打造我國自己的“超級鋼”

文 王國棟

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。在當今各國鋼鐵工業(yè)的競爭中，已不僅僅是總產量的競爭，還有產品結構，尤其是高端特種鋼材的生產水平和能力的角逐。而這方面恰恰是我國亟待補齊的一塊短板。在我國，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，我國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(jīng)過多年的艱苦奮斗，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，經(jīng)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何方？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)，打造我國自己的“超級鋼”。

好鋼是如何煉成的

2018年，我國的鋼產量就達到了9億噸。中國的鋼產量，比世界上其他國家鋼產量的總和還要多。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)濟建設、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的環(huán)節(jié)，變成燒結礦和焦炭，然后在高爐里進行化學反應，變成鐵水；鐵水出來以后，經(jīng)過轉爐的冶煉、吹氧、去碳、降碳，使碳達到一定的程度，然后經(jīng)過精煉，把成分進行調整，變成鋼水；鋼水又經(jīng)過連鑄以后變成鋼坯，鋼坯經(jīng)過熱軋變成熱軋產品；熱軋產品再經(jīng)過冷軋，變成冷軋產品。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行調整，通過加工過程來提高鋼材的性能，這就是控軋控冷技術。

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(shù)，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、高效益鋼鐵產品的一個關鍵工藝。

我國鋼鐵軋制技術的研發(fā)和攻關，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。國外在相關技術的發(fā)展過程中，發(fā)現(xiàn)原來的控軋控冷系統(tǒng)有點問題。這種冷卻模式上的研究，如果和金屬指標、金屬內部材料的變化結合在一起，可以給調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。

鋼鐵材料研發(fā)的未來

工業(yè)革命爆發(fā)后，鋼鐵生產從作坊生產進入工業(yè)化大生產。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，科學技術的發(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，我所在的東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，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；在生產工藝上，實驗室研發(fā)出薄帶連鑄、無頭軋制等新流程、新工藝，正在向企業(yè)轉化，有望應用于多個重要鋼種的生產。

日本新日鐵等諸多國際先進鋼鐵企業(yè)都把生產自動化、降低能耗、提高人均產鋼量和生產高附加值的“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)走向高質量發(fā)展的必由之路。

中國鋼鐵工業(yè)高質量發(fā)展有4個目標：工藝綠色化、裝備智能化、產品高質化、供給服務化。這4個方面分別指向工藝、裝備、產品、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，以最低的消耗生產高質量的產品。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)確實作出了巨大努力，而且收到了很好的效果。鋼鐵生產用水量很大，但現(xiàn)在中國有的鋼鐵企業(yè)可以做到生產不需要用新水，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1000多萬噸鋼，這項技術得到了世界鋼鐵協(xié)會的可持續(xù)發(fā)展獎。生產過程必須是節(jié)省資源和能源的，才能夠降低生產成本。

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，讓裝備能自己運行得越來越好。鋼鐵工業(yè)是流程工業(yè)，它的控制系統(tǒng)是非常復雜的，涉及多學科的結合和交叉，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)調協(xié)同，鋼鐵行業(yè)和信息行業(yè)及傳感器領域得結合起來。我們的實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。

產品高質化。產品的高質化包括兩方面：一是現(xiàn)有產品要通過轉型升級、提質增效，做到世界第一；二是領跑性、前沿性的技術要做到世界唯一。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。

供給服務化。有些企業(yè)在智能制造方面是非常活躍的，在供給側結構性改革方面確實做得不錯。科研中有這樣不好的傾向，那就是不從實踐中尋找問題，而是從國外文獻中找。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，都離不開實踐，離不開與企業(yè)的合作。我們的科學研究要面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(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，再篩選出關鍵共性問題，上升到理論研究，然后和企業(yè)結合轉化到生產實踐中，科研成果必然會為企業(yè)歡迎，轉化自然不是問題。供給側和用戶需求側這種緊密的結合，甚至是融合，融為一體，為技術提高帶來巨大的活力，使技術進步有更大提高。

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開發(fā)會不斷地提升。創(chuàng)新任重道遠，歷史的重任落在中國人的身上，我們責無旁貸。現(xiàn)在中國的鋼鐵產量占全世界二分之一以上，中國人要把這件事做好，勇于擔當、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，東北大學材料科學與工程學院教授、博士生導師。長期以來從事鋼鐵材料軋制理論、工藝、自動化等領域的應用基礎和工程技術的研究，在板形理論和板形控制、熱軋板帶組織和性能的預測與控制、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”和自然科學基金重大項目等。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。曾獲國家科技進步獎一等獎2項，國家技術發(fā)明獎二等獎1項。