鋼鐵是目前全球應用範圍最廣的金屬材料，高端、特種鋼材則是鋼鐵材料中的明珠。在當今各國鋼鐵競爭中，已不僅僅是總產量，還有產品結構，尤其是高端特種鋼材的生產水平和能力。而在這個方面，恰恰是我們國家亟待補齊的一塊短板。飛機起落架、高速列車車軸、軸承等抗疲勞高強鋼，核電站用耐高溫、抗輻射的不鏽耐熱鋼管等特種鋼材，都曾長期依賴進口。幾年前，我們的圓珠筆筆頭都要依賴進口的現實，至今讓許多人記憶猶新。
經過40多年的艱苦奮鬥，1996年我國粗鋼年產量歷史性地突破1億噸，躍居世界第一。之後20多年，一直雄踞全球首位。然而，作為鋼鐵生產大國，我們卻遇到了低端供給過剩和高端供給不足的雙重尷尬與困擾。尤其是2008年國際金融危機之後，全球鋼鐵長期處於產能過剩狀態，給我們帶來巨大壓力。如今，我國進入新時代，新目標要求經濟向高質量發展轉型，去產能，鋼鐵首當其衝，彷彿一夜之間鋼鐵成了落後材料的代名詞。作為昔日的材料霸主之一，鋼鐵究竟還有沒有發展的空間和潛力？在產能過剩、生態環境壓力不斷加大的今天，中國鋼鐵產業的綠色轉型之路究竟在哪裡？要實現我國鋼鐵工業以結構優化和質量升級為標誌的再次騰飛，必須以科技創新為抓手，全力推進中高端鋼鐵材料的研發，打造我們自己的“超級鋼”。在這條路上，我們究竟取得哪些成就？今後怎樣繼續突破？《中國經濟大講堂》特邀中國工程院院士王國棟，為您深度解析——《我們如何打造“超級鋼”？》
嘉賓簡介
王國棟，中國工程院院士，東北大學教授、鋼鐵軋製技術領域國際知名專家。1966年從東北工學院畢業後，王國棟進入鞍鋼，在生產一線度過了難忘的10年，與鋼鐵材料結下了一生的不解之緣。1978年10月，研究生畢業之後，王國棟回到東北工學院任教。此後30多年，他全身心投入我國橋樑鋼、管線鋼、高層建築用鋼，以及航母等大國重器用的高端鋼材技術研發，矢志使我國的鋼鐵工業早日擺脫被“卡脖子”的狀態。由他領銜的東北大學軋製技術及連軋自動化國家重點實驗室，承擔我國超級鋼的研究和開發科研項目，在耐低溫、耐高壓、耐腐蝕、耐衝擊、耐疲勞等高強、特種鋼材研發上，不斷取得重大突破。其科研成果曾榮獲國家科學進步一等獎和二等獎，被業界譽為不老的“鋼鐵俠”。
1996年的時候，我們的鋼產量達到了1億噸，登上了全球第一的寶座。到了2018年，我們的鋼產量就達到了9億噸。什麼意思呢？就是我們中國一個國家的鋼產量，比全世界所有其他國家的鋼產量的總和還要多。比如說我們的高鐵、汽車、建築、橋樑，我們的大國重器都少不了鋼鐵。我們可以生產幾乎百分之百的鋼材的品種、規格。2006年的時候。我們通過出口，成為了了鋼鐵淨出口國。這個發展的過程，實際上給我們國家的經濟建設、國防的發展和人民生活提高都帶來了非常重大的影響。
我們設想，如果沒有我們今天這9億噸鋼，我們能不能有35000公里的高鐵呢？能不能有我們14萬公里的高速公路呢？能不能有我們6000公里的軌道交通呢？我們的長江上還能不能有100多座大橋呢？我們還能不能有每年2800到2900萬輛汽車的產量？鋼鐵在這裡起了非常大的作用，它涉及到我們的國計民生、國防安全。
