鎳、鉬等等這些元素，提高它的性能?，F(xiàn)在我們也是在這個過程中開發(fā)了一種高錳的鋼，這個鋼加5%左右的錳，很好地改善這個材料的性能。這樣的話，它的造價就比之前每噸可以節(jié)省4000塊錢成本這些東西都是我們經過探索，提出創(chuàng)新的思想，通過對材料方面的研究，解決了我們國家的重大需求，實現(xiàn)高質量、低成本，給生產帶來了效益。
4、以需求為導向，一切為客戶服務。
第四個方面，供給服務化。我們現(xiàn)在提出供給側結構性改革，推動高質量發(fā)展，這方面企業(yè)做了很多的工作。河鋼集團在智能制造方面是非?；钴S的，在供給側結構性改革方面也確確實實是做得不錯的。它有兩個工作是很有意義的，一個是什么呢？海爾是家電方面的巨頭，河鋼和海爾就先建立一個家電用鋼的實驗室，通過這個實驗室來檢測我們的材料，提出性能要求，指出我們的不足，這個實驗室取得了很好的效果。后來它就干脆點，把海爾的部門70%的股權買下來，讓河鋼的同志真正地進到海爾的產業(yè)鏈去。這樣的話只要有需求，你提出來我們給你做，我們做的你不滿意，咱們倆一塊兒找毛病，找完毛病以后一塊改，改完再做。這使得我們的服務工作能服務到用戶的心坎上去，非常貼心。這樣用戶滿意了，同時河鋼的家電用鋼產品也取得了非常大的進步，它后來又成立一個創(chuàng)新中心，也是這個過程。
現(xiàn)在河鋼覆膜的家電板占全國50%以上，彩涂板占全國的30%以上，在全國家電板行業(yè)是領先的單位。所以說，這種鋼廠供給側和用戶需求側的緊密結合，甚至是融合，融為一體，為技術提高帶來巨大的活力，使我們的技術進步有更大提高。
最后想說幾句話。鋼鐵工業(yè)200多年歷史了，到今天來說不是夕陽工業(yè)，歷久彌新，還正在朝陽。只要創(chuàng)新，鋼鐵工業(yè)永遠是朝陽工業(yè)。因為社會在發(fā)展，需求在不斷提出來，鋼鐵的潛力通過新的技術的開發(fā)會不斷地提升。創(chuàng)新任重道遠，歷史的重任落在我們中國人的身上，責無旁貸。因為現(xiàn)在我們占著全世界二分之一還要多的鋼鐵產量，我們中國人把這事做好，就是勇于擔當與挑戰(zhàn)、勇于創(chuàng)新，留下中國人的鋼鐵印記，進入到世界領先的鋼鐵行業(yè)集群?！。▉碓矗阂苯鹩嬃颗c信息化）
