自立自强谱写钢铁工业中试研发技术新篇章——记东北大学2011钢铁共性技术协同创新中心中试研发创新团队

  我国钢铁产量占据全球总产量的一半以上，实现高性能、低成本钢铁材料制备，已成为中国钢铁工业可持续发展的必由之路，钢铁产业已经进入到必须自立自强、提高自主创新能力的新阶段。现代轧制工艺与装备技术，是钢铁材料产品生产中的关键共性技术，决定着钢铁产品的材料组织性能、尺寸精度的综合产品质量，在钢铁行业占有举足轻重的地位。

  改革开放以来，中国钢铁行业花巨资引进了大量冶金成套生产线和生产设备，钢铁企业在生产装备和常规钢铁产品方面已经实现了现代化，但是，低端的常规产品不仅消耗大量的资源和能源，同时还要承担高昂的设备投资和技术服务成本。缺少中试研发装备，是我国钢铁行业长期存在的关键共性问题。先进的冶金技术、高端产品的生产规程和生产工艺技术是用钱买不来的，必须自立自强、自主创新。

  中试是连接实验室科学研究与成果产业化的重要环节。现代轧制过程的特点是大型化、连续化、自动化和信息化的综合体。这些特点对轧制技术、工艺、装备和产品的研发提出了严格的要求。以热连轧生产为例，产线吨，直接在庞大、复杂、高度自动化的钢铁生产线上进行实验研究和产品开发，成本高，风险大，不现实。

  由于普遍缺少用于工艺、装备和产品开发的实验研究设备，钢铁企业为了开发新钢种、新工艺，不得不在生产线上开展研究工作，不仅影响生产，而且研发工作效率低、周期长、成本高，很多重要的科研实验无法进行。

  为此，人们希望用几十公斤的试样代替几十吨重的实际板坯，将庞大、复杂的生产工艺装备浓缩到系列化的实验设备上，在实验设备严格控制的条件下，模拟实际工业生产过程，获取最接近于工业化的工艺条件、材料变形、组织转变、力学性能之间的影响规律，从而获得可直接转化为生产力的研究成果。

  我国中试实验研究装备的建设起步较晚，在上世纪只有少数实验室有一点初级的模拟实验机，多数企业在实验研究设备方面处于空白。研究机构和高校的实验设备则更加落后。特别是在90年代后期，我国钢铁企业进入了迅猛发展期，但如何使我国的钢铁企业长期稳定快速发展等诸多关键和共性技术问题摆在了人们的面前。

  1998年，东北大学王国栋教授敏锐地捕捉到制约钢铁工业可持续发展的瓶颈环节。针对钢铁行业长期存在的关键共性问题，以实验室老一辈科学家朱泉教授团队建设的板带三连轧机、白光润教授团队建设的型钢三连轧机、王廷溥教授团队建设的薄带铸轧机和王占学教授团队力主引进的热力模拟实验机等四大实验支柱装备为基础，以现代钢铁生产中试实验装备研发为突破口，自主创新筑建钢铁技术研发创新平台，提升钢铁行业自主创造新兴事物的能力，做出轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（以下简称“RAL实验室”）自己的特色，创出东北大学自己的品牌。

  李建平是一名高校教师，更是实验教学科研领域的一员“老兵”。30余年如一日如饥似渴地学习和理论与实践的积累，李老师以扎实的理论基础，勇于探索，大胆学习和实践国内外先进技术，让他掌握了材料加工工程与信息自动化控制多学科交叉的理论与实践工作能力，练就了轧制与控制过程应用技术领域的“高招”和“绝招”。

  首钢3340mm中厚板轧机技术改造，是RAL第一次承担中厚板热轧领域的大型科技攻关项目，液压AGC辊缝位置在线检测与控制是产品质量的关键性难题，一直无法解决。李建平凭借丰富的理论和实践经验，大胆采用磁致伸缩和横向偏摆技术，从不同于外国专家的技术路径入手，成功研制出高精度辊缝测量仪，解决了这一困扰钢铁界多年的技术难题，让国内外专家信服地竖起了大拇指。目前，该项技术已经派生出多种型号的高精度测量产品，在钢铁行业得到广泛推广应用。