現在我們政策上的限產能是限制什麼呢？是限制落後產能，把它關閉了，或者改造成為先進的產能，而對優良的產能我們還要扶持它。我們的政策是不鼓勵大家去追求數量、追求規模，因為現在我們是要高質量發展。高質量發展的話就是要把東西做得好，然後同樣數量的東西我們賺錢、有利潤。做企業不賺錢不行，要把效益、利潤、質量等等做上去，這才是我們真正地發展了我們的鋼鐵工業。
好鋼是如何煉成的？
鋼鐵是怎麼煉成的？首先要有鐵礦石和煤，然後把鐵礦石和煤通過焦化和燒結的環節，變成燒結礦和焦炭；然後在高爐裡邊進行化學反應，變成鐵水；鐵水出來以後，經過轉爐的冶煉、吹氧、去碳、降碳，使碳達到一定的程度；再經過精煉，把成分進行調整，變成了鋼；鋼水又經過連鑄以後變成鋼坯；鋼坯又經過熱軋變成熱軋產品；熱軋產品又經過冷軋，變成冷軋產品。這時候我們就得到各種各樣的鋼材，比如型材、 板材、管材等等。
在這個過程中，我們要抓住一些鋼鐵重要的性能來進行調整，通過我們的加工過程來提高鋼材的性能，這就是我們所說的控軋控冷技術。
鋼材的控軋控冷技術，是指在軋製過程中通過控制加熱溫度、軋製過程、冷卻條件等工藝參數，改善鋼材的強度、韌性、焊接性能。而鋼鐵軋製就是通過施加一定的壓力，使鋼錠、鋼坯在旋轉的軋輥間改變形狀和性能。在鋼鐵生產技術中，軋製控制是使粗鋼變成高精度、高性能、高效益的鋼鐵產品的一個關鍵工藝。王國棟院士數十年潛心於我國鋼鐵軋製技術的研發和攻關，通過軋製與冷卻過程來控制、改善鋼材的性能。
我們改變各種各樣的軋製條件就會改變鋼的性能，可以在很大的範圍裡調整鋼材性能。我們如果能夠把這個條件控制好，比如它的變形程度、溫度等等，我們就會得到非常好、性能非常優異的材料。
如何調整溫度？用水來調整最好。多加點水，一冷卻，溫度就變化了；多澆水，它就冷卻得快，少澆水就冷卻慢。所以在鋼材的發展過程中，就出現了叫做控軋技術，特別是控冷技術。世紀之交的新一代鋼鐵材料的研究中，超級鋼的發展也採用了控軋控冷技術。
國外在這項技術的發展過程中，發現原來的控軋控冷系統有點問題。就是在它冷卻的時候，由於它採用低壓的層流水，導致它的冷卻和傳熱效果都不是特別好，不均勻，所以鋼板就會“翹”，這是一個挺大的問題。另外那時候的冷卻技術，是直接冷卻下來就完了，很少考慮冷卻的方式，是先快冷後慢冷？還是先慢冷後快冷？還是先快冷再慢冷再快冷呢？這種冷卻的模式上的研究，如果和我們的金屬指標、金屬內部的材料的變化結合在一起的話，可以給我們調整材料性能提供一個好的手段。所以在這個時候，在國際上來看，他們又開始研究超快速冷卻的技術
如何打造我們自己的技術明珠？
上世紀七十年代，日本開發了一個系統，叫做Super OLAC。OLAC就是在線加速冷卻的意思，Super是超級的。這個超級的冷卻系統，它可以實現高冷速，可以非常均勻地冷卻。
當時得到這個消息以後，我們覺得這個東西很重要，我們也得幹這個事。然後我們就琢磨這件事，想了解一下這個情況。但是雖然人家介紹了優點，介紹了所開發的鋼材的性能，但是技術並沒有公開。鋼材冷卻的時候會有一個淬火的過程，從攝氏900到1000度這個溫度，用快速冷卻的辦法，把它冷卻到室溫去。這個過程，我們鋼材最薄的只有8個、10個毫米，它都可以保證鋼板很平，而且效果也非常好。我們正好在那時候搞鋼材熱處理，我們的淬火機，取得了一個突破，做得挺好。淬火機出來了之後，這邊就想我們這個軋機冷卻系統，能不能也搞一個快速冷卻系統？這兩個思想一借鑑，那就行了，不用找外國人了，我們自己想辦法，就設計了這個系統。
