打造我國自己的“超級鋼”

文 王國棟

鋼鐵是目前全球應(yīng)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(dāng)今各國鋼鐵工業(yè)的競爭中，已不僅僅是總產(chǎn)量的競爭，還有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，尤其是高端特種鋼材的生產(chǎn)水平和能力的角逐。而這方面恰恰是我國亟待補(bǔ)齊的一塊短板。在我國，飛機(jī)起落架、高速列車車軸、軸承等抗疲勞高強(qiáng)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(jìn)口。幾年前，我國圓珠筆筆頭都要依賴進(jìn)口的現(xiàn)實(shí)，至今讓許多人記憶猶新。

經(jīng)過多年的艱苦奮斗，1996年我國粗鋼年產(chǎn)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(chǎn)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(jī)之后，全球鋼鐵長期處于產(chǎn)能過剩狀態(tài)，給我們帶來巨大壓力。如今，經(jīng)濟(jì)向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型。去產(chǎn)能，鋼鐵首當(dāng)其沖，仿佛一夜之間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(chǎn)能過剩、生態(tài)環(huán)境壓力不斷加大的今天，中國鋼鐵產(chǎn)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型之路究竟在何方？要實(shí)現(xiàn)我國鋼鐵工業(yè)以結(jié)構(gòu)優(yōu)化和質(zhì)量升級為標(biāo)志的再次騰飛，必須以科技創(chuàng)新為抓手，全力推進(jìn)中高端鋼鐵材料的研發(fā)，打造我國自己的“超級鋼”。

好鋼是如何煉成的

2018年，我國的鋼產(chǎn)量就達(dá)到了9億噸。中國的鋼產(chǎn)量，比世界上其他國家鋼產(chǎn)量的總和還要多。高鐵、汽車、建筑、橋梁，這些大國重器都少不了鋼鐵的“身影”。中國可以生產(chǎn)幾乎所有品種、規(guī)格的鋼材，到2006年成為鋼鐵凈出口國。這個發(fā)展過程，給我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防事業(yè)和人民生活提高都帶來了非常重大的影響。

鋼鐵是怎樣煉成的？首先要有鐵礦石和煤，然后把鐵礦石和煤通過焦化和燒結(jié)的環(huán)節(jié)，變成燒結(jié)礦和焦炭，然后在高爐里進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，變成鐵水；鐵水出來以后，經(jīng)過轉(zhuǎn)爐的冶煉、吹氧、去碳、降碳，使碳達(dá)到一定的程度，然后經(jīng)過精煉，把成分進(jìn)行調(diào)整，變成鋼水；鋼水又經(jīng)過連鑄以后變成鋼坯，鋼坯經(jīng)過熱軋變成熱軋產(chǎn)品；熱軋產(chǎn)品再經(jīng)過冷軋，變成冷軋產(chǎn)品。這時候就得到了各種各樣的鋼材，比如型材、板材、管材等。在這個過程中，要抓住一些鋼鐵重要性能來進(jìn)行調(diào)整，通過加工過程來提高鋼材的性能，這就是控軋控冷技術(shù)。

鋼材的控軋控冷技術(shù)，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(shù)，改善鋼材的強(qiáng)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(zhuǎn)的軋輥間改變形狀和性能。在鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)中，軋制控制是使粗鋼變成高精度、高性能、高效益鋼鐵產(chǎn)品的一個關(guān)鍵工藝。

我國鋼鐵軋制技術(shù)的研發(fā)和攻關(guān)，主要通過軋制與冷卻過程來控制、改善鋼材的性能。改變各種各樣的軋制條件，就會改變鋼的性能。換言之，如果能夠把軋制條件控制好，就會得到性能優(yōu)異的材料。世紀(jì)之交新一代鋼鐵材料的研究中，超級鋼的發(fā)展也是采用了控軋控冷技術(shù)。國外在相關(guān)技術(shù)的發(fā)展過程中，發(fā)現(xiàn)原來的控軋控冷系統(tǒng)有點(diǎn)問題。這種冷卻模式上的研究，如果和金屬指標(biāo)、金屬內(nèi)部材料的變化結(jié)合在一起，可以給調(diào)整材料性能提供一個好手段。所以，國際上又開始研究超快速冷卻技術(shù)。

鋼鐵材料研發(fā)的未來

工業(yè)革命爆發(fā)后，鋼鐵生產(chǎn)從作坊生產(chǎn)進(jìn)入工業(yè)化大生產(chǎn)。在此后很長一段時間，鋼鐵工業(yè)需要大量勞動力，高耗能、高污染讓鋼鐵企業(yè)在人們心中漸漸蒙上了一層灰暗的色彩。二戰(zhàn)以后，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷給傳統(tǒng)的鋼鐵工業(yè)賦能，如今以智能化為代表的第四次工業(yè)革命更是給人們帶來了無限遐想。在材料突破上，2018年，我所在的東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗室，在國際上率先研發(fā)出2000M P a級汽車用熱沖壓用高強(qiáng)鋼；在液化天然氣低溫容器用鋼上，世界上普遍采用的材料是9N i（鎳）鋼，在保證鋼材性能的前提下，實(shí)驗室與企業(yè)合作，用5Ni鋼做出了9Ni鋼的性能，大幅節(jié)約了成本；在生產(chǎn)工藝上，實(shí)驗室研發(fā)出薄帶連鑄、無頭軋制等新流程、新工藝，正在向企業(yè)轉(zhuǎn)化，有望應(yīng)用于多個重要鋼種的生產(chǎn)。

