王国栋院士

钢铁是目前全球应用范围最广的金属材料，高端、特种钢材则是钢铁材料中的明珠。在当今各国钢铁竞争中，已不仅仅是总产量，还有产品结构，尤其是高端特种钢材的生产水平和能力。而在这个方面，恰恰是我们国家亟待补齐的一块短板。飞机起落架、高速列车车轴、轴承等抗疲劳高强钢，核电站用耐高温、抗辐射的不锈耐热钢管等特种钢材，都曾长期依赖进口。几年前，我们的圆珠笔笔头都要依赖进口的现实，至今让许多人记忆犹新。

经过40多年的艰苦奋斗，1996年我国粗钢年产量历史性地突破1亿吨，跃居世界第一。之后20多年，一直雄踞全球首位。然而，作为钢铁生产大国，我们却遇到了低端供给过剩和高端供给不足的双重尴尬与困扰。尤其是2008年国际金融危机之后，全球钢铁长期处于产能过剩状态，给我们带来巨大压力。如今，我国进入新时代，新目标要求经济向高质量发展转型，去产能，钢铁首当其冲，仿佛一夜之间钢铁成了落后材料的代名词。作为昔日的材料霸主之一，钢铁究竟还有没有发展的空间和潜力？在产能过剩、生态环境压力不断加大的今天，中国钢铁产业的绿色转型之路究竟在哪里？要实现我国钢铁工业以结构优化和质量升级为标志的再次腾飞，必须以科技创新为抓手，全力推进中高端钢铁材料的研发，打造我们自己的“超级钢”。在这条路上，我们究竟取得哪些成就？今后怎样继续突破？CCTV-2《中国经济大讲堂》特邀中国工程院院士王国栋，为您深度解析——《我们如何打造“超级钢”？》

王国栋，中国工程院院士，东北大学教授、钢铁轧制技术领域国际知名专家。1966年从东北工学院毕业后，王国栋进入鞍钢，在生产一线度过了难忘的10年，与钢铁材料结下了一生的不解之缘。1978年10月，研究生毕业之后，王国栋回到东北工学院任教。此后30多年，他全身心投入我国桥梁钢、管线钢、高层建筑用钢，以及航母等大国重器用的高端钢材技术研发，矢志使我国的钢铁工业早日摆脱被“卡脖子”的状态。由他领衔的东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室，承担我国超级钢的研究和开发科研项目，在耐低温、耐高压、耐腐蚀、耐冲击、耐疲劳等高强、特种钢材研发上，不断取得重大突破。其科研成果曾荣获国家科学进步一等奖和二等奖，被业界誉为不老的“钢铁侠”。

1996年的时候，我们的钢产量达到了1亿吨，登上了全球第一的宝座。到了2018年，我们的钢产量就达到了9亿吨。什么意思呢？就是我们中国一个国家的钢产量，比全世界所有其他国家的钢产量的总和还要多。比如说我们的高铁、汽车、建筑、桥梁，我们的大国重器都少不了钢铁。我们可以生产几乎百分之百的钢材的品种、规格。2006年的时候。我们通过出口，成为了钢铁净出口国。这个发展的过程，实际上给我们国家的经济建设、国防的发展和人民生活提高都带来了非常重大的影响。

我们设想，如果没有我们今天这9亿吨钢，我们能不能有35000公里的高铁呢？能不能有我们14万公里的高速公路呢？能不能有我们6000公里的轨道交通呢？我们的长江上还能不能有100多座大桥呢？我们还能不能有每年2800万辆~2900万辆汽车的产量？钢铁在这里起了非常大的作用，它涉及到我们的国计民生、国防安全。

现在我们政策上的限产能是限制什么呢？是限制落后产能，把它关闭了，或者改造成为先进的产能，而对优良的产能我们还要扶持它。我们的政策是不鼓励大家去追求数量、追求规模，因为现在我们是要高质量发展。高质量发展的话就是要把东西做得好，然后同样数量的东西我们赚钱、有利润。做企业不赚钱不行，要把效益、利润、质量等等做上去，这才是我们真正地发展了我们的钢铁工业。