我們應該說是幾乎和國外是並行的，但還是稍微慢了一點，屬於跟跑的末期階段。但是我們很快就把這個事就做上去了。那麼怎麼做呢？這裡就有一個怎麼把我們設計的東西用到現場上去的問題，我們就在找這個機會。
那個時候正好石家莊附近有一個敬業集團，他們有個3100mm的軋機，我們就在他這塊做了第一套超塊冷卻系統，到現在效果還是可以的，因為這東西它板形不愛瓢，就是平，這就很好。
我們就接著就把這個技術往鞍鋼的4300mm軋機上應用，還有當時首鋼的一個新引進的4300mm軋機。經過我們大家的共同努力，也克服了不少的現場中實際上出現的問題，出來以後板子非常平。板形這個問題的解決，使我們這個管線的生產不斷提升，X80用於西氣東輸，我們國家現在管線鋼是全世界做得最好的。
一個印度人到南鋼，就看著他們的軋製線，整個軋製線上採用的全是德國SMS西馬克的設備，僅僅控冷這一段，上面是一個RAL的標誌，那是我們實驗室的logo。他看著這板子生產這麼好，冷卻的效果這麼好，他挺奇怪，就問南鋼的同志，這個RAL是什麼公司？後來聽說是一個學校裡實驗室，他感到很驚奇。所以說我們是在外國設備林立的地方，鑲上了一顆我們中國人做的明珠。
我們在鋼板的冷卻控制上，是從跟跑，到差不多並跑，然後又開始走向領跑的地位。
另外，企業裡跟我提出，說我們這個系統是和外國公司一塊做的，得和它能兼容。首鋼京唐，就是現在的曹妃甸，後來就找了我們，就是在外國的新引進的設備上給它開了一刀，把我們超快冷設備給它裝上去了，解決了它在熱連軋生產冷卻過程中的問題。
國內好幾家採用這個系統，這個系統都是在和國外的引進設備在一起的，外國人做不到的地方我們做到了。
在新的時期還有一個問題，就是人們的眼光和他們的期望值和10年之前都不一樣了，有很大的變化。他們的期望值很高，他們希望有更好的設備來滿足他們的要求。所以我們必須要“啃一些硬骨頭”，就是人家都解決不了的問題你去做，你才可能有市場。如果要是人家有了，人家自己廠裡自己能做了就自己做了。人家不能做呢，可能還可以問外國去，如果外國也沒有的話，那這些東西你要做的話，可能就會是一個很好的一個機會。所以在新的時期裡頭，我們就必須開發更多自主的、原創的、外國沒有的這些東西。
在控冷系統上，我們瞭解到鋼管的控冷系統國內外不少廠都嘗試過，但是都沒做成。所以鋼管的生產過程，它有兩個依靠：一個是加合金，還有一個就是後邊的熱處理。大家想加合金也好，熱處理也好，都是資源能源的消耗，它不是一個真正的綠色化的技術，如果我們能把控冷做好那就行了。
寶鋼聽到這個消息後來找我們，和我們的同志們一塊兒組成了一個聯合的研發團隊。經過三年多的時間，經歷了將近100次的工業性的實驗，終於把這個系統做出來了。做好以後又對整個的工藝佈置重新進行改造，現在這個系統發揮了很好的作用。
所以我們想，在這種情況下，我們必須要發揮我們的自主創新的精神，敢啃硬骨頭，敢做別人不敢做的事。
鋼鐵材料研發，未來什麼樣？