  正是看中了李建平老师所具有的这些创新潜质，实验室不唯资历、不唯学历、实践出真知，把研发中试实验设备这个重要任务交给了李建平。在中试研发技术的王国里，李建平如鱼得水，凭着对科研工作的热爱与执着，与张殿华、王君、花福安、牛文勇、孙涛、杨红、王贵桥、高扬等老师们组成了中试实验装备研发创新团队，与钢铁企业密切合作，深入企业生产现场，了解企业需求，制定科技创新改革方案，面向钢铁生产全流程进行中试实验装备研制进行科技攻关。用十几公斤重的试样代替几十吨重的钢坯，研发出特色化的轧制和热处理中试实验设备来代替庞大的轧制和冷却生产设备，在最接近于生产现场环境的工业化中试实验机上进行实验研究成为中试研发团队的一大技术创新。中试创新团队硬是将这庞大的钢铁生产线浓缩到具有工业服役条件下的实验研究设备上，在RAL实验室建立了国内第一套现代轧制技术、装备和产品研发创新平台。开发出集热轧、温轧、冷轧实验轧机、连续退火热处理实验机等一系列企业研发急需、支撑企业自主创新的中试研发设备，形成了涵盖钢铁生产全过程的现代轧制技术中试研究创新平台。

  该平台为解决中国钢铁行业自主研发能力薄弱、研究手段匮乏、实验设备落后等共性问题奠定了坚实的基础。目前，现代轧制技术、装备和产品中试研发技术已经在国内外30多家大型钢铁企业推广应用，中试研发平台应用技术在全国钢铁企业应用占比达到97%，为企业的科技进步插上了腾飞的科技翅膀，成为东北大学科技成果推广应用的重要名片。

  中试研发创新平台的建立，为东北大学材料科学与工程学科、冶金工程学科和信息工程学科的教学、科研实践提供了现代化的科学研究实验基地，为本、硕、博学生教学实验和科学研究提供了先进的实验仪器装备和极佳的工作环境。中试研发平台在新一代TMCP控轧控冷技术与装备、喷射轧制技术与装备、温变形轧制技术与装备、无氧化快速热处理技术与装备和AHSS汽车用钢研发、GPa级超高强钢研发、高磁感电工钢热处理制备技术研发等一大批科研成果中，发挥了重要作用。

  李建平科研团队在材料成型过程数学、物理模拟与轧制过程研究装备开发及应用领域，取得了多项具有突破性的科研成果。团队研制出具有自主知识产权的组合式多冷却路径控制“高刚度控轧控冷实验机组”，研制成功国内第一台“高精度液压张力四辊可逆温轧—冷轧实验轧机”，研制出国际一流的“带钢、硅钢连续退火实验机”、开发完成先进的“喷射轧制增强金属中试原型机”等一大批中试实验设备，满足了科研单位和企业的急需，几乎垄断了钢铁冶金中试实验设备的国内市场，累计获得研究经费超过10亿元。

  天道酬勤。李建平带领他的创新团队经过30多年的科技攻关，取得了丰硕成果：“现代轧制技术、装备和产品研发创新平台技术”获得国家科技进步奖二等奖；“现代轧制过程中试研究创新平台”获得辽宁省科学技术进步奖一等奖；“板带轧制中试研究装备与应用”获得国家冶金行业科学技术奖二等奖。

  建设创新型国家的重任在肩，科技创新的道路永无尽头。李建平团队关注从基础研究到技术开发、再到工程应用、最后到行业推广的每一个环节，努力在创新中不断完善，做到最好。

  冶金生产过程，具有工艺与装备技术复杂、产线设备大型化的特点，生产过程需要多学科交叉融合的理论与实践支撑。如何开发一种既要具备现有产线设备能力，又要涵盖、模拟和再现现代轧制过程，某些功能和工艺参数范围还要超越现有轧制过程的多环节中试实验机，成为研制中试研发创新平台的瓶颈和难点。

  李建平带领中试研发团队，立足中试科研仪器开发和轧制工艺装备技术领域的创新，在AHSS、UHSS、高磁感硅钢等高端金属材料制备技术难点上寻求突破。为了在小轧机上轧制与生产轧机同样厚度的钢坯，团队大胆提出将四辊热轧工艺改为二辊轧制设计，加大辊径，增加轧件咬入条件，同时对轧机牌坊和轧辊轴承薄弱环节进行大胆的材料设计与加工制备，有效解决并提升了轧机综合刚度难题。

  ——开发的轧机综合刚度达到7MN/m，轧制力超过10000kN，轧制坯料厚度300mm，与生产现场的最大连铸坯厚度一致；

  ——在高强钢、高磁感硅钢、高强Ti合金等多种难变形金属轧制领域开展科技攻关，开发出轧制变形+温度时效形成恒温轧制新技术，通过动态应变时效DSA（Dynamic strain ageing）的变形机制理论研究，强化恒温下的剪切变形作用，有效解决了多种脆性金属加工性差、边裂严重，成材率低等技术难题，实现脆性材料在温变形过程中的组织性能控制；