好钢是如何炼成的？

钢铁是怎么炼成的？首先要有铁矿石和煤，然后把铁矿石和煤通过焦化和烧结的环节，变成烧结矿和焦炭；然后在高炉里边进行化学反应，变成铁水；铁水出来以后，经过转炉的冶炼、吹氧、去碳、降碳，使碳达到一定的程度；再经过精炼，把成分进行调整，变成了钢；钢水又经过连铸以后变成钢坯；钢坯又经过热轧变成热轧产品；热轧产品又经过冷轧，变成冷轧产品。这时候我们就得到各种各样的钢材，比如型材、 板材、管材等等。

在这个过程中，我们要抓住一些钢铁重要的性能来进行调整，通过我们的加工过程来提高钢材的性能，这就是我们所说的控轧控冷技术。

钢材的控轧控冷技术，是指在轧制过程中通过控制加热温度、轧制过程、冷却条件等工艺参数，改善钢材的强度、韧性、焊接性能。而钢铁轧制就是通过施加一定的压力，使钢锭、钢坯在旋转的轧辊间改变形状和性能。在钢铁生产技术中，轧制控制是使粗钢变成高精度、高性能、高效益的钢铁产品的一个关键工艺。王国栋院士数十年潜心于我国钢铁轧制技术的研发和攻关，通过轧制与冷却过程来控制、改善钢材的性能。

我们改变各种各样的轧制条件就会改变钢的性能，可以在很大的范围里调整钢材性能。我们如果能够把这个条件控制好，比如它的变形程度、温度等等，我们就会得到非常好、性能非常优异的材料。

如何调整温度？用水来调整最好。多加点水，一冷却，温度就变化了；多浇水，它就冷却得快，少浇水就冷却慢。所以在钢材的发展过程中，就出现了叫做控轧技术，特别是控冷技术。世纪之交的新一代钢铁材料的研究中，超级钢的发展也采用了控轧控冷技术。

国外在这项技术的发展过程中，发现原来的控轧控冷系统有点问题。就是在它冷却的时候，由于它采用低压的层流水，导致它的冷却和传热效果都不是特别好，不均匀，所以钢板就会“翘”，这是一个挺大的问题。另外那时候的冷却技术，是直接冷却下来就完了，很少考虑冷却的方式，是先快冷后慢冷？还是先慢冷后快冷？还是先快冷再慢冷再快冷呢？这种冷却的模式上的研究，如果和我们的金属指标、金属内部的材料的变化结合在一起的话，可以给我们调整材料性能提供一个好的手段。所以在这个时候，在国际上来看，他们又开始研究超快速冷却的技术

如何打造我们自己的技术明珠？

上世纪七十年代，日本开发了一个系统，叫做Super OLAC。OLAC就是在线加速冷却的意思，Super是超级的。这个超级的冷却系统，它可以实现高冷速，可以非常均匀地冷却。

当时得到这个消息以后，我们觉得这个东西很重要，我们也得干这个事。然后我们就琢磨这件事，想了解一下这个情况。但是虽然人家介绍了优点，介绍了所开发的钢材的性能，但是技术并没有公开。钢材冷却的时候会有一个淬火的过程，从摄氏900度到1000度这个温度，用快速冷却的办法，把它冷却到室温去。这个过程，我们钢材最薄的只有8个、10个毫米，它都可以保证钢板很平，而且效果也非常好。我们正好在那时候搞钢材热处理，我们的淬火机，取得了一个突破，做得挺好。淬火机出来了之后，这边就想我们这个轧机冷却系统，能不能也搞一个快速冷却系统？这两个思想一借鉴，那就行了，不用找外国人了，我们自己想办法，就设计了这个系统。

我们应该说是几乎和国外是并行的，但还是稍微慢了一点，属于跟跑的末期阶段。但是我们很快就把这个事做上去了。那么怎么做呢？这里就有一个怎么把我们设计的东西用到现场上去的问题，我们就在找这个机会。

