2020年度国家科学技术进步奖二等奖

　　　　　　

——记2020年度国家科学技术进步奖二等奖项目“钢材热轧过程氧化行为控制技术开发及应用”

　　

蔡巧玉

　　

　　

　　随着新中国70多年的发展，我国钢铁工业已经成为最具全球竞争力的产业，连续多年钢材产量近10亿吨/年。钢材作为用量最大的金属材料，一直以来都是海洋、交通、能源等行业的支柱性原材料。尽管中国已经是钢铁大国，但却并非一个钢铁强国，怎样才能实现从钢铁大国向钢铁强国的转变？东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室副主任刘振宇给出了答案，他说：“创新钢铁工艺，开发钢铁新产品，推进智能制造，提高品种质量，为中国成为钢铁强国奠定扎实的基础，才能支撑起中国钢铁的脊梁。”

　　如今，刘振宇和团队经过艰难攻关，完成了“钢材热轧过程氧化行为控制技术开发及应用”这一项目的研发，全面实现了钢铁热轧技术的国产化，荣获2020年度国家科学技术进步奖二等奖。

　　

　　

　　2003年，刘振宇从日本北海道大学回国，回到了自己的母校——东北大学，从事钢铁材料高温性能方面的研究。2005年，国家按照最新的环保要求，拆除了原有的大梁板生产线，从日本进口了全套的新生产线，结果发现日本的大梁板生产线已无酸洗工序。为解决这一问题，国内主要钢铁企业纷纷开始研发免酸洗技术。刘振宇抓住了和鞍钢集团有限公司合作的机会，用了一年多的时间，率先开发了“免酸洗热轧钢板生产技术”，使我国大型汽车企业摆脱了对进口汽车大梁板的依赖，“其各项指标可以达到日本的免酸洗钢水平”。

　　开发“免酸洗热轧钢生产技术”是刘振宇和团队对钢材热轧过程氧化行为控制技术开发和应用的第一步，他们摸索出了一些经验。与此同时，刘振宇还开发了易酸洗热轧钢生产技术。钢材氧化皮厚度由约12μm降低至5μm.8μm，Fe2O3含量由原始的20%降低至2%以下，酸洗效率提高20%以上，吨钢用酸量下降15%以上，酸洗后表面质量明显提高。高强酸洗板表面缺陷率由项目实施前的2.7%降低至0.6%以下，满足了宝马等汽车企业及海尔等家电企业的严格要求，完全替代了国外同类产品。2008年，刘振宇及其团队荣获中国冶金科学技术奖一等奖。2009年易酸洗热轧钢铁技术被《中国冶金报》评为冶金行业节能减排标志性技术。

　　

　　

　　2008年以后，随着我国的钢材高强化趋势发展越来越快，逐渐从510MPa级向610MPa级发展，钢材成型技术也从冲压成型向辊压成型发展，“这个时候按照日本标准来控制氧化铁皮，就不太适用了”。

　　为此，刘振宇带领团队做了大量的基础研究工作，特别研究了轧制过程当中高强钢的化学成分对氧化行为的影响，发现这是一个“变形+气氛+温度”多因素耦合的问题。在此基础上，刘振宇从实际热轧生产工况出发，建立热轧过程氧化皮厚度、结构演变模型。最终，团队开发出适用于热轧环境的FeO相变动力学精准控制技术，可以生产出400～800MPa级免酸洗钢，冷加工氧化皮掉粉量由100mg/dm2降至3mg/dm2。

　　这个技术有多难呢？2015年，美国车桥制造国际控股有限公司向全世界招标800MPa级别的高强钢用于制作车桥，并且要求车桥成型以后，每平方分米氧化皮掉粉量不能超过10mg。“这是非常苛刻的要求，日本的新日铁公司没敢接，欧洲的钢铁公司也没敢接。”最后由马鞍山钢铁股份有限公司（简称“马钢”）接下了合同，他们与刘振宇的团队合作，在2016年成功生产出了超高强度级别免酸洗钢，每平方分米氧化皮掉粉量在3mg以下。“比美国车桥公司的要求还低了很多，所以马钢基本上垄断了车桥最高强度级别的这种原材料供应，一年的稳定供货量大概是15000吨。”

　　解决超高强度级别免酸洗钢的生产技术问题，是刘振宇和团队对钢材热轧过程氧化行为控制技术开发和应用的第二步，但刘振宇并没有满足于此。他深知我国的钢材表面质量一直与欧美国家差距较大，钢材往往有起粉、花斑、色差等严重的表面缺陷，严重破坏了钢材的动态承载能力及使用寿命等服役性能，制约着我国钢材向高端制造深入的脚步。

