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王昭东:抓住关键 发展高性能钢铁材料

2018-10-19 15:21:53
作者:王元
来源:中国腐蚀与防护网

为了全面了解我国高性能钢铁材料研发进展以及推进高性能耐蚀钢铁材料发展的关键因素。记者特邀请到东北大学王昭东教授做相关方面的精彩解读。

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    材料是人类文明的里程碑,是社会进步的物质基础,金属材料是人类社会发展的全程见证者,在人类社会各个转型期起到了举足轻重的作用。随着经济发展,市场需求的变化,高性能金属材料尤其是高性能钢铁材料以其本身优越的综合性能和在数量、质量方面的无限潜力,越发受到国家的重视。为了全面了解我国高性能钢铁材料研发进展以及推进高性能耐蚀钢铁材料发展的关键因素。记者特邀请到东北大学王昭东教授做相关方面的精彩解读。


    王昭东,东北大学教授,长期从事金属材料先进轧制技术和热处理方面的研究工作。获得国家科技进步二等奖3项(两项总排名第1,一项总排名第6),省部级奖多项。他围绕我国金属材料产业与产品升级,面向国家重大战略急需,开发出了系列高强结构钢、高等级耐磨钢、铝合金汽车板、核电用钢等金属材料热处理产品,突破了国外技术封锁,填补了多项国内空白。


    迎合国家战略需求 大力发展高性能钢铁材料

 

    钢铁工业作为中国当前工业化发展进程中的重要支柱产业,对国民经济建设和发展具有重大贡献。王教授谈到,目前我国粗钢产量占全球的50% 以上,提供了国民经济发展所需的绝大部分钢铁材料。与此同时,钢铁工业的发展也面临着资源自给、能源消耗、环境负荷所带来的严峻挑战,存在产能过剩矛盾愈发突出,创新发展能力不足等问题。 “十三五”期间工信部在“钢铁工业调整升级规划”中就明确提出了转型目标:化解产能过剩、加大产品创新、促进绿色发展,实现一批关键钢材品种的有效供给。因此,推进钢铁工业转型升级,发展高性能钢铁材料是突破能源、资源和环境瓶颈的重要手段。


    2016 年底,工信部、国家发展改革委、科技部、财政部四部委联合发布了《新材料产业发展指南》,提出加快推动先进基础材料工业转型升级,这其中包括基础零部件用钢、高性能海工用钢等一系列先进钢铁材料,例如高温不锈轴承钢、高温渗碳轴承钢、重载齿轮钢、海工用高强齿条钢特厚板、极地用低温钢、高止裂厚钢板、高寿命耐蚀钢等等,这些都是突破重点应用领域急需的新材料,也是我国钢铁材料发展的重要方向。


    王教授强调,我国高性能钢铁材料发展应当以国家重大工程和战略性发展需求为导向,从基础前沿、关键共性技术到应用示范进行全链条一体化组织实施,通过材料设计、制造流程及工艺优化等关键技术和国产化装备的重点突破,坚持走“产学研用”的道路,加强基础研究工作,不断优化品种结构,实现钢铁产品的高性能和高附加值的绿色化制造,降低生产成本,提高先进基础材料国际竞争力。高性能钢铁材料的发展将逐步提升我国钢铁产业的整体竞争力,满足我国制造业高端化、新型工业化、城镇化建设以及创新性战略化发展的亟需,为我国参与全球新一轮产业变革与竞争提供支撑,从而实现我国钢铁产业由大变强、技术由跟跑型为主向并跑和领跑型转变。因此,发展高性能钢铁材料具有重要的经济意义和社会价值。我国未来的高性能钢铁前景广阔,大力发展高性能钢铁材料势在必行。


    几十载潜心科研 服务于国民经济主战场

 

    王昭东教授长期从事金属材料先进轧制技术和热处理、高性能钢开发及组织性能控制方面的研究工作,取得了丰硕的成果。据了解,1987 年,19 岁的王昭东考入东北工学院金属压力加工专业;1991 年,硕士毕业后,他跟随导师王国栋院士一直从事钢铁材料的轧制和热处理方面的研究工作;1997 年,博士毕业后,他留在了东北大学任教至今,30 多年来,他始终扎根于钢铁轧制工作的一线,兢兢业业地潜心于教学科研工作。


