實驗室里的“鋼鐵俠”
——記2020年度國家科學技術(shù)進步獎二等獎項目“鋼材熱軋過程氧化行為控制技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用”

蔡巧玉

隨著新中國70多年的發(fā)展，我國鋼鐵工業(yè)已經(jīng)成為最具全球競爭力的產(chǎn)業(yè)，連續(xù)多年鋼材產(chǎn)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(yè)的支柱性原材料。盡管中國已經(jīng)是鋼鐵大國，但卻并非一個鋼鐵強國，怎樣才能實現(xiàn)從鋼鐵大國向鋼鐵強國的轉(zhuǎn)變？東北大學軋制技術(shù)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(chuàng)新鋼鐵工藝，開發(fā)鋼鐵新產(chǎn)品，推進智能制造，提高品種質(zhì)量，為中國成為鋼鐵強國奠定扎實的基礎(chǔ)，才能支撐起中國鋼鐵的脊梁?！?/p>

如今，劉振宇和團隊經(jīng)過艱難攻關(guān)，完成了“鋼材熱軋過程氧化行為控制技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用”這一項目的研發(fā)，全面實現(xiàn)了鋼鐵熱軋技術(shù)的國產(chǎn)化，榮獲2020年度國家科學技術(shù)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?！獤|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(huán)保要求，拆除了原有的大梁板生產(chǎn)線，從日本進口了全套的新生產(chǎn)線，結(jié)果發(fā)現(xiàn)日本的大梁板生產(chǎn)線已無酸洗工序。為解決這一問題，國內(nèi)主要鋼鐵企業(yè)紛紛開始研發(fā)免酸洗技術(shù)。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(fā)了“免酸洗熱軋鋼板生產(chǎn)技術(shù)”，使我國大型汽車企業(yè)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(fā)“免酸洗熱軋鋼生產(chǎn)技術(shù)”是劉振宇和團隊對鋼材熱軋過程氧化行為控制技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用的第一步，他們摸索出了一些經(jīng)驗。與此同時，劉振宇還開發(fā)了易酸洗熱軋鋼生產(chǎn)技術(shù)。鋼材氧化皮厚度由約12μm降低至5μm～8μm，F(xiàn)e2O3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(zhì)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(yè)及海爾等家電企業(yè)的嚴格要求，完全替代了國外同類產(chǎn)品。2008年，劉振宇及其團隊榮獲中國冶金科學技術(shù)獎一等獎。2009年易酸洗熱軋鋼鐵技術(shù)被《中國冶金報》評為冶金行業(yè)節(jié)能減排標志性技術(shù)。

困難中尋突破

2008年以后，隨著我國的鋼材高強化趨勢發(fā)展越來越快，逐漸從510MPa級向610MPa級發(fā)展，鋼材成型技術(shù)也從沖壓成型向輥壓成型發(fā)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(lǐng)團隊做了大量的基礎(chǔ)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(fā)現(xiàn)這是一個“變形+氣氛+溫度”多因素耦合的問題。在此基礎(chǔ)上，劉振宇從實際熱軋生產(chǎn)工況出發(fā)，建立熱軋過程氧化皮厚度、結(jié)構(gòu)演變模型。最終，團隊開發(fā)出適用于熱軋環(huán)境的FeO相變動力學精準控制技術(shù)，可以生產(chǎn)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(shù)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?！斑@是非?？量痰囊?，日本的新日鐵公司沒敢接，歐洲的鋼鐵公司也沒敢接?！弊詈笥神R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(chǎn)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?！氨让绹嚇蚬镜囊筮€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(yīng)，一年的穩(wěn)定供貨量大概是15000噸?！?/p>

解決超高強度級別免酸洗鋼的生產(chǎn)技術(shù)問題，是劉振宇和團隊對鋼材熱軋過程氧化行為控制技術(shù)開發(fā)和應(yīng)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(zhì)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(tài)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(chǎn)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(chǎn)品的表面質(zhì)量比較差，很難進入國際的高端市場?！眲⒄裼钔ㄟ^調(diào)研發(fā)現(xiàn)，表面質(zhì)量問題70%以上是由于熱軋生產(chǎn)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(zhì)量問題。

