——记2017年度国家技术发明奖二等奖项目“脉冲磁致振荡连铸方坯凝固均质化技术”及其团队

　　本刊记者  吴 彪
　　
　　

　　
　　年过50岁的国人很难忘记中国缺钢少铁的日子:由于所需钢铁大多系进口，以致小小一颗铁钉，也称“洋钉”。曾经，一个国家的钢铁产量，就是国家的实力象征。世界列强，无一不是钢铁大国强国。正是因为有“为了一吨钢愁死英雄汉”的历史屈辱，才有今天一批执着勤勉的“钢铁人”和中国钢铁工业的崛起。
　　1月8日，在2017年度国家科学技术奖励大会上，国家科学技术奖获奖名单里钢铁行业中共有7个项目赫然在列，续写着中国钢铁行业科技创新篇章。作为与钢铁冶金行业结缘半生的专家，上海大学先进凝固技术中心（简称CAST）主任翟启杰也在这一天，带领团队登上这一科技界的最高荣誉殿堂——由他领衔的“脉冲磁致振荡（简称PMO）连铸方坯凝固均质化技术”被授予2017年度国家技术发明奖二等奖。而这支团队近20年的奋斗故事，也在团队每个人的心里泛起涟漪。因为，它关乎青春，更关乎梦想
　　

把“冰棍”做成“雪糕”

　　钢铁和我们的生活息息相关，往大了说有飞机航母，往小的说有图钉小弹簧。被称为“现代工业的粮食”的钢铁，是制造生活用具、生产机器和军事装备的重要材料，钢的生产和消耗量至今仍然是衡量综合国力的重要标志。因而，人们对钢铁生产技术的研究也从未止步。
　　20世纪50年代，欧美国家出现连铸技术，即把钢水连续不断浇注凝固，制成坯料。与传统模铸相比，该技术大幅提高了生产效率和金属收得率并节约了能源。到90年代，全世界90%以上钢用连铸工艺生产。然而，由于柱状晶发达等原因，连铸坯成分不均匀性问题突出，严重影响了钢铁制品性能均匀性和质量稳定性。
　　要知道缘由,就需要了解钢铁连铸生产的工艺过程。翟启杰饶有兴趣地为记者上起科普课。“通常情况下连铸坯的凝固过程就像冰棍的结晶过程。冰棍结晶时，冰晶粒从外面一直长到心部，形成贯穿冰棍的大冰碴，把杂质、包括糖分等添加物质都推到了最后结晶的中心。而雪糕就不一样了，它是由很多细小的冰晶粒组成，这样杂质和糖分等添加物质就会比较均匀。通常,连铸坯凝固时像冰棍一样，铸坯从外向内凝固，形成粗大的穿晶组织，把杂质元素、包括有用的合金元素也推到了铸坯的心部，造成成分和性能不均匀。如果把这样的钢坯轧制成板材或棒材，其不同部位性能就不均匀。如果把这样的钢切成小块分别制造成零件，这些零件的质量就不稳定。”
　　究竟通过什么方法可以解决钢坯凝固均匀性问题呢？翟启杰坦言，在技术路线的选择上，他们走过很多弯路。20多年来，他们尝试过添加形核剂、温度扰动、成分扰动，施加超声波、脉冲电流和脉冲磁场，然而最终均或是因为效果不稳定、或是因为工业应用困难等原因逐一放弃。最终，他们在研究脉冲电流细化凝固组织的机制中受到启发，发明了“脉冲磁致振荡技术”，从而解决了长期困扰国际冶金界的凝固均质化技术难题。
　　那么，这究竟是一项什么技术呢？用翟启杰的话来说就是，“这个技术就是把‘冰棍’做成‘雪糕’。通过电磁感应效应，使钢水中不断形成细小的晶核，从而避免出现粗大的柱状晶，最终达到均匀化的效果。”他提到，这项技术的核心是，感应脉冲磁场与金属熔体之间形成的电磁效应。因此，该技术不仅适用于钢的方坯连铸，也适用于钢的圆坯和板坯连铸以及模铸等其他与凝固相关的生产工艺。而对于铝、镁、铜等其它金属及合金，也有十分有效的细化效果。
　　