    王教授表示,他的梦想就是为祖国锻造出好钢,让我们国家的钢铁工艺水平领跑全球,让国之重器不再受制于人。目前他担任轧制技术及连轧自动化国家重点实验室主任,是科技部先进轧制及热处理重点领域创新团队负责人,他们团队自主研发的“热轧板带钢新一代控轧控冷技术”,作为“资源节约、节能减排”绿色钢铁制造的代表,促进了我国钢材由“中低端”向“中高端”升级换代,相关产品已经在西气东输、海洋平台、跨海大桥、第三代核电站、大型水面舰艇等国家战略性工程中得到了广泛应用。另外,他们研发的“特种钢板连续辊式淬火技术”,打破了国外垄断,使我国成为极少数掌握该类钢板热处理装备技术的国家,实现了我国钢材从约3 万/ 吨的“贵族钢板”到6 千元/ 吨“大众钢板”的过渡。目前上述两项技术已推广至国内50% 以上钢铁企业的50 多条生产线上,并且分别获得2014年度和2017 年度国家科技进步二等奖,得到了全行业的广泛认可!


    对此,王教授深切地表示,我们应该把论文写在祖国大地上,把成果镌刻在祖国的钢铁生产线上,这是他的老师、中国工程院院士王国栋教授的谆谆教诲箴言,也是他们团队一直遵从的理念。


    科研人员要有埋头苦干、脚踏实地的奋斗精神,方法总会比问题多,只要有信心,沿着正确的方向,那么就一定能够找到解决问题的途径,让我们的科研成果落地生根、开花结果,转化成实际生产力,为企业创造价值,为国民经济服务是科研的终极目的。


    王教授强调,未来他们将继续努力,在学术带头人王国栋院士的引领下,积极开展钢铁领域创新工作,争取获得更多原创性成果,服务国民经济主战场,为钢铁行业的转型升级做出更多的贡献!


    搞好钢铁行业协同创新 加速科技成果产业化

 

    工信部数据显示,近年来我国的高性能钢铁材料自主研发水平显着提高。


    已经在高强建筑用钢、高性能管线钢、大型水电站用钢、高磁感取向硅钢、高速铁路用钢轨、高强度汽车板、航天器用合金材料、抗震建筑用高强螺纹钢筋等一系列高端品种方面取得突破。并且,一部分高性能钢材已经由跟随实现了领跑,如第三代汽车用钢、X80 管线钢、超大型水电站用钢等;具备几乎所有牌号硅钢的生产能力;以轴承钢为代表的特钢产品研发技术已达到国际一流水平;宝钢产OA 用高导电电镀锌产品的导电性和耐蚀性已经超过国外同类先进产品。我国钢铁材料正在不断打破技术壁垒,实现自主研发。


    王教授表示,整体来看,我国的高性能钢铁材料研发已经基本上可以满足国防军工、装备制造、国民经济发展要求,但与国际先进水平相比,仍存在较大差距。部分高端装备及核心部件用关键基础钢铁材料严重依赖进口,关键技术受制于人。如特种耐腐蚀油井管、船用耐蚀钢、高速铁路用车轴及轴承钢、高标准模具钢等高端钢材产品仍然满足不了需求。另外,国内高性能钢铁部分技术还停留在实验室层面,科研成果产业化还需要继续努力。


    习近平总书记号召我们:“要瞄准世界科技前沿,强化基础研究,实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破。加强应用基础研究,拓展实施国家重大科技项目,突出关键共性技术、前沿引领技术、现代工程技术、颠覆性技术创新”。在高性能钢铁材料研发方面,我们应该按照习总书记的要求,努力搞好钢铁行业的技术创新,把我国钢铁行业做成“世界级先进制造业集群”!