我們覺得中國鋼鐵工業高質量發展有四個目標：工藝的綠色化、裝備的智能化、產品的高質化、供給的服務化。這是四個方面，分別是工藝、裝備、產品、 供給，其中工藝是龍頭。
1 節能減排，變廢為寶
什麼是工藝綠色化呢？就是減少排放和汙染，保證環境友好，這是一個方面。另一個方面就是節省資源和能源，以最低的消耗生產高質量的產品，比如說減少排放和汙染。我想咱們鋼鐵工業雖然現在在這方面還有很多問題，但是我們這行業的同志們確確實實作了巨大的努力，而且收到了很好的效果。比如我們河鋼集團旗下的唐鋼，它的生產用水量是很大的。但鋼鐵生產不需要用新水，把我們城市的廢水和我們鋼廠裡頭的廢水加在一塊兒處理了以後，再循環使用，就可以在不增加一滴新水的情況下，生產1000多萬噸鋼。這個做法還獲得了國際鋼協的可持續發展獎。汙染還包括廢氣、固廢物，固廢物現在不是廢物了，是寶物了。固廢物加工以後能賺錢，我們鋼廠還能夠獲利，這都是我們綠色化的結果。再就是要節省資源和能源，我們的生產過程必須是節省資源和能源的。
2 建設聰明的生產線
裝備智能化現在是一個熱門的話題。裝備智能化就是我們要把我們的裝備通過智能化的製造建設，使之變成一個智能的，能夠思考、能夠學習、能自己運行得越來越好的設備。
我們鋼鐵工業和汽車上智能製造不一樣。汽車上智能製造是一件件往上焊，是單件生產的。我們鋼鐵工業叫流程工業，流程工業都是黑箱，所以要想控制它是很難的。
現有的控制系統中有一個信息物理系統。假如一邊是實體高爐，另一邊是它的一個孿生的或者是叫雙胞胎的數字化的東西。這兩個東西是通過數字化，把高爐裡啥樣給描述出來。所以，你得有這個東西才能談得上智能製造，如果沒有這個數字雙胞胎，你想智能製造，沒門兒。
別看我們鋼鐵行業不起眼，鋼鐵行業的自動化水平是各個行業裡最高的。比如軋鋼的系統，它是多變量、強耦合、非線性、大滯後，這些控制系統最難的特點，我們軋鋼的系統全有，它的變量上千。而且這些變量是強耦合的，都攪在一塊了，你動這個那個又變了，在這種情況下，你控制很困難。由於它很難，所以鋼鐵的控制系統是最複雜的。
我們現在需要多學科結合、學科交叉來做，起碼搞鋼鐵的是鍊鐵、鍊鋼、連鑄，軋製都要有專家，還得有信息專家、自動控制專家等等。按照任正非的話說，還得有物理學家、數學家和化學家，得有這些人參加，學科交叉。另外，行業上要協調協同，鋼鐵行業和信息行業、傳感器行業都得結合起來。
我們實驗室在智能化方面也做了一些工作。在上一世紀80年代、90年代，國際上像日本和德國就有一個人工智能技術的高潮，但是那個時候不像現在是成系統的，是某一個單個環節上的。這裡邊我們做的很重要的一個工作就和我們現在智能製造有關係的。那時候我們的劉振宇老師在唸博士，研究組織性能預測和控制，就是鋼材軋製過程中，黑箱裡邊的組織是怎麼變化的？它的性能又隨著這些變化會發生什麼樣的變化？他研究這個事兒，建立了一套模型來描述它。當時覺得建立模型還有限制，就採用了一種方法叫做人工神經元網絡，和自控系信息學院的一個博士生一起合作的。他們兩個博士生，一個是研究軋鋼的，一個是研究信息的，學科就交叉了，做組織性能預測上用這個辦法。後來寫了一篇文章，是全世界第一篇，用人工神經元網絡處理材料這樣一個技術。當然那個時候還是比較初級的，不是像現在這麼全面、深刻來處理這個問題。但是它是我們現在搞鋼鐵行業智能製造走出了一條路，而且這個路已經證明是可行的。所以這個技術，從劉振宇他們畢業了以後沒斷下來，一直到現在。
