未来钢铁材料研发方向：高质量、高性能、低排放、低成本、长寿命

中国冶金报 中国钢铁新闻网

记者 孙正平

将来研发出的新型钢铁材料必定节省资源和能源，有害排放会减少甚至没有，并且质量高，能够满足未来发展的需求。所以，这些钢材自身需具备高质量、高性能、减量化、低成本、长寿命、易循环等特性，而它们的生产过程必然是低排放、低消耗、节约型的。社会在发展和进步，未来的钢铁材料需要不断依据社会发展的需求，被赋予许多新的性能，以此来满足社会的需求，进而引领社会持续发展。6 月 21 日，在中国钢铁工业协会主办的活动中，沙钢集团、中国宝武、鞍钢集团、首钢集团、中信泰富特钢予以协办，中国冶金报社承担承办工作。在全国钢铁行业庆祝建党 100 周年座谈会上，中国工程院院士、东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室教授、博士生导师王国栋接受了《中国冶金报》记者的专访，他表示。

图为王国栋院士正在接受本报记者采访。（代鑫/摄）

那么，我们怎样去打造高质量的钢呢？王国栋从以下这些方面阐述了他的看法。

开发独有技术，中国钢材才可以独步天下

我国经济社会的发展与科学技术的不断进步紧密相关，当下的科学技术解决方案亟需强化创新这一关键动力。国家领导人在参加两院院士大会暨中国科协第十次全国代表大会并发表重要讲话时指出：“科技如果能够确立，民族就能确立；科技如果强大，国家就能强大。”

王国栋院士认为，我们首先需要具备国家领导人所提及的自立自强精神。我们所处的环境，一方面是发展极为迅速、进步飞快的世界科技前沿；另一方面是作为世界第二大经济体的国民经济主战场；同时，还有从一穷二白向世界科技强国发展这一重大的国家需求；以及占世界 70 亿人口 20%的人民的生命健康。我们所从事的是具有广阔前景的伟大事业。我们的发展进步要以自主创新为基点，要奋发图强，要艰苦奋斗。我们不能存有幻想，要下定决心去苦干、实干，凭借我们自身的力量在无人区开拓出一片新的天地，在崎岖的小路上努力前行，最终登上光辉的顶点。我们在钢铁产品研发以及生产新工艺建立方面的工作，属于国民经济主战场上的局部战役，然而其中的道理是相同的。我们要依据国家的需求，凭借我们自身的力量，做到自立自强。通过“自己动手”，实现“丰衣足食”，以此来满足国家的需求。

我们需要树立自立自强的精神，这样才能够持续进行研究与创新。现代技术的创新并非仅靠一个单位或一个人有能力就能实现，必须发挥我们社会主义制度的优势，将资源汇聚起来，把人才汇聚起来，在行业上进行协同，在学科上进行交叉，实现产学研的深度融合，推动工艺、装备、产品、服务的一体化创新。总而言之，我们把这称作资源的“4 个维度”的汇聚。王国栋院士称，需推动产学研用实现深度融合。如此一来，我们社会主义制度的优越性以及集中力量办大事的能力便能更好地展现出来。

那么，什么样的产品能被称作高质化产品呢？我们该如何去打造呢？王国栋院士指出，日本人曾提到，一是“大家都有的产品，我的是最好的，我是第一”；二是“别人没有，而我们有，我是唯一”。这意味着，我们所做的产品不但满足了需求，而且相比之下，产品是最好的。不一定只有高端产品才有这个问题，普通产品也会有。关键在于与他人相比时，你是否是最好的，是否是顶尖的。这对于我们打造高质化产品来说是很重要的一点。