那个时候正好石家庄附近有一个敬业集团，他们有个3100mm的轧机，我们就在他这块做了第一套超快冷却系统，到现在效果还是可以的，因为这东西它板形不爱瓢，就是平，这就很好。

我们就接着把这个技术往鞍钢的4300mm轧机上应用，还有当时首钢的一个新引进的4300mm轧机。经过大家的共同努力，也克服了不少现场中出现的问题，出来以后板子非常平。板形这个问题的解决，使我们这个管线的生产不断提升，X80用于西气东输，我们国家现在管线钢是全世界做得最好的。

一个印度人到南钢，就看着他们的轧制线，整个轧制线上采用的全是德国SMS西马克的设备，仅仅控冷这一段，上面是一个RAL的标志，那是我们实验室的logo。他看着这板子生产这么好，冷却的效果这么好，他挺奇怪，就问南钢的同志，这个RAL是什么公司？后来听说是一个学校里实验室，他感到很惊奇。所以说，我们是在外国设备林立的地方，镶上了一颗我们中国人做的明珠。

我们在钢板的冷却控制上，是从跟跑，到差不多并跑，然后又开始走向领跑的地位。

另外，企业里跟我提出，说我们这个系统是和外国公司一块做的，得和它能兼容。首钢京唐，就是现在的曹妃甸，后来就找了我们，就是在外国的新引进的设备上给它开了一刀，把我们超快冷设备给它装上去了，解决了它在热连轧生产冷却过程中的问题。

国内好几家采用这个系统，这个系统都是在和国外的引进设备在一起的，外国人做不到的地方我们做到了。

在新的时期还有一个问题，就是人们的眼光和他们的期望值和10年之前都不一样了，有很大的变化。他们的期望值很高，他们希望有更好的设备来满足他们的要求。所以我们必须要“啃一些硬骨头”，就是人家都解决不了的问题你去做，你才可能有市场。如果要是人家有了，人家自己厂里自己能做了就自己做了。人家不能做呢，可能还可以问外国去，如果外国也没有的话，那这些东西你要做的话，可能就会是一个很好的一个机会。所以在新的时期里头，我们就必须开发更多自主的、原创的、外国没有的这些东西。

在控冷系统上，我们了解到钢管的控冷系统国内外不少厂都尝试过，但是都没做成。所以钢管的生产过程，它有两个依靠：一个是加合金，还有一个就是后边的热处理。大家想加合金也好，热处理也好，都是资源能源的消耗，它不是一个真正的绿色化的技术，如果我们能把控冷做好那就行了。

宝钢听到这个消息后来找我们，和我们的同志们一块儿组成了一个联合的研发团队。经过3年多的时间，经历了将近100次的工业性的实验，终于把这个系统做出来了。做好以后又对整个的工艺布置重新进行改造，现在这个系统发挥了很好的作用。

所以我们想，在这种情况下，我们必须要发挥自主创新的精神，敢啃硬骨头，敢做别人不敢做的事。

钢铁材料研发，未来什么样？

我们觉得中国钢铁工业高质量发展有四个目标：工艺的绿色化、装备的智能化、产品的高质化、供给的服务化。这是四个方面，分别是工艺、装备、产品、 供给，其中工艺是龙头。

1、节能减排，变废为宝。

什么是工艺绿色化呢？就是减少排放和污染，保证环境友好，这是一个方面。另一个方面就是节省资源和能源，以最低的消耗生产高质量的产品，比如说减少排放和污染。我想咱们钢铁工业虽然现在在这方面还有很多问题，但是我们这行业的同志们确确实实作了巨大的努力，而且收到了很好的效果。比如河钢集团旗下的唐钢，它的生产用水量是很大的。但钢铁生产不需要用新水，把我们城市的废水和我们钢厂里头的废水加在一块儿处理了以后，再循环使用，就可以在不增加一滴新水的情况下，生产1000多万吨钢。这个做法还获得了世界钢协的可持续发展奖。污染还包括废气、固废物，固废物现在不是废物了，是宝物了。固废物加工以后能赚钱，钢厂还能够获利，这都是我们绿色化的结果。再就是要节省资源和能源，我们的生产过程必须是节省资源和能源的。