後來郭華東院士提出了一個大數據加上大科學等於大發現。那是大數據正熱的時候，是2014年、2015年的時候。我們又開了個研討會，把我們金屬學會的領導們，還有我們有一些搞鍊鋼、軋鋼的大咖們請來進行討論，大數據在我們鋼鐵行業裡能做什麼應用？我們現在搞智能製造，從回憶過去我們就可以理解當下，同時還可以展望我們的未來。後來這個工作有進一步的發展，現在我們把這個工作已經申請到國家的“十三五”的重大項目。在鋼鐵原材料行業裡頭，三個重大的項目，就關於智能製造的項目，一個是扁平材，就是板材的，還有長型材智能製造項目，還有一個銅鋁大數據，也是智能製造項目。這三個項目都是東北大學承擔的，我們的學校和企業一塊來做的。
3 拼質量，從第一到唯一
中國鋼鐵產品的高質化大致分為兩方面內容：一個是現在大家有的產品，我們要做到通過轉型升級、提質增效，做到世界第一；還有一些就是領跑性的、前沿性的，這些技術全世界還沒有，我們要做到唯一。
做材料研究需要具備三種能力。一個是叫做表徵和評價，就是說鋼材來了，你能把它的特點都搞清楚，你能通過觀察顯微鏡或者是各種實驗方法，把它的基本原理給表示出來，這叫表徵。這是一個很重要的能力，要是表徵不好的話，即便你做出來了，你不知道里邊怎麼回事兒也不行。第二個是合成與加工，就是說我們要把材料做出來。第三個能力是計算和建模，這是這些年新發展起來的。過去材料的工作是講配方，是用顯微鏡看，現在還有一個計算這條路徑。建立模型計算，把這些規律進行計算，而不是去測量，這個工作也是最近這些年才發展起來的。國外有材料基因組計劃，有計算材料工程、集成計算材料工程，都是屬於這個方面的內容。
從這三個方面來看，我覺得我們現在在合成加工方面還是有點基礎的，還有表徵和評價我們也不錯。我們的研究手段，比如說原子探針，還有一些原位觀察的設備，我們國內現在也都有了，而且也有不少好的結果發表出來，這也不錯。相對來說，最薄弱的就是計算和建模。
所以說這三個面一衡量，我們將來要抓住建模和計算，要抓住前沿。我們要做這個事就得想辦法吸引人才。我們學校引進了一個年輕人，今年38歲，他是易紅亮教授，他在研究汽車用鋼的熱衝壓過程。這個熱衝壓過程是相對於冷衝壓過程的問題發展起來的。我們現在主要做先進高強鋼，強度都是在700兆帕以上，要達到800兆帕、900兆帕、1000兆帕這麼高的強度，所以成形很困難，對裝備模具的要求也非常高，質量也很難控制。為了解決這個問題，人家想出一個創新性的熱衝壓，把它加熱到八、九百度進行衝壓，成形非常好，還沒有回彈，這多省勁。
全世界的鋼廠，還有汽車廠都在做這個事。我們易老師通過和汽車廠的結合，通過和鋼廠的結合，開發了一個2000兆帕的熱衝壓鋼。它不但強度提上去了，而且塑性仍然沒下降。所以它和本鋼合作做出來的2000兆帕的熱衝壓鋼，在北汽新能源進行了上車試驗，效果也是非常好的。