    国家新材料产业发展专家咨询委员会主任、中国工程院院士干勇在“‘十三五’能源新材料发展”的主题报告中表示,材料问题是核心、基础和先导。钢铁行业“十三五”技术发展应向绿色化、智能化钢铁制造流程及品种技术集成的研发与应用的方向发展。


    因此,国内钢铁行业要把低碳绿色作为技术发展的主方向,实现自身节能减排和可持续发展,紧紧围绕高端装备制造、节能环保等重点领域需求,加快调整先进基础材料产品结构,积极发展精深加工和高附加值品种,提高关键战略材料生产研发比重。同时也要加强与国外先进钢企及研究机构的交流合作,学习新技术、开发新品种,提高钢的使用价值,加大开发高强度钢材品种以满足下游行业对高性能钢的应用需求。与此同时还应加强新型钢铁材料推广力度和标准规范的制定,加强基础研究、应用技术研究和产业化的统筹衔接,完善创新链条的薄弱环节,形成上中下游协同创新的发展环境。


    抓住关键因素 发展高性能耐腐蚀钢刻不容缓

 

    高性能耐腐蚀钢是未来钢铁材料发展的重要方向之一。根据中国工程院重大咨询项目《我国腐蚀状况与控制战略研究》研究结果,2014 年我国腐蚀总成本约为2.1 万亿元,占当年国内生产总值(GDP)的3.34%。腐蚀损失主要发生在金属材料中,其中钢材应用比例最大。钢材是在装备、管线、铁路车辆、汽车、道路、桥梁、船舶、海工、建筑等行业广泛应用的基础结构材料,面临着酸碱性、高压高温、固液气多相、力学化学交互作用、冲刷磨损、干湿交替等多样化的苛刻腐蚀环境。但是钢材耐腐蚀性普遍较差,钢制结构最大挑战就是腐蚀破坏。腐蚀不仅使钢材损失重量,还严重降低了强度和韧性,造成结构提前失效,甚至导致灾难性事故。据统计,每年约30% 的钢材因腐蚀而报废,而目前我国粗钢年产量已达8 亿吨以上(占全球一半以上),其中绝大部分将用于我国各类设施和装备,钢材使用量的急剧增加必将加剧未来腐蚀经济损失,钢材腐蚀也将成为影响国民经济社会可持续发展的重要因素之一,因此发展高性能耐腐蚀钢有着急迫而重要的意义。


    王教授强调,发展高性能耐腐蚀钢第一个关键是加强基础研究,包括微观腐蚀机制研究和宏观腐蚀数据积累分析。提高钢材耐腐蚀性能的主要策略之一是采用综合防腐措施,如表面涂层、阴极保护以及提高钢材耐蚀性等。这需要把具体服役环境下钢材对腐蚀介质的反应机理特别是微观机制研究清楚,比如基于Cr 的耐腐蚀机制研究就发展出了不锈钢这一极为重要的高性能耐腐蚀钢品种。基础研究应该充分利用最新科技成果,如原位高分辨表征技术等。比如最近美国太平洋西北国家实验室的Chongmin Wang 研究团队在NatureMaterials 期刊发表了Atomic Origins ofWater-vapour-promoted Alloy Oxidation的研究论文,采用原位高分辨电镜技术研究了合金在水蒸气中的氧化过程,揭示了氢离子在合金腐蚀过程中使材料形成多孔结构而促进氧化的重要作用,厘清了长期以来困扰水蒸汽加速金属材料氧化而导致锈蚀的背后微观机制。这充分表明我们对具体腐蚀行为的本质理解会随着基础研究进展而不断更新,将有力支持新型高性能耐腐蚀钢发展。


    第二个关键是要理清我国钢材主要应用领域的具体腐蚀介质,如介质温度、酸度、盐浓度、湿度等变化规律,这方面需要长期而艰苦的腐蚀数据积累与分析。近年来我国腐蚀数据积累方面取得了重大进展,比如中国工程院“我国腐蚀状况及控制战略研究”项目通过发放问卷、实地调研、专家咨询、电话访谈、学术讨论、大会交流、查阅文献、国外考察等获得了大量可靠数据,调查了5大领域、30 多个行业,首次全面摸清了我国腐蚀及控制的基本状况,并获得我国腐蚀损失经济成本,这为我们发展针对各行业的高性能耐腐蚀钢提供了宝贵的数据支撑。


    结合腐蚀微观机理与宏观规律,才能有针对地设计出耐腐蚀钢材、涂层及电化学保护等综合腐蚀控制手段,从而有效延长钢材结构的腐蚀寿命。这方面一个典型的成功例子是原油船货油舱耐腐蚀钢开发与应用:在调查清楚货油舱腐蚀部位分布规律后,针对底板高酸性高浓度氯离子点腐蚀机理和上甲板昼夜温差、干湿交替环境下的混合油气均匀腐蚀机理,开发出了无需涂层的耐腐蚀钢,且耐腐蚀性能显着优于传统涂层方案。这表明针对具体腐蚀环境发展高性能耐腐蚀钢具有广阔前景。