2、建设聪明的生产线。

装备智能化现在是一个热门的话题。装备智能化就是我们要把我们的装备通过智能化的制造建设，使之变成一个智能的，能够思考、能够学习、能自己运行得越来越好的设备。

我们钢铁工业和汽车上智能制造不一样。汽车上智能制造是一件件往上焊，是单件生产的。我们钢铁工业叫流程工业，流程工业都是黑箱，所以要想控制它是很难的。

现有的控制系统中有一个信息物理系统。假如一边是实体高炉，另一边是它的一个孪生的或者是叫双胞胎的数字化的东西。这两个东西是通过数字化，把高炉里啥样给描述出来。所以，你得有这个东西才能谈得上智能制造，如果没有这个数字双胞胎，你想智能制造，没门儿。

别看我们钢铁行业不起眼，钢铁行业的自动化水平是各个行业里最高的。比如轧钢的系统，它是多变量、强耦合、非线性、大滞后，这些控制系统最难的特点，我们轧钢的系统全有，它的变量上千。而且这些变量是强耦合的，都搅在一块了，你动这个那个又变了，在这种情况下，你控制很困难。由于它很难，所以钢铁的控制系统是最复杂的

我们现在需要多学科结合、学科交叉来做，起码搞钢铁的是炼铁、炼钢、连铸、轧制都要有专家，还得有信息专家、自动控制专家等等。按照任正非的话说，还得有物理学家、数学家和化学家，得有这些人参加，学科交叉。另外，行业上要协调协同，钢铁行业和信息行业、传感器行业都得结合起来。

3、拼质量，从第一到唯一。

中国钢铁产品的高质化大致分为两方面内容：一个是现在大家有的产品，我们要做到通过转型升级、提质增效，做到世界第一；还有一些就是领跑性的、前沿性的，这些技术全世界还没有，我们要做到唯一。

做材料研究需要具备三种能力。一个是叫做表征和评价，就是说钢材来了，你能把它的特点都搞清楚，你能通过观察显微镜或者是各种实验方法，把它的基本原理给表示出来，这叫表征。这是一个很重要的能力，要是表征不好的话，即便你做出来了，你不知道里边怎么回事儿也不行。第二个是合成与加工，就是说我们要把材料做出来。第三个能力是计算和建模，这是这些年新发展起来的。过去材料的工作是讲配方，是用显微镜看，现在还有一个计算这条路径。建立模型计算，把这些规律进行计算，而不是去测量，这个工作也是最近这些年才发展起来的。国外有材料基因组计划，有计算材料工程、集成计算材料工程，都是属于这个方面的内容。从这三个方面来看，我觉得我们现在在合成加工方面还是有点基础的，还有表征和评价我们也不错。我们的研究手段，比如说原子探针，还有一些原位观察的设备，我们国内现在也都有了，而且也有不少好的结果发表出来，这也不错。相对来说，最薄弱的就是计算和建模。所以说，这三个面一衡量，我们将来要抓住建模和计算，要抓住前沿。我们要做这个事就得想办法吸引人才。我们学校引进了一个年轻人，今年38岁，他是易红亮教授，他在研究汽车用钢的热冲压过程。这个热冲压过程是相对于冷冲压过程的问题发展起来的。我们现在主要做先进高强钢，强度都是在700兆帕以上，要达到800兆帕、900兆帕、1000兆帕这么高的强度，所以成形很困难，对装备模具的要求也非常高，质量也很难控制。为了解决这个问题，人家想出一个创新性的热冲压，把它加热到八、九百摄氏度进行冲压，成形非常好，还没有回弹，这多省劲。全世界的钢厂，还有汽车厂都在做这个事。我们易老师通过和汽车厂的结合，通过和钢厂的结合，开发了一个2000兆帕的热冲压钢。它不但强度提上去了，而且塑性仍然没下降。所以它和本钢合作做出来的2000兆帕的热冲压钢，在北汽新能源进行了上车试验，效果也是非常好的。

