實驗室里的“鋼鐵俠”
——記2020年度國家科學技術進步獎二等獎項目“鋼材熱軋過程氧化行為控制技術開發及應用”

蔡巧玉

隨著新中國70多年的發展，我國鋼鐵工業已經成為最具全球競爭力的產業，連續多年鋼材產量近10億噸/年。鋼材作為用量最大的金屬材料，一直以來都是海洋、交通、能源等行業的支柱性原材料。盡管中國已經是鋼鐵大國，但卻并非一個鋼鐵強國，怎樣才能實現從鋼鐵大國向鋼鐵強國的轉變？東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室副主任劉振宇給出了答案，他說：“創新鋼鐵工藝，開發鋼鐵新產品，推進智能制造，提高品種質量，為中國成為鋼鐵強國奠定扎實的基礎，才能支撐起中國鋼鐵的脊梁。”

如今，劉振宇和團隊經過艱難攻關，完成了“鋼材熱軋過程氧化行為控制技術開發及應用”這一項目的研發，全面實現了鋼鐵熱軋技術的國產化，榮獲2020年度國家科學技術進步獎二等獎。

潛心鉆研

劉振宇團隊

2003年，劉振宇從日本北海道大學回國，回到了自己的母校——東北大學，從事鋼鐵材料高溫性能方面的研究。2005年，國家按照最新的環保要求，拆除了原有的大梁板生產線，從日本進口了全套的新生產線，結果發現日本的大梁板生產線已無酸洗工序。為解決這一問題，國內主要鋼鐵企業紛紛開始研發免酸洗技術。劉振宇抓住了和鞍鋼集團有限公司合作的機會，用了一年多的時間，率先開發了“免酸洗熱軋鋼板生產技術”，使我國大型汽車企業擺脫了對進口汽車大梁板的依賴，“其各項指標可以達到日本的免酸洗鋼水平”。

開發“免酸洗熱軋鋼生產技術”是劉振宇和團隊對鋼材熱軋過程氧化行為控制技術開發和應用的第一步，他們摸索出了一些經驗。與此同時，劉振宇還開發了易酸洗熱軋鋼生產技術。鋼材氧化皮厚度由約12μm降低至5μm～8μm，Fe2O3含量由原始的20%降低至2%以下，酸洗效率提高20%以上，噸鋼用酸量下降15%以上，酸洗后表面質量明顯提高。高強酸洗板表面缺陷率由項目實施前的2.7%降低至0.6%以下，滿足了寶馬等汽車企業及海爾等家電企業的嚴格要求，完全替代了國外同類產品。2008年，劉振宇及其團隊榮獲中國冶金科學技術獎一等獎。2009年易酸洗熱軋鋼鐵技術被《中國冶金報》評為冶金行業節能減排標志性技術。

困難中尋突破

2008年以后，隨著我國的鋼材高強化趨勢發展越來越快，逐漸從510MPa級向610MPa級發展，鋼材成型技術也從沖壓成型向輥壓成型發展，“這個時候按照日本標準來控制氧化鐵皮，就不太適用了”。

為此，劉振宇帶領團隊做了大量的基礎研究工作，特別研究了軋制過程當中高強鋼的化學成分對氧化行為的影響，發現這是一個“變形+氣氛+溫度”多因素耦合的問題。在此基礎上，劉振宇從實際熱軋生產工況出發，建立熱軋過程氧化皮厚度、結構演變模型。最終，團隊開發出適用于熱軋環境的FeO相變動力學精準控制技術，可以生產出400～800MPa級免酸洗鋼，冷加工氧化皮掉粉量由100mg/dm2降至3mg/dm2。

這個技術有多難呢？2015年，美國車橋制造國際控股有限公司向全世界招標800MPa級別的高強鋼用于制作車橋，并且要求車橋成型以后，每平方分米氧化皮掉粉量不能超過10mg。“這是非常苛刻的要求，日本的新日鐵公司沒敢接，歐洲的鋼鐵公司也沒敢接。”最后由馬鞍山鋼鐵股份有限公司（簡稱“馬鋼”）接下了合同，他們與劉振宇的團隊合作，在2016年成功生產出了超高強度級別免酸洗鋼，每平方分米氧化皮掉粉量在3mg以下。“比美國車橋公司的要求還低了很多，所以馬鋼基本上壟斷了車橋最高強度級別的這種原材料供應，一年的穩定供貨量大概是15000噸。”

解決超高強度級別免酸洗鋼的生產技術問題，是劉振宇和團隊對鋼材熱軋過程氧化行為控制技術開發和應用的第二步，但劉振宇并沒有滿足于此。他深知我國的鋼材表面質量一直與歐美國家差距較大，鋼材往往有起粉、花斑、色差等嚴重的表面缺陷，嚴重破壞了鋼材的動態承載能力及使用壽命等服役性能，制約著我國鋼材向高端制造深入的腳步。

