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(guó)鋼鐵工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)中，已不僅僅是總產(chǎn)量的競(jìng)爭(zhēng)，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。而在這方面，恰恰是我國(guó)亟待補(bǔ)齊的一塊短板。在我國(guó)，飛機(jī)起落架、高速列車(chē)車(chē)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(zhǎng)期依賴進(jìn)口。幾年前，我國(guó)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(guò)多年的艱苦奮斗，1996年我國(guó)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(guó)，我們卻遇到了低端供給過(guò)剩和高端供給不足的雙重尷尬與困擾。尤其是2008年國(guó)際金融危機(jī)之后，全球鋼鐵長(zhǎng)期處于產(chǎn)能過(guò)剩狀態(tài)，給我們帶來(lái)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(méi)有發(fā)展的空間和潛力？在產(chǎn)能過(guò)剩、生態(tài)環(huán)境壓力不斷加大的今天，中國(guó)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(guó)鋼鐵工業(yè)以結(jié)構(gòu)優(yōu)化和質(zhì)量升級(jí)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(guó)自己的“超級(jí)鋼”。
好鋼是如何煉成的
2018年，我國(guó)的鋼產(chǎn)量就達(dá)到了9億噸。中國(guó)的鋼產(chǎn)量，比世界上其他國(guó)家鋼產(chǎn)量的總和還要多，高鐵、汽車(chē)、建筑、橋梁，這些大國(guó)重器都少不了鋼鐵的“身影”。中國(guó)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(guó)。這個(gè)發(fā)展過(guò)程，給我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防事業(yè)和人民生活提高都帶來(lái)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(guò)焦化和燒結(jié)的環(huán)節(jié)，變成燒結(jié)礦和焦炭，然后在高爐里邊進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，變成鐵水；鐵水出來(lái)以后，經(jīng)過(guò)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(guò)精煉，把成分進(jìn)行調(diào)整，變成鋼水；鋼水又經(jīng)過(guò)連鑄以后變成鋼坯，鋼坯經(jīng)過(guò)熱軋變成熱軋產(chǎn)品；熱軋產(chǎn)品再經(jīng)過(guò)冷軋，變成冷軋產(chǎn)品。這時(shí)候就得到了各種各樣的鋼材，比如型材、板材、管材等等。在這個(gè)過(guò)程中，要抓住一些鋼鐵重要性能來(lái)進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)加工過(guò)程來(lái)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(guò)程中通過(guò)控制加熱溫度、軋制過(guò)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(guò)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(gè)關(guān)鍵工藝。
我國(guó)鋼鐵軋制技術(shù)的研發(fā)和攻關(guān)，主要通過(guò)軋制與冷卻過(guò)程來(lái)控制、改善鋼材的性能。改變各種各樣的軋制條件，就會(huì)改變鋼的性能。如果能夠把軋制條件控制好，就會(huì)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(jí)鋼的發(fā)展也是采用了控軋控冷技術(shù)。國(guó)外在發(fā)展過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)原來(lái)的控軋控冷系統(tǒng)有點(diǎn)問(wèn)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(gè)好手段。所以，國(guó)際上又開(kāi)始研究超快速冷卻。
鋼鐵材料研發(fā)的未來(lái)
自從工業(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(zhǎng)一段時(shí)間，鋼鐵工業(yè)需要大量勞動(dòng)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(lái)了無(wú)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(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在國(guó)際上率先研發(fā)出2000MPa級(jí)汽車(chē)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9Ni（鎳）鋼，在保證鋼材性能的前提下，實(shí)驗(yàn)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，研發(fā)出薄帶連鑄、無(wú)頭軋制等新流程、新工藝，正在向企業(yè)轉(zhuǎn)化，可應(yīng)用于多個(gè)重要鋼種的生產(chǎn)。
日本新日鐵等諸多國(guó)際先進(jìn)鋼鐵企業(yè)都把生產(chǎn)自動(dòng)化、降低能耗、提高人均產(chǎn)鋼量和生產(chǎn)高附加值的“超級(jí)鋼”作為未來(lái)的發(fā)展方向，而這同樣是我國(guó)鋼鐵工業(yè)走向高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。
中國(guó)鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展有四個(gè)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。這四個(gè)方面分別是工藝、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(gè)方面；另一個(gè)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(shuō)減少排放和污染，現(xiàn)在鋼鐵工業(yè)在這方面還有很多問(wèn)題，但是整個(gè)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)用水量是很大的，現(xiàn)在中國(guó)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，生產(chǎn)1000多萬(wàn)噸鋼，得到了世界鋼鐵協(xié)會(huì)的可持續(xù)發(fā)展獎(jiǎng)。生產(chǎn)過(guò)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(gè)熱門(mén)話題，就是要通過(guò)智能化建設(shè)，讓裝備能自己運(yùn)行得越來(lái)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、軋制專家和信息專家、自動(dòng)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)以及傳感器領(lǐng)域得結(jié)合起來(lái)。我們的實(shí)驗(yàn)室在智能化方面也做了一些工作，已經(jīng)申請(qǐng)到國(guó)家“十三五”規(guī)劃的重大項(xiàng)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(guò)轉(zhuǎn)型升級(jí)、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。做材料研究需要三種能力，第一種是表征和評(píng)價(jià)，第二種是合成與加工，第三種是計(jì)算和建模。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在相對(duì)來(lái)說(shuō)最薄弱的就是計(jì)算和建模，我們將來(lái)要抓住計(jì)算和建模這個(gè)前沿。
供給服務(wù)化。有些企業(yè)在智能制造方面是非?；钴S的，在供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革方面確實(shí)做得不錯(cuò)?？蒲兄杏羞@樣不好的傾向，那就是不從實(shí)踐中尋找問(wèn)題，而是從國(guó)外文獻(xiàn)中找。這不是不可以，但這都已經(jīng)是二手的問(wèn)題。這些已經(jīng)被研究的問(wèn)題，是否符合我們的需求，是不是我們具體能碰到的問(wèn)題呢？無(wú)論做哪個(gè)方面的研究，都離不開(kāi)實(shí)踐，離不開(kāi)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(chǎng)、面向國(guó)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(wú)源之水、無(wú)本之木。從企業(yè)一線發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，再篩選出關(guān)鍵共性問(wèn)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(huì)為企業(yè)歡迎，轉(zhuǎn)化自然不是問(wèn)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(lái)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(lái)說(shuō)不是夕陽(yáng)工業(yè)，還正在朝陽(yáng)。只要持續(xù)創(chuàng)新，鋼鐵工業(yè)永遠(yuǎn)是朝陽(yáng)工業(yè)，因?yàn)樯鐣?huì)在發(fā)展，需求在不斷被提出來(lái)，鋼鐵的潛力通過(guò)新的技術(shù)開(kāi)發(fā)會(huì)不斷地提升。創(chuàng)新任重道遠(yuǎn)，歷史的重任落在中國(guó)人的身上，我們責(zé)無(wú)旁貸?，F(xiàn)在中國(guó)占全世界二分之一以上的鋼鐵產(chǎn)量，中國(guó)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(guó)人的印記。