日本新日鐵等諸多國際先進(jìn)鋼鐵企業(yè)都把生產(chǎn)自動化、降低能耗、提高人均產(chǎn)鋼量和生產(chǎn)高附加值的“超級鋼”作為未來的發(fā)展方向，而這同樣是我國鋼鐵工業(yè)走向高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。

中國鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展有4個目標(biāo)：工藝綠色化、裝備智能化、產(chǎn)品高質(zhì)化、供給服務(wù)化。這4個方面分別指向工藝、裝備、產(chǎn)品、供給，其中工藝是龍頭。

工藝綠色化就是減少排放和污染，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(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品。比如說減少排放和污染，現(xiàn)在鋼鐵工業(yè)在這方面還有很多問題，但是整個行業(yè)確實(shí)作出了巨大努力，而且收到了很好的效果。鋼鐵生產(chǎn)用水量很大，但現(xiàn)在中國有的鋼鐵企業(yè)可以做到生產(chǎn)不需要用新水，就把城市的廢水和鋼廠里的廢水加在一塊兒處理以后再循環(huán)使用，在不增加一滴新水的情況下，便可生產(chǎn)1000多萬噸鋼，這項技術(shù)得到了世界鋼鐵協(xié)會的可持續(xù)發(fā)展獎。生產(chǎn)過程必須是節(jié)省資源和能源的，才能夠降低生產(chǎn)成本。

裝備智能化。裝備智能化現(xiàn)在是一個熱門話題，就是要通過智能化建設(shè)，讓裝備能自己運(yùn)行得越來越好。鋼鐵工業(yè)是流程工業(yè)，它的控制系統(tǒng)是非常復(fù)雜的，涉及多學(xué)科的結(jié)合和交叉，需要煉鐵、煉鋼、連鑄、軋制專家和信息、自動控制專家一起參與。另外行業(yè)上也要協(xié)調(diào)協(xié)同，鋼鐵行業(yè)和信息行業(yè)及傳感器領(lǐng)域得結(jié)合起來。我們的實(shí)驗室在智能化方面也做了一些工作，已經(jīng)申請到國家“十三五”規(guī)劃的重大項目，和企業(yè)一起配合完成。

產(chǎn)品高質(zhì)化。產(chǎn)品的高質(zhì)化包括兩方面：一是現(xiàn)有產(chǎn)品要通過轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效，做到世界第一；二是領(lǐng)跑性、前沿性的技術(shù)要做到世界唯一。做材料研究需要3種能力，第一種是表征和評價，第二種是合成與加工，第三種是計算和建模。國內(nèi)現(xiàn)在相對來說最薄弱的就是計算和建模，我們將來要抓住計算和建模這個前沿。

供給服務(wù)化。有些企業(yè)在智能制造方面是非常活躍的，在供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革方面確實(shí)做得不錯。科研中有這樣不好的傾向，那就是不從實(shí)踐中尋找問題，而是從國外文獻(xiàn)中找。這不是不可以，但這都已經(jīng)是二手的問題。這些已經(jīng)被研究的問題，是否符合我們的需求，是不是我們具體能碰到的問題呢？無論做哪個方面的研究，都離不開實(shí)踐，離不開與企業(yè)的合作。我們的科學(xué)研究要面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，就一定要深入到企業(yè)和實(shí)踐中，否則就是無源之水、無本之木。從企業(yè)一線發(fā)現(xiàn)問題，再篩選出關(guān)鍵共性問題，上升到理論研究，然后和企業(yè)結(jié)合轉(zhuǎn)化到生產(chǎn)實(shí)踐中，科研成果必然會為企業(yè)歡迎，轉(zhuǎn)化自然不是問題。供給側(cè)和用戶需求側(cè)這種緊密的結(jié)合，甚至是融合，融為一體，為技術(shù)提高帶來巨大的活力，使技術(shù)進(jìn)步有更大提高。

鋼鐵工業(yè)已經(jīng)有200多年歷史了，到今天來說也不是夕陽工業(yè)，還正在朝陽。只要持續(xù)創(chuàng)新，鋼鐵工業(yè)永遠(yuǎn)是朝陽工業(yè)，因為社會在發(fā)展，需求在不斷被提出來，鋼鐵的潛力通過新的技術(shù)開發(fā)會不斷地提升。創(chuàng)新任重道遠(yuǎn)，歷史的重任落在中國人的身上，我們責(zé)無旁貸。現(xiàn)在中國的鋼鐵產(chǎn)量占全世界二分之一以上，中國人要把這件事做好，勇于擔(dān)當(dāng)、敢于挑戰(zhàn)、善于創(chuàng)新，在世界鋼鐵工業(yè)歷史上留下中國人的印記。

專家簡介

王國棟，1942年10月出生于遼寧大連，壓力加工專家，中國工程院院士，東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。長期以來從事鋼鐵材料軋制理論、工藝、自動化等領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)和工程技術(shù)的研究，在板形理論和板形控制、熱軋板帶組織和性能的預(yù)測與控制、塑性加工理論與有限元方法、軋制過程的人工智能優(yōu)化、板帶新產(chǎn)品的開發(fā)等方面做出一系列成果。先后主持和完成多項國家“973計劃”、“863計劃”和自然科學(xué)基金重大項目等。由他領(lǐng)銜的東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗室，承擔(dān)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(qiáng)、特種鋼材研發(fā)上，不斷取得重大突破。曾獲國家科技進(jìn)步獎一等獎2項，國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎1項。