還有一個例子，就是低溫壓力容器用鋼，要求在攝氏零下196度的時候，還有很好的塑性。這個是國家的“十三五”重點項目，一共18個單位一起協同創新，大夥兒一塊兒來做。我們現在做出了兩類：一類是屬於做陸基的LNG 液化天然氣的儲存罐，還有一個是船用運輸的LNG的儲存罐。原來做這個罐子都是用9鎳(9Ni)鋼，在這個過程中，我們思考能不能把這個9鎳（9Ni）的用量想辦法降下來，因為鎳很貴。這麼高的鎳含量的話，造價就上去了。現在就採用了微量鉻和微量鉬代替鎳，同時採取了新的熱處理工藝，最後做出來這個鋼是6.5鎳(6.5Ni)，降了2.5的鎳，這是一個非常大的進步。
那麼，如果是做運輸液化天然氣的船，LNG的儲物罐還需要有一個特殊的性能——耐熱疲勞。液化天燃氣的液化溫度是攝氏零下162℃，在這個溫度下，裝船的時候能把液化天然氣灌進去。到了地方，你還得把液化天然氣倒出來，這個罐的溫度又上來了。所以它是一個週期性循環的這麼一個加載、裝載 、熱循環的過程，這裡頭就有一種高錳鋼，它有這個性能。這個工作也取得了很大的進展。
另外還有一個鋼也是我們急需的，就是海洋平臺用的高強鋼。因為海洋環境非常惡劣，它對強度要求是非常苛刻的，同時又是在深水裡頭，越來越深，負荷也就越來越大。這種鋼過去都是加好多的鎳、鉬等等這些元素，提高它的性能。現在我們也是在這個過程中開發了一種高錳的鋼，這個鋼加5%左右的錳，很好地改善這個材料的性能。這樣的話，它的造價就比之前每噸可以節省4000塊錢成本。
這些東西都是我們經過探索，提出創新的思想，通過對材料方面的研究，解決了我們國家的重大需求，實現高質量、低成本，給生產帶來了效益。
4 以需求為導向，一切為客戶服務
第四個方面，供給服務化。我們現在口號是供給側改革，推動高質量發展，這方面企業做了很多的工作。我們河北鋼鐵在智能製造方面是非常活躍的，在供給側改革方面也確確實實是做得不錯的。它有兩個工作是很有意義，一個是什麼呢？海爾它是家電方面的巨頭，我們河鋼和海爾就先建立一個家電用鋼的實驗室，通過這個實驗室來檢測我們的材料，提出性能要求，指出我們的不足，這個實驗室取得了很好的效果。後來它就乾脆點，把海爾的部門70%的股權買下來，讓河鋼的同志真正地進到海爾的產業鏈去。這樣的話只要有需求，你提出來我們給你做，我們做的你不滿意，咱們倆一塊兒找毛病，找完毛病以後一塊改，改完再做。使得我們的服務工作能服務到用戶的心坎上去，非常貼心。這樣用戶滿意了，同時我們河鋼的家電用鋼產品也取得了非常大的進步，它後來又成立一個創新中心，也是這個過程。
現在河鋼覆膜的家電板佔全國50%以上，彩塗板佔全國的30%以上，在全國家電板行業是領先的單位。所以說這種鋼廠供給側和用戶需求側的緊密結合，甚至是融合，融為一體，為技術提高帶來巨大的活力，使我們的技術進步有更大提高。
最後想說幾句話。鋼鐵工業200多年曆史了，到今天來說不是夕陽工業，歷久彌新，還正在朝陽。只要創新，鋼鐵工業永遠是朝陽工業。因為社會在發展，需求在不斷提出來，鋼鐵的潛力通過新的技術的開發會不斷地提升。創新任重道遠，歷史的重任落在我們中國人的身上，責無旁貸。因為現在我們佔著全世界二分之一還要多的鋼鐵產量，我們中國人把這事做好，就是勇於擔當與挑戰、勇於創新，留下中國人的鋼鐵印記，進入到世界領先的鋼鐵行業集群。