“這個事一開始沒什么人重視，覺得表面質(zhì)量可以通過修磨解決?！眲⒄裼罡嬖V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(chǎn)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(chǎn)生任何缺陷。

“我們做了大量的工作，但理論基礎(chǔ)是相通的，都是多因素耦合的熱軋過程氧化行為研究?！痹谶@個基礎(chǔ)上，劉振宇開發(fā)出高表面質(zhì)量中厚板的生產(chǎn)技術(shù)。以唐山鋼鐵集團公司（簡稱“唐鋼”）為例，在技術(shù)攻關(guān)之前，唐鋼生產(chǎn)的中厚板供應(yīng)給日本高端工程機械制造企業(yè)，是會被百分之百退貨的。劉振宇和團隊在經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)之后，使高表面質(zhì)量中厚板的生產(chǎn)技術(shù)在杭鋼實現(xiàn)了工業(yè)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(chǎn)品”。劉振宇自豪地說，現(xiàn)在企業(yè)生產(chǎn)的中厚板全部都能滿足國家重大工程的需求。

握手大數(shù)據(jù)

工信部在《產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展指南（2017年）》中，明確強調(diào)了要加強鋼鐵流程大數(shù)據(jù)時空追蹤同步和大數(shù)據(jù)深度挖掘分析，以實現(xiàn)鋼鐵材料智能化設(shè)計、產(chǎn)品定制化制造、鋼材組織性能預(yù)測、鋼種歸并和鋼鐵全流程工藝參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制等目標。

劉振宇和團隊積極響應(yīng)，他們與寶鋼梅山公司、鞍鋼等企業(yè)通力合作，深入開展基于熱軋板帶鋼工業(yè)大數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)的研究，從實際熱軋生產(chǎn)工況出發(fā)，建立熱軋過程氧化皮厚度、結(jié)構(gòu)演變模型；基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動，將機器學習和智能優(yōu)化理論應(yīng)用于模型參數(shù)的動態(tài)優(yōu)化，實現(xiàn)高精度模型開發(fā)，并構(gòu)建熱軋氧化智能控制系統(tǒng)，開發(fā)出了以組織性能預(yù)測與優(yōu)化為核心的鋼鐵智能化制造技術(shù)，有效解決了當前鋼鐵企業(yè)規(guī)?；a(chǎn)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(shù)時，很多鋼鐵企業(yè)的技術(shù)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(jié)果顯示，檢測到的氧化皮厚度和人工智能系統(tǒng)預(yù)測的結(jié)果完全吻合。至此，鋼鐵智能化制造技術(shù)非常順利地在各大鋼鐵企業(yè)應(yīng)用落地，實現(xiàn)了系列鋼種氧化皮厚度減薄15%以上的標準化控制，現(xiàn)場一次性調(diào)試成功并批量供貨?！坝辛诉@個技術(shù)，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(yōu)化制定相應(yīng)的軋制工藝?！眲⒄裼铋_發(fā)的鋼鐵智能化制造技術(shù)，不僅在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，而且出口至其他國家，達到國際領(lǐng)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(shù)開發(fā)和應(yīng)用的第三步。

截至目前，劉振宇和團隊開發(fā)出的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的成套控制技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用于鞍鋼、河鋼、太鋼、寶武、馬鋼、漣鋼等19家鋼鐵企業(yè)，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(chǎn)線。鋼材氧化行為智能控制系統(tǒng)成功應(yīng)用于韓國現(xiàn)代制鐵2#熱連軋生產(chǎn)線，實現(xiàn)了氧化行為的動態(tài)跟蹤與最優(yōu)控制。作為熱軋領(lǐng)域的共性技術(shù)，該技術(shù)可推廣至不同熱軋產(chǎn)線，每年可覆蓋產(chǎn)能5億噸以上，具有良好推廣應(yīng)用前景。

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

未來，劉振宇將與團隊一起繼續(xù)搏擊在鋼鐵產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵性技術(shù)發(fā)展的浪潮中，發(fā)揮自己最大的力量，為我國向鋼鐵強國轉(zhuǎn)變交出一份讓人滿意的成績單。