低温压力容器用钢以及液化天然气（LNG）储罐用钢，通常被称作 9 镍钢，其需在-196 摄氏度下具备良好的冲击韧性。这种钢与我国的能源储备关联紧密。起初，我们不具备生产能力，只能向国外购买，但无法按期得到供货，并且价格极为高昂。他人拥有不如自身拥有。南钢与高校展开合作，决定自行进行开发。我们开始进行跟跑。经过数年的努力，9 镍钢最终被开发出来。之后，国外开始研发 7 镍钢来替代 9 镍钢。于是我们继续展开合作，致力于攻克低镍钢。如今，通过“十三五”的攻关，我们开发出了独有的生产工艺和热处理装备，成功开发出 6.5 镍低温压力容器用钢，满足了 LNG 储罐用钢的需求。减少了 2.5 个镍，由于一个镍价值 1000 多元钱，成本大幅降低了。王国栋院士称。有一种钢是用于制造 LNG 储罐的低温压力容器用钢，还有一种钢是用于制造 LNG 船用的低温压力容器用钢。LNG 运输船用的储罐需要频繁地在室温至-162 摄氏度之间进行装载卸载，能够抗温差变形，所以必须具备更优良的抗超低温低周疲劳性能。用 18%-24%Mn 的无镍高锰钢替代 9Ni 钢来制作船用 LNG 储罐，其性能更为优良。这种无镍高锰钢的成本仅相当于含 3%-4%镍的镍钢。将其用于船用 LNG 储罐，能够节约成本，还能提高船用储罐的质量。“十三五”项目联合攻关，现已完成该项目，取得了令人振奋的成果，目前正在进行产业化，到今年底将会投入使用。

用自主核心技术服务到用户心坎上去

产品研发力提升与客户服务之间存在怎样的联系呢？企业要怎样做好服务才能够让客户感到满意呢？

国家领导人明确提出，要深化科技体制方面的改革。要建立起一种技术创新体系，这个体系是以企业作为主体，以市场作为导向，并且产学研能够深度融合。

王国栋院士觉得，搞研究工作的同志必须深入实际。正如国家领导人所说，要做到产学研深度融合。之前是产学研结合，之后改为深度融合。那我们怎样与企业实现深度融合呢？那就是和企业无法分开了。你进入企业，企业提出需求，你与企业一同，依据企业的需求开展工作。遇到问题时，你可以和企业的技术人员、工人一起切磋交流、研究设计，持续进行创新和改进。这就是当下我们所说的转化。我们要思考研究从何处而来？答案只能是：从企业而来，从市场而来，从实践而来。我们将这些问题整理出来，在实验室进行研究，在钢厂进行研究。很多问题与重要基础以及应用基础相关，对于这些问题，我们需运用基本理论来解释现象，并且提出新的原理与方法。当基础问题得以解决后，我们还要开展应用研究，进而提出新的工艺方法以及装备设计。不断研究和改进后，最终将研究出的装备运用到了生产线上，工艺技术也形成了规程和标准，产品持续被用到国民经济的主要战场，众多厂家纷纷前来，希望采用我们的技术，这才把问题解决了。也就是说，只要我们找对了问题，并且能够与企业一起解决这些问题，能够提供市场所需的产品，我们的技术必然会受到企业的欢迎。市场是导向，重大需求是牵引。有了这个导向和牵引，成果就不用担心转化的问题了。

转化的问题，关键在于做的时候要清楚为什么去做这件事。如果真的按照企业需求去做，把产品做好了，企业正等着用产品呢，你把产品送过去，这不就马上实现转化了吗？王国栋院士提及，关键在于开始时要依据企业的重大需求以及市场的重大需求来开展研究，并且要与企业的同志们一同去寻找问题的答案，如此一来，必定能够完成高水平的研究并取得高水平的成果。

高强、超高强工程机械用钢以及耐磨钢等的开发属于这种情况。王国栋院士表示，我国在进行大规模基础设施建设时，需要有处于国际领先水平的工程机械用钢和高端耐磨钢。然而，我国既缺乏生产装备，又没有生产技术，所以根本无法进行生产，只能依赖国外，需要花费高出几倍的价钱去购买，并且还时常出现供不应求、断货的情况。关键核心技术和装备没掌握在自己手里，那滋味别提多难受了。”