“我國生產的中厚板有個特點，性能方面基本上沒有什么太大問題，但產品的表面質量比較差，很難進入國際的高端市場。”劉振宇通過調研發現，表面質量問題70%以上是由于熱軋生產中氧化控制不當造成的。因此，如果能控制好熱軋過程的氧化行為，就能在最大限度上解決鋼材的表面質量問題。

“這個事一開始沒什么人重視，覺得表面質量可以通過修磨解決。”劉振宇告訴記者，國際的標準是禁止局部修磨，一次成型。因為如果局部產生缺陷，鋼板的使用壽命要降低30%以上，換言之，就是禁止表面產生任何缺陷。

“我們做了大量的工作，但理論基礎是相通的，都是多因素耦合的熱軋過程氧化行為研究。”在這個基礎上，劉振宇開發出高表面質量中厚板的生產技術。以唐山鋼鐵集團公司（簡稱“唐鋼”）為例，在技術攻關之前，唐鋼生產的中厚板供應給日本高端工程機械制造企業，是會被百分之百退貨的。劉振宇和團隊在經過技術攻關之后，使高表面質量中厚板的生產技術在杭鋼實現了工業化，“比如說小松機械、神戶制鋼，他們一年的工程機械用鋼基本上90%是從唐鋼訂貨，基本形成了完全的專供產品”。劉振宇自豪地說，現在企業生產的中厚板全部都能滿足國家重大工程的需求。

握手大數據

工信部在《產業關鍵共性技術發展指南（2017年）》中，明確強調了要加強鋼鐵流程大數據時空追蹤同步和大數據深度挖掘分析，以實現鋼鐵材料智能化設計、產品定制化制造、鋼材組織性能預測、鋼種歸并和鋼鐵全流程工藝參數協調優化控制等目標。

劉振宇和團隊積極響應，他們與寶鋼梅山公司、鞍鋼等企業通力合作，深入開展基于熱軋板帶鋼工業大數據預處理技術的研究，從實際熱軋生產工況出發，建立熱軋過程氧化皮厚度、結構演變模型；基于大數據驅動，將機器學習和智能優化理論應用于模型參數的動態優化，實現高精度模型開發，并構建熱軋氧化智能控制系統，開發出了以組織性能預測與優化為核心的鋼鐵智能化制造技術，有效解決了當前鋼鐵企業規模化生產和用戶個性化需求之間的矛盾。

但是剛開始推廣鋼鐵智能化制造技術時，很多鋼鐵企業的技術人員對此并不信任，為此河鋼集團有限公司為劉振宇的團隊組織了一次軋卡實驗。實驗耗費25噸鋼材，價值40萬元。結果顯示，檢測到的氧化皮厚度和人工智能系統預測的結果完全吻合。至此，鋼鐵智能化制造技術非常順利地在各大鋼鐵企業應用落地，實現了系列鋼種氧化皮厚度減薄15%以上的標準化控制，現場一次性調試成功并批量供貨。“有了這個技術，我們就可以在控制氧化行為的過程當中，按照用戶的需求，來反向優化制定相應的軋制工藝。”劉振宇開發的鋼鐵智能化制造技術，不僅在國內得到廣泛應用，而且出口至其他國家，達到國際領先水平。這也是劉振宇和團隊對鋼材熱軋過程氧化行為控制技術開發和應用的第三步。

截至目前，劉振宇和團隊開發出的具有完全自主知識產權的成套控制技術，已經應用于鞍鋼、河鋼、太鋼、寶武、馬鋼、漣鋼等19家鋼鐵企業，包括熱連軋、中薄板坯連鑄連軋、薄板坯連鑄連軋、中厚板高速線材等45條產線。鋼材氧化行為智能控制系統成功應用于韓國現代制鐵2#熱連軋生產線，實現了氧化行為的動態跟蹤與最優控制。作為熱軋領域的共性技術，該技術可推廣至不同熱軋產線，每年可覆蓋產能5億噸以上，具有良好推廣應用前景。

15年來，劉振宇專注做一件事，研究鋼鐵材料質量控制技術，帶領團隊不斷創新，解決了許多鋼鐵行業面臨的瓶頸問題，先后獲得國家科學技術進步獎二等獎2項，省部級一等獎9項、二等獎6項，獲發明專利40余項，發表論文300余篇。

未來，劉振宇將與團隊一起繼續搏擊在鋼鐵產業關鍵性技術發展的浪潮中，發揮自己最大的力量，為我國向鋼鐵強國轉變交出一份讓人滿意的成績單。