十七年磨一剑

　　“十七年铸剑,只为炉火纯青；一剑出鞘,定当倚天长鸣。”这句话用来形容这一项目的成功历程再恰当不过了。这项发明的问世，凝聚了CAST团队所有成员长达17年之久的默默坚守与付出，同时也给了“团队精神”“工匠精神”最好的诠释。
　　在2000年受聘上海大学之前，翟启杰在北京科技大学就已研究钢铁的均质化问题达5年之久，“研究了很多方法，但这些方法虽然在实验室是成功的，到现场却没法用”。换了一个新环境，转换一个新思路。来到上海大学后，翟启杰规划了一个全方位物理外场研究计划——系统研究脉冲电流、脉冲磁场和超声波等物理外场在钢凝固过程中的作用规律及机制，探索应用脉冲物理场解决钢的均质化的可能性和条件。因为要用物理场，就要和物理学专家合作。于是，翟启杰自己跑到物理系座谈好几次，表达了自己想把钢铁和物理结合并成立团队的意愿。此时，他非常幸运地遇到了志同道合的人。
　　富知愚，由于热衷于研究实际问题少有论文发表，虽然年过半百还只是物理系的副教授。这位别人看来最最平凡的老师，却和他的助手龚永勇、李仁兴一起成为翟启杰梦寐以求的合作伙伴。富知愚一直与翟启杰合作到退休，而龚永勇和李仁兴则一直与翟启杰合作到今天。龚永勇告诉记者：“我们一开始并不真正了解这个领域有多重要，可进入这个领域跟着做起来，特别是经常和企业进行交流，发现这的确是制约钢铁质量提升的共性瓶颈问题，于是越做越来劲，深信我们一定会有突破！”
　　经过无数次实验，他们终于在脉冲电流细化金属凝固组织机制的研究上取得突破，从而原创性地提出了PMO凝固均质化技术。2005年他们申请了发明专利，2007年他们在国际上第一次公开发表了这一原创性工作。随后，团队又开展了为期10多年更为艰难的产业化应用。
　　一个人潜心研究一件事近20年已属不易，一个团队每个人都坚持做一件事并享受其中则更为难得。团队成员之一的仲红刚告诉记者：“我们团队成员之所以都愿意留下来，一个很重要的原因就是我们对我们的研究工作充满信心，加上团队内部特别和谐。这些年，大家确实挺辛苦，几乎天天加班。”他笑言，这种强度要在企业里面的话不知道要发多少奖金。年近80岁高龄的翟启杰的中学老师从翟启杰的学生那里听闻团队的工作情况后，感慨地说，“即使在50年代，这支团队也人人都是劳模”。
　　对此，从原理到应用都深度参与的龚永勇也深有感触，他提到，跟着翟老师做研究的这些年是很愉快的，开始并没想到要去评奖，现在能获得国家奖，心情自然更加高兴，“这是对我们这些年付出的一种肯定，并且是国家级的认可”。如今，翟启杰带领的团队兵强马壮，有16位教师，其中6位教授，1位特级实验技术总监，在读研究生约有80人。翟启杰认真地说，团队就像一个大家庭，而这份荣誉属于团队中的每个人。他如数家珍地介绍了团队的每个人，包括已经退休的老师和毕业的学生。他说，今天的成果凝聚了所有这些人的智慧和汗水。
　　

大国钢铁之忧

　　1996年中国以年产1.01亿吨钢首次取代日本成为世界第一钢铁大国，之后年产钢水平一路跃升，至2003年首次达至年产2亿吨钢的规模，我们从年产1亿吨钢升至2亿吨级，用了7年时间；而此后，从2亿吨再升至3亿吨，仅用了2年时间，目前中国钢产量已经占全球钢产量的一半，成为名副其实的钢铁大国。
　　在采访中，翟启杰坦言，“在我看来，中国是钢铁大国，也是钢铁强国”。他认为，中国钢的产量大、质量好，装备先进，企业经济效益好，都处于世界钢铁工业的第一阵营里。从这个角度看，中国是钢铁强国。“中国是不是钢铁强国”争议最大的是，中国人近代在钢铁生产技术创新上还不足，在制约钢铁质量、效益、消耗和排放等共性关键技术上贡献还不多。
　　他坦言，获奖后压力更大。“我们拿了国家奖，说明我们的工作得到了国家层面的认可，但对中国乃至世界钢铁工业，我们又做出了多少贡献呢？”他解释说：“到目前为止，全世界还没有一个非常有效的方法解决钢铁的凝固均质化问题。这个问题不仅困扰中国，也困扰世界，它是钢铁产品质量提升的一个瓶颈。”
　　2015年，中钢协对PMO技术进行科技成果评价，专家们在肯定了PMO技术的原创性和先进性的同时，认为PMO作为一项共性技术，其推广应用将显著提高我国连铸产品均质化水平，为我国由钢铁大国变为钢铁强国做出重要贡献，并进而提升我国钢铁制造业产品国际竞争力。翟启杰更看重的就是专家们提到的第二类“贡献”。他说：“在这么重要的领域里，我们团队获奖了，那反过来扪心自问，我们对冶金工业贡献了什么？这份贡献不应该仅仅是一张奖励证书，而是要切切实实地把这项技术更多地推广到实际生产中，助力我国钢铁企业在铸坯均质化水平上处于国际领先水平。”
　　在翟启杰看来，获奖不是结束，而是一个新的开端。这项技术的推广应用，以及由这项技术而衍生出的相关技术的研发成了压在这个团队肩上的两件大事。所以这位即将步入花甲之年的钢铁专家笑称自己“已经过了随随便便就可以开心”的年纪，现在更多地是感受到随之而来的压力，“我们有没有对世界钢铁工业的共性关键技术，做出中国人自己的贡献”。他希望，这项技术可以在更大范围得到推广应用。
　　