机械工程装备制造企业对这种情况体会最为深刻，钢铁厂的同志们则是看在眼里，疼在心头，内心深感自责。像太钢、南钢、涟钢等一批企业，对于热处理工艺技术和装备，那真是可以用“望眼欲穿”来形容。他们一只手与院校相牵，另一只手与下游用户相握，决心大家齐心协力，共同开发我们自己的高强、超高强钢板热处理设备和生产工艺技术。经过十几年产业链的协同创新，1.5 毫米高强钢板的最薄生产所需热处理装备被制造出来了。同时，最高级别别的高强钢板也被开发出来了。这个产业链创新团队接着与自动装卸卡车厂、三一重工和中联重科等工程机械厂以及郑煤机等煤矿机械企业展开合作。他们开发出了各种国际一流且国家急需的工程机械，像各种轻型超长臂吊车、轻量化的自动装卸卡车、高耐磨铲斗等高端工程机械。这些高端工程机械工作在我国广袤的土地上、矿山里以及煤井下，并且还走出国门，在“一带一路”建设中展现出了强大的实力，为国争光。这就是需求驱动创新、产业链协同创新的结果。

求人不如求己，有了自己的核心技术，一切都有了！这是真理！

与时俱进，走在世界钢铁科技前端

如何实现与时俱进，走在世界钢铁科技的前端？

王国栋院士称，要进行技术创新，需盯住两个方面的问题。其一，是主战场生产中所提出的难题；其二，是关注国际上的发展趋势。当具备这两者之后，我们便可依据自身情况来确定工作目标。我们的目标必然要致力于解决生产中的问题，并且要在国际发展水平之上处于领先地位。只要钢厂的机器在运转，就必定会出现新的问题；只要世界在不断进步，国际前沿就会持续向前延伸。这就是所谓的与时俱进。

热冲压用钢在国际和国内汽车轻量化材料领域是个热点。早期的冲压用钢强度不高但容易成形，能够保证成形精度，所以采用冷冲压成形。然而随着汽车轻量化的推进，高强钢和超高强钢得到大力开发，也就是现在的吉帕钢。因为高强钢冲压时负荷大，成形较为困难，设备和工具的工作条件不佳，产品的成形精度也极难得到保证。人们需要新的成形方式，其中热冲压便是。工件要被加热至 800 - 900 摄氏度后进行冲压。这样冲压负荷较低，成形较为容易，精度也高。冲压后进行冷却淬火，就能得到 1500 兆帕甚至 2000 兆帕以上的超高强钢。热成形用钢深受零件生产者的喜爱，逐渐在高强冲压件的生产中成为主流方式。我们实验室的易红亮教授与本钢、马钢、鞍钢等企业进行合作。世界上首次发布了 2 吉帕热冲压钢，满足了客户的急切需求。然而，热冲压用钢的涂层技术，却成为了阻碍材料推广应用的障碍。在国际上，有一家公司拥有涂层技术专利，使用此技术，1 吨钢需要缴纳 1500 元的专利费。所以，易教授的团队又与企业携手合作，开发热冲压用钢的涂层技术。目前技术已开发成功，且产品已获得国内外著名汽车厂商的认证。此技术可控制涂层工艺并优化涂层厚度，其涂层质量明显高于国外技术的产品。相信在不久的将来，该技术将被大量生产，从而改变热冲压钢的技术版图。王国栋院士如是说道。

我们单位是国家重点实验室，按常理应当以基础研究和应用基础研究作为主要方向。然而从企业的角度来看，还需要关键共性技术以及先进前沿技术来提供支撑。现在我们正将这两者进行结合。一些项目我们先研究基础，明确道理和机制，接着依据此开发关键共性技术；另有一些项目，先创新关键共性技术，解决问题，然后反过来促使我们的基础研究，推动理论研究深入，同时培育创新人才。”王国栋院士觉得，基础研究和关键共性技术开发需相互促进、相互协同、相互拉动，以提升我们的整体水平。我们要做到顶天立地，如此才能百战百胜。只有做到顶天立地，才能够由落后转变为领先，由跟跑转变为领跑。