还有一个例子，就是低温压力容器用钢，要求在摄氏零下196度的时候，还有很好的塑性。这个是国家的“十三五”重点项目，一共18个单位一起协同创新，大伙儿一块儿来做。我们现在做出了两类：一类是属于做陆基的LNG液化天然气的储存罐，还有一个是船用运输的LNG的储存罐。原来做这个罐子都是用9镍(9Ni)钢，在这个过程中，我们思考能不能把这个9镍（9Ni）的用量想办法降下来，因为镍很贵。这么高的镍含量的话，造价就上去了。现在就采用了微量铬和微量钼代替镍，同时采取了新的热处理工艺，最后做出来这个钢是6.5镍(6.5Ni)，降了2.5的镍，这是一个非常大的进步。

那么，如果是做运输液化天然气的船，LNG的储物罐还需要有一个特殊的性能——耐热疲劳。液化天燃气的液化温度是摄氏零下162℃，在这个温度下，装船的时候能把液化天然气灌进去。到了地方，你还得把液化天然气倒出来，这个罐的温度又上来了。所以它是一个周期性循环的这么一个加载、装载 、热循环的过程，这里头就有一种高锰钢，它有这个性能。这个工作也取得了很大的进展。

另外还有一个钢也是我们急需的，就是海洋平台用的高强钢。因为海洋环境非常恶劣，它对强度要求是非常苛刻的，同时又是在深水里头，越来越深，负荷也就越来越大。这种钢过去都是加好多的镍、钼等等这些元素，提高它的性能。现在我们也是在这个过程中开发了一种高锰的钢，这个钢加5%左右的锰，很好地改善这个材料的性能。这样的话，它的造价就比之前每吨可以节省4000块钱成本这些东西都是我们经过探索，提出创新的思想，通过对材料方面的研究，解决了我们国家的重大需求，实现高质量、低成本，给生产带来了效益。

4、以需求为导向，一切为客户服务。

第四个方面，供给服务化。我们现在提出供给侧结构性改革，推动高质量发展，这方面企业做了很多的工作。河钢集团在智能制造方面是非常活跃的，在供给侧结构性改革方面也确确实实是做得不错的。它有两个工作是很有意义的，一个是什么呢？海尔是家电方面的巨头，河钢和海尔就先建立一个家电用钢的实验室，通过这个实验室来检测我们的材料，提出性能要求，指出我们的不足，这个实验室取得了很好的效果。后来它就干脆点，把海尔的部门70%的股权买下来，让河钢的同志真正地进到海尔的产业链去。这样的话只要有需求，你提出来我们给你做，我们做的你不满意，咱们俩一块儿找毛病，找完毛病以后一块改，改完再做。这使得我们的服务工作能服务到用户的心坎上去，非常贴心。这样用户满意了，同时河钢的家电用钢产品也取得了非常大的进步，它后来又成立一个创新中心，也是这个过程。

现在河钢覆膜的家电板占全国50%以上，彩涂板占全国的30%以上，在全国家电板行业是领先的单位。所以说，这种钢厂供给侧和用户需求侧的紧密结合，甚至是融合，融为一体，为技术提高带来巨大的活力，使我们的技术进步有更大提高。

最后想说几句话。钢铁工业200多年历史了，到今天来说不是夕阳工业，历久弥新，还正在朝阳。只要创新，钢铁工业永远是朝阳工业。因为社会在发展，需求在不断提出来，钢铁的潜力通过新的技术的开发会不断地提升。创新任重道远，历史的重任落在我们中国人的身上，责无旁贷。因为现在我们占着全世界二分之一还要多的钢铁产量，我们中国人把这事做好，就是勇于担当与挑战、勇于创新，留下中国人的钢铁印记，进入到世界领先的钢铁行业集群。　（来源：冶金计量与信息化）