　　“我国生产的中厚板有个特点，性能方面基本上没有什么太大问题，但产品的表面质量比较差，很难进入国际的高端市场。”刘振宇通过调研发现，表面质量问题70%以上是由于热轧生产中氧化控制不当造成的。因此，如果能控制好热轧过程的氧化行为，就能在最大限度上解决钢材的表面质量问题。

　　“这个事一开始没什么人重视，觉得表面质量可以通过修磨解决。”刘振宇告诉记者，国际的标准是禁止局部修磨，一次成型。因为如果局部产生缺陷，钢板的使用寿命要降低30%以上，换言之，就是禁止表面产生任何缺陷。

　　“我们做了大量的工作，但理论基础是相通的，都是多因素耦合的热轧过程氧化行为研究。”在这个基础上，刘振宇开发出高表面质量中厚板的生产技术。以唐山钢铁集团公司（简称“唐钢”）为例，在技术攻关之前，唐钢生产的中厚板供应给日本高端工程机械制造企业，是会被百分之百退货的。刘振宇和团队在经过技术攻关之后，使高表面质量中厚板的生产技术在杭钢实现了工业化，“比如说小松机械、神户制钢，他们一年的工程机械用钢基本上90%是从唐钢订货，基本形成了完全的专供产品”。刘振宇自豪地说，现在企业生产的中厚板全部都能满足国家重大工程的需求。

　　

　　

　　工信部在《产业关键共性技术发展指南（2017年）》中，明确强调了要加强钢铁流程大数据时空追踪同步和大数据深度挖掘分析，以实现钢铁材料智能化设计、产品定制化制造、钢材组织性能预测、钢种归并和钢铁全流程工艺参数协调优化控制等目标。

　　刘振宇和团队积极响应，他们与宝钢梅山公司、鞍钢等企业通力合作，深入开展基于热轧板带钢工业大数据预处理技术的研究，从实际热轧生产工况出发，建立热轧过程氧化皮厚度、结构演变模型；基于大数据驱动，将机器学习和智能优化理论应用于模型参数的动态优化，实现高精度模型开发，并构建热轧氧化智能控制系统，开发出了以组织性能预测与优化为核心的钢铁智能化制造技术，有效解决了当前钢铁企业规模化生产和用户个性化需求之间的矛盾。

　　但是刚开始推广钢铁智能化制造技术时，很多钢铁企业的技术人员对此并不信任，为此河钢集团有限公司为刘振宇的团队组织了一次轧卡实验。实验耗费25吨钢材，价值40万元。结果显示，检测到的氧化皮厚度和人工智能系统预测的结果完全吻合。至此，钢铁智能化制造技术非常顺利地在各大钢铁企业应用落地，实现了系列钢种氧化皮厚度减薄15%以上的标准化控制，现场一次性调试成功并批量供货。“有了这个技术，我们就可以在控制氧化行为的过程当中，按照用户的需求，来反向优化制定相应的轧制工艺。”刘振宇开发的钢铁智能化制造技术，不仅在国内得到广泛应用，而且出口至其他国家，达到国际领先水平。这也是刘振宇和团队对钢材热轧过程氧化行为控制技术开发和应用的第三步。

　　截至目前，刘振宇和团队开发出的具有完全自主知识产权的成套控制技术，已经应用于鞍钢、河钢、太钢、宝武、马钢、涟钢等19家钢铁企业，包括热连轧、中薄板坯连铸连轧、薄板坯连铸连轧、中厚板高速线材等45条产线。钢材氧化行为智能控制系统成功应用于韩国现代制铁2#热连轧生产线，实现了氧化行为的动态跟踪与最优控制。作为热轧领域的共性技术，该技术可推广至不同热轧产线，每年可覆盖产能5亿吨以上，具有良好推广应用前景。

　　15年来，刘振宇专注做一件事，研究钢铁材料质量控制技术，带领团队不断创新，解决了许多钢铁行业面临的瓶颈问题，先后获得国家科学技术进步奖二等奖2项，省部级一等奖9项、二等奖6项，获发明专利40余项，发表论文300余篇。

　　未来，刘振宇将与团队一起继续搏击在钢铁产业关键性技术发展的浪潮中，发挥自己最大的力量，为我国向钢铁强国转变交出一份让人满意的成绩单。