数字驱动，智能发展，赋能钢铁产品高质化

我们要贯彻党中央以及国家领导人所提出的“加快建设数字中国”这一指示。要狠抓科技创新方面的工作，坚决将创新驱动发展战略予以实施。同时要做好结构调整的相关事宜，通过数字来驱动发展，为钢铁行业赋予力量。

王国栋院士认为：目前正处于信息革命的大潮之中。钢铁工业需要与信息产业展开合作。要利用工业互联网、大数据、云计算以及 5G 等先进通信技术。共同组建起一个协同、共赢、创新且共享的平台级钢铁材料创新基础设施。以此来推进钢铁工业的智能化转型。这个平台集成了计算、实验和数据等方面；它主要以实际生产线作为提供数据的实验工具；利用大数据与机器学习、深度学习等现代信息技术来进行数据挖掘；以企业大数据中心为基础，能够提供丰富、精准且写实的历史大数据和现实生产数据。基于此，可在钢铁行业进行钢铁材料创新，能大幅度节省新产品的研发时间，降低研发成本。以材料创新基础设施作为基盘，从而形成具备“原位分析能力”的数字孪生。同时，建设钢铁生产的全流程、一体化信息物理系统，这必然会大力推动钢铁行业智能制造蓬勃发展。并且，新钢铁材料以及新生产技术必定会迅速被开发和应用，进而提高我国钢铁材料生产技术的总体水平。

王国栋院士称，当下，企业技术创新素质转型的中心工作主要在两个方面进行展开。

其一，是在 SaaS（工业互联网平台的管理应用层）之上的云中大数据中心，也就是云端管理层。它属于钢铁工业数字化创新平台的管理和支撑部分。它包含服务器、存储、网络、虚拟化等云基础设施。平台层工业 PaaS（中台）负责平台资源的部署与管理，涵盖设备管理、资源管理、运维管理、故障管理、物流管理以及生产计划与调度等方面，是正常运行的重要支撑和保障。同时，平台层还包含数字孪生 AI 优化，以此来利用大数据构建高保真度模型。管理应用层包含生产计划与管理，还有订单处理以及全流程生产计划编制，同时包含各单元工序生产工艺制度的制定等。IaaS（互联网技术平台）层具备管理创新功能，其中有安全环境，也有市场分析，还有供应管理，包括设备管理创新、资源管理创新以及物流管理创新等。

其二，边缘对于钢铁等流程工业而言是最为重要的。钢铁工业数字化创新平台的大脑就是边缘，它也是最核心的部分。边缘层与物理实体存在虚实映射，能实时交互并循环赋能。因为有了这些，钢铁企业才能够对加工物料进行高保真度的实时控制，才能够获得最优的产品质量，钢铁生产过程才能够可靠稳定，也才实现了资源、能源的节约和生产成本的降低。边缘部分紧邻着最底层的钢铁材料创新实验工具，包括钢铁生产线、中试装备、实验室装备以及数据采集系统。原有自动化控制系统的底层部分处于边缘的实时控制层，原基础自动化和过程机系统在新系统中继续发挥作用。边缘被赋予了分布智能云的功能，其中包括设备接入、协议分析、边缘数据处理以及多接入边缘计算，它是互联网系统智能云的一部分。高保真度的数字孪生（来自 PaaS）融入了实时控制层。依据实时数据与控制目标，实现动态设定的智能控制功能。

在建设钢铁材料创新基础设施时，钢铁工业自身所具有的信息技术人才和队伍，经历了从开始萌生，到逐步发展，再到不断壮大的过程，由此形成了钢铁工业的创新生态，这必然会推动钢铁工业的数字化转型。展望未来，数字钢铁会展现出非凡的威力，智能制造也会结出丰硕的成果。数字驱动的钢铁工业数字孪生、信息物理系统以及钢铁材料创新基础设施得以建立，这使得中国钢铁率先迈入了数字化时代，也为钢铁产品的高质化提供了可靠的保障。王国栋院士表示：“中国钢铁行业的未来最为美好！”