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,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展的空間和潛力?在產能過剩、生態環境壓力不斷加大的今天,中國鋼鐵產業的綠色轉型之路究竟在哪里?要實現我國鋼鐵工業以結構優化和質量升級為標志的再次騰飛,必須以科技創新為抓手,全力推進中高端鋼鐵材料的研發,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,矢志使我國的鋼鐵工業早日擺脫被“卡脖子”的狀態。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、規格。2006年的時候。我們通過出口,成為了鋼鐵凈出口國。這個發展的過程,實際上給我們國家的經濟建設、國防的發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、追求規模,因為現在我們是要高質量發展。高質量發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展了我們的鋼鐵工業。

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節,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。所以在鋼材的發展過程中,就出現了叫做控軋技術,特別是控冷技術。世紀之交的新一代鋼鐵材料的研究中,超級鋼的發展也采用了控軋控冷技術。

國外在這項技術的發展過程中,發現原來的控軋控冷系統有點問題。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,日本開發了一個系統,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,它可以實現高冷速,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點,介紹了所開發的鋼材的性能,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,能不能也搞一個快速冷卻系統?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。

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,到現在效果還是可以的,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,也克服了不少現場中出現的問題,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,企業里跟我提出,說我們這個系統是和外國公司一塊做的,得和它能兼容。首鋼京唐,就是現在的曹妃甸,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,這個系統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,我們就必須開發更多自主的、原創的、外國沒有的這些東西。

在控冷系統上,我們了解到鋼管的控冷系統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合的研發團隊。經過3年多的時間,經歷了將近100次的工業性的實驗,終于把這個系統做出來了。做好以后又對整個的工藝布置重新進行改造,現在這個系統發揮了很好的作用。

所以我們想,在這種情況下,我們必須要發揮自主創新的精神,敢啃硬骨頭,敢做別人不敢做的事。

鋼鐵材料研發,未來什么樣?

我們覺得中國鋼鐵工業高質量發展有四個目標: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,保證環境友好,這是一個方面。另一個方面就是節省資源和能源,以最低的消耗生產高質量的產品,比如說減少排放和污染。我想咱們鋼鐵工業雖然現在在這方面還有很多問題,但是我們這行業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的可持續發展獎。污染還包括廢氣、固廢物,固廢物現在不是廢物了,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。再就是要節省資源和能源,我們的生產過程必須是節省資源和能源的。

2、建設聰明的生產線。

裝備智能化現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。我們鋼鐵工業叫流程工業,流程工業都是黑箱,所以要想控制它是很難的。

現有的控制系統中有一個信息物理系統。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。

別看我們鋼鐵行業不起眼,鋼鐵行業的自動化水平是各個行業里最高的。比如軋鋼的系統,它是多變量、強耦合、非線性、大滯后,這些控制系統最難的特點,我們軋鋼的系統全有,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是最復雜的

我們現在需要多學科結合、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,行業上要協調協同,鋼鐵行業和信息行業、傳感器行業都得結合起來。

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,這是這些年新發展起來的。過去材料的工作是講配方,是用顯微鏡看,現在還有一個計算這條路徑。建立模型計算,把這些規律進行計算,而不是去測量,這個工作也是最近這些年才發展起來的。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,我們國內現在也都有了,而且也有不少好的結果發表出來,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展起來的。我們現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個單位一起協同創新,大伙兒一塊兒來做。我們現在做出了兩類: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。現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的這么一個加載、裝載 、熱循環的過程,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。現在我們也是在這個過程中開發了一種高錳的鋼,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省4000塊錢成本這些東西都是我們經過探索,提出創新的思想,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。我們現在提出供給側結構性改革,推動高質量發展,這方面企業做了很多的工作。河鋼集團在智能制造方面是非常活躍的,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新中心,也是這個過程。

現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200多年歷史了,到今天來說不是夕陽工業,歷久彌新,還正在朝陽。只要創新,鋼鐵工業永遠是朝陽工業。因為社會在發展,需求在不斷提出來,鋼鐵的潛力通過新的技術的開發會不斷地提升。創新任重道遠,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、勇于創新,留下中國人的鋼鐵印記,進入到世界領先的鋼鐵行業集群。 (來源:冶金計量與信息化)