跨界人才龚永勇

　　一个成功团队的发展史，必然是一群志同道合者的奋斗史。“我们团队最可贵的就是，大家甘心当老二、老三甚至老五，从没人争名誉。团队就像一部机器，每个人都在自己岗位上做一个螺丝钉，做一个零部件，发挥自己的作用，这才让我们的项目开花结果。”谈到PMO技术，不能不谈到两个至关重要的获奖人，龚永勇、李仁兴。学物理出身，喜欢做一些实用性强的技术——就凭借这样的个性，龚永勇半路出家，跟着翟启杰在项目中干了17年。用他的话说，“我们都挺喜欢搞技术，做实用性的东西，而不是仅仅在理论上”，因为这份缘，“翟老师来找我们，而我又对做应用技术非常感兴趣，我就跟着做了”。他开玩笑似地说，“那个时候还没听说团队，就是一起干，干着干着兴趣倍增”。以至于后来，龚永勇又边干边读了翟启杰的博士，“钢铁方面的知识都是后来学的”。如今，龚永勇既懂物理，又懂钢铁，成了一名名副其实的跨界人才。
　　在老师、也是同行者翟启杰的眼里，龚永勇是个“智多星”，“他是学物理的，技术研发中遇到很多问题都是他的研究范围，比如磁场、电流分布，电流与磁场对金属的相互作用，从宏观上的运动到微观上的机制，都可以放手交给他做，而他总是有些奇思妙想冒出来”。最让人惊奇的是，放下电脑，穿上工作服，龚永勇还可以扮演一名一线工人的角色。真可谓是解得了方程，干得了工程。
　　改革开放那年，适逢龚永勇初中毕业。他随父母踏出山沟，来到省会城市并有幸考入全省最好的高中。读高中时，一本爱因斯坦文集让这位少年初尝认识自然规律的趣味。带着对物理理论的憧憬以及对技术发明的渴望，他选择了中国科技大学近代物理系中最偏向于技术的核电子专业。这是一个既能满足对自然世界奥秘的窥探，又可以实现技术创新的专业。攻读研究生时，他同样遵从自己的内心，选择了与物理基础关联的光学材料方向。
　　运用扎实的物理及电子学知识储备，结合自己工作中的实践，龚永勇在电子电路方面出色的才能得到彰显。他在脉冲顺序放电及结构设计方面小试牛刀，申请了多项实用新型专利。但这些都仅仅是在技术层面的发明创造，在他看来，国人还是主要以学习国外的技术为主要手段。而在没有理论指导下的技术创新只能是无本之木，无源之水。
　　为了给技术找到基础的根源，工作后的他又重新回到大学并与翟启杰相遇、相知。就像是一对“最佳CP”，翟启杰提出的从电场到磁场再到超声波以及电磁超声波方面的一个接一个的技术难题，被龚永勇一个一个攻克。
　　在做项目基础研究时，不但需要提供各种关键设备的技术支持，更需要在物理外场基础研究方面进行理论分析。只有通过对各种外场的产生及作用方式的分析，并综合各种物理外场的优缺点，才有可能助力团队提出“脉冲磁致振荡”的全新概念。单从这一点上，翟启杰就给予龚永勇极高的评价。而这些，都得益于龚永勇扎实的物理学功底。
　　在团队获得成功的时刻，龚永勇有了更深的体会：“也许现在看来这个技术并不复杂。大家也都知道，发明有时也仅仅是一次站在巨人肩膀上的幸运，但无论今后是否还能开发出更好、更先进的实用工业技术，基础研究与综合技术创新的结合都将是社会发展的源泉。”
　　