    第三个关键,要加强耐腐蚀新钢种与新防腐技术推广应用。这需要出台相关防腐蚀技术法规、建立耐腐蚀钢材应用标准,并形成推广应用的激励政策。


    耐蚀钢由于合金和生产成本较高,加上开始应用规模小,使得价格过高,下游用户难以获得短期好处而造成推广应用困难。为此,工业和信息化部、财政部和保监会在2017 年建立了重点新材料首批次应用保险补偿机制并开展试点工作,在《重点新材料首批次应用示范指导目录(2017 年版)》中列入了高性能油套管、特种无缝管材、船用耐蚀钢等高性能耐腐蚀钢品种,这是我国建立高性能新材料首次示范应用风险分散机制的有益尝试,将极大促进高性能耐腐蚀新材料的推广应用。


    总之,发展高性能耐腐蚀钢顺应我国新材料高性能化、多功能化、绿色化发展趋势,面向高端制造、轨道交通、航空航天、海洋工程、新能源汽车等战略性新兴产业和重大工程建设需求,将有效提高我国基础设施和重大装备寿命,为我国新时代绿色可持续发展和生态文明建设提供高寿命钢铁材料支撑。


    后记:


    沉舟侧畔千帆过,病树前头万木春。科技创新能力越来越成为综合国力竞争的决定性因素,我国急需从“中国制造”向“中国创造”的飞跃。中国钢铁行业经过40 年的发展,发生了翻天覆地的变化,取得了举世瞩目的发展成就,但中国还不是真正的钢铁工业强国。唯有取长补短、开拓创新,方能在激烈的国际竞争中立于不败之地!


    人物简介

 

    王昭东,男,1968 年12 月生,东北大学材料加工工程专业教授,博士生导师,国家“万人计划”领军人才,国家科技部重点领域创新团队负责人,2011 计划“钢铁共性技术协同创新中心”先进热轧及热处理方向首席专家,国家重点研发计划项目负责人。兼任中国金属学会轧钢分会理事、中厚板学术委员会委员,《轧钢》杂志副主任委员,《冶金自动化》杂志副主任委员,Journal of Materials Science & Technology、Journal of Iron and SteelResearch, International、《材料热处理学报》、《钢铁研究学报》、《中国冶金》、《上海冶金》、《中国海洋平台》杂志编委。


    王昭东教授主要从事金属材料先进轧制技术和热处理的研究工作,先后主持或完成国家重点研发计划项目、自然科学基金重大/ 重点项目、科技支撑计划、973 课题以及企业重大科技项目50 余项。围绕热轧板带钢新一代控轧控冷工艺理论与装备技术,构建了以超快冷为核心的热轧板带钢新一代TMCP 理论体系,开发出“轧制-冷却- 热处理”一体化组织调控方法,建立起节省合金、提高钢材性能的新途径,推广应用至国内大型钢铁企业30 余条生产线,实现了4000 万吨/ 年节约型热轧钢材批量化生产规模。针对特种钢板热处理,研发出国内首套连续辊式淬火装备技术,构建起现代化热处理线工艺控制分析平台,应用至宝钢、鞍钢等20 余条生产线,并推广至美国、日本,显着提升了我国重大冶金装备技术的国际影响力。围绕我国金属材料产业与产品升级,面向国家重大战略急需,开发出系列高强结构钢、高等级耐磨钢、铝合金汽车板、核电用钢等金属材料热处理产品,突破了国外技术封锁,填补了多项国内空白。研究成果被列入国家科技部、发改委、工信部、国资委、财政部16 项产业政策文件,相继被《世界金属导报》评为2011 年、2013 年世界钢铁工业十大技术要闻;获国家科技进步二等奖3 项(两项总排名第1,一项总排名第6),省部级一等奖8 项,二等奖4 项、中国优秀专利奖1 项;发表SCI/EI 学术论文120 余篇,授权国内国际发明专利40 余项、软件着作权8 项。

 

 

 

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责任编辑:王元

 

 


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标签: 高性能钢铁, 东北大学, 王昭东

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