匠心至纯李仁兴

　　团队的力量是无限的，大家相伴前行，才能披荆斩棘，攻克难关。提到那段苦苦坚守做科研的日子，团队所有的成员都深有感触。也许就是自己过完的苦日子，才不为外人所道也。而这些苦日子，团队中就数李仁兴过得最多，他也成了翟启杰挂在嘴边常常说起的“老黄牛”。
　　比喻虽朴实，但李仁兴却实实在在是一位踏实肯干、技能出色的工程师。他为人和善、工作勤恳，在团队和学生中树立了很高的威信。学生们说：“在生活和工作中，我们还从未见过李老师生气的样子，遇到问题时，他总是以思考代替埋怨。”实验室的工作繁复而细致，李仁兴总是事无巨细，力争做到精准，无愧于特级实验技术总监的称谓。
　　这位衣着朴素、双手沾满油灰的工程师，几乎把全部的精力都投入在实验室。他在脉冲电源研制中的创造性贡献和精益求精的工作，保证了PMO技术应用中脉冲电源零故障。李仁兴是地地道道的上海人，几乎所有的朋友、亲戚圈都在上海，但他几乎从没有个人应酬。90%节假日，他都泡在实验室、办公室、生产现场，要不就在外出差。
　　据他的学生说：“我们课题组人特别多，有关实验室的事李老师都要亲自过问，忙起来就像个陀螺，风风火火，但却总是粗中有细，谨慎稳妥。”学生回忆说，“记得他主持完成的国内外首个脉冲磁致振荡结晶器要在工厂进行中试实验，临近设备运抵工厂前，李老师还连续几日在实验室运行设备，测试水温，进、出水压，脉冲频率、脉冲宽度等，生怕哪个环节出错。”
　　对学术精益求精、对工作无私奉献——他感染了每一位与他共事的人，也将这些优良的作风传递给了他带过的每一个学生。
　　翟启杰每每回忆起一件事，心头就会一阵哽咽。有一次，李仁兴在搬运实验装备时去扶要倒的电源箱，一不小心弄伤手指，两个手指当场骨折，血肉模糊。当时，学生看到后就马上就拿起手机给翟启杰打电话，当场被李仁兴喝止住：“给翟老师打电话干什么？翟老师这个人，你给他打电话，他肯定马上就过来了，他那么多事情要做，你让他过来干吗！”学生听完懵了，李仁兴解释说，自己晚些时候再告诉翟老师。谁知他独自去医院缝好针，包扎好伤口，休养得差不多好了，李仁兴也没和他说。后来因为发现李仁兴几天没像往常一样早早来上班，翟启杰才从同事那里得知他受伤的事。翟启杰知道，李仁兴是怕他担心、怕他为了自己的事情耽误工作。
　　发明创造改变着人类生活,并推动着人类文明不断进步。国家技术发明奖是对重大技术发明的奖励,突出了从无到有的原创性和领先于同类技术的先进性。翟启杰希望，这项技术可以在更大范围得到推广应用，为中国乃至世界钢铁冶金行业的发展进步做出独有的贡献。
　　

编后：

　　翟启杰带领CAST团队团结奋进，他们是一群徜徉在科研王国的智者，不带任何功利色彩、快乐而有兴趣地做科研，在求知创新中寻找到满足感和幸福感。对于科研工作者来说，这才是最难能可贵的。翟启杰说，PMO技术成果属于CAST团队的每一个人，包括现在还在这里工作和学习的老师和学生，也包括已经退休的老师和毕业的学生。虽然他们的名字没有出现在获奖名单里，但是却刻在我的心里。他说，“和一个家庭一样，一个团队也有生命周期。团队的成员成长起来了，我退休了，可能过一些年我们的团队也就不存在了。但是，如果这个团队的文化得以传承，这个团队的科学贡献能在行业发展中留下痕迹，这个团队就可以引以为豪。我并不在意我本人和我们团队获得多少荣誉，我在意的是我们的技术一直在被使用，并被后人发展。”