  ——在薄带连续退火热处理领域开展研究。用一台冷却设备实现了喷气和喷雾两种冷却功能，冷却速率连续可调，对高强钢等钢种的开发具有重要作用；

  ——多功能退火实验机实现了取向硅钢一次性完成快速加热、脱碳、还原和渗氮退火工艺的全过程；

  近期，李建平带领科研团队在喷射轧制增强金属中试示范原型机研制领域获得突破。将真空熔炼、喷射雾化和半固态凝固快速轧制工艺过程一体化同时进行，开展两相或多相高密度差金属冶金复合材料制备应用技术研究。探索难变形、脆性金属在位错滑移与晶界及合金价键相互作用的微观机制，揭示材料变形过程中裂纹产生与扩展的阻碍，通过温变形轧制来降低脆性材料变形过程晶界强化效果等影响规律。将液态金属定向喷射成形与半固态双辊铸轧相结合，开发喷射轧制快速凝固成形技术，解决高密度差两相金属相宏观偏析等质量难题。目前，已完成喷射轧制原型机的设计和制造。通过高温喷射凝固和温变形轧制，成功制备出高Fe含量的Cu-（20%-40%）Fe合金极薄带材。

  一项项理论与实践的技术创新与突破，成就了金属熔炼、轧制、热处理和用户技术等各个工艺环节的中试实验装备，构建了我们今天的冶金工业全流程的中试研发创新平台。从最初起步研制，到今天在企业的成功应用，成绩令人欣慰和振奋，但30多年来，一路所经历的艰辛，使我们更看重对目标的坚定不移和百折不挠的追求过程。

  兴趣是科研的原动力，它让人始终能够对科学研究保持一种求索，对研究领域的科学问题想要一探究竟。30多年矢志不移，没有对科学研究浓厚的兴趣驱使，把探索和解决科学问题当作使命，是难以坚持下来的。中试团队随着研究的不断深入，努力历练出捕捉该领域科学问题的敏锐目光，一种自立自强、自主创新的志气骨气，一种瞄准前沿科学，不达目标、绝不放弃的毅力和勇气。

  高校教师肩负着教学和科技工作的双重使命。李建平严谨治学，教书育人，同时承担着钢铁轧制技术中试研究理论与工艺装备研制与开发工作，他将机械制造、电气控制、液压系统等多学科交叉，将知识和技能融入理论与实践中，特别是他那很强的动手能力，对材料科学工程与自动化控制学科专业技术驾轻就熟。在金属材料成形过程中的热轧技术、冷—温轧技术和连续退火热处理技术、自动化控制技术以及数据分析技术等方面，李建平带领科研团队形成了突出的技术优势，并取得了一系列的科技成果，为国家冶金行业轧制技术在理论和实践双领域作出了突出的贡献。

  ——高刚度热轧实验机“还原”真实生产过程。高刚度热轧实验轧机是用于中厚板和热连轧生产轧制过程的中试研究设备，开发的二辊可逆高刚度轧机、具有高压水除鳞装置、组合式控制冷却系统、轧后感应加热在线热处理系统、模拟卷取炉、高精度的数据采集以及自动化控制系统等。可以实现中厚板和热连轧的同步和异步轧制，使轧件发生强烈的剪切变形，细化晶粒，提高轧件厚度方向的组织均匀性和材料的冲击韧性。轧机的来料厚度最大为300mm，与生产现场的最大连铸坯厚度一致，可以实现与生产现场坯料同样厚度的轧制压缩比，实验结果可以直接转化到实际生产中。

  轧后控制冷却系统，包括机架间冷却、气雾、层流和超快速冷却的不同冷却功能柔性组合，最大冷速达400℃/s，冷却速度以及开冷和终冷温度可根据工艺要求灵活调整和精确控制，AMC+UFC+ACC柔性组合冷却方式，根据工艺需要进行材料快速提温和快速冷却以及轧后在线回火等热处理实验研究，实现不同的冷却路径控制，冷却速率范围覆盖空冷到淬火全过程。组合式控制冷却技术是该机组所独有的，在创新轧后冷却工艺，开发新钢种方面具有重要作用。

  ——冷—温变形实验轧机有效“对付”难变形金属。根据冷轧产品开发的需要，团队成功研发了高刚度液压张力四辊可逆冷—温轧实验机。该机组具有独特的液压张力技术和高效率的楔形液压自动夹持装置，实现了单片带钢试样自动夹紧和带张力可逆轧制；采用了多辊径工作辊系，以适应不同现场冷轧工艺的需要；开发了独特的工作辊水平稳定化技术，利用支承辊对工作辊的侧支撑作用，有效防止工作辊侧弯，对硬而薄的带钢可以实现大压下、稳定化、优良板形的轧制过程。

  为了满足难变形金属材料特殊轧制工艺需求，利用电加热方法对单片带钢实施带张力恒温和等温轧制，这是温—冷轧实验轧机具有的独特功能，其在难变形金属和脆性较大的硅钢等薄带材的轧制过程中具有重要的作用，解决了难变形金属材料的薄带材轧制难题，为轧制装备研制、新型金属材料开发提供了有效的研究手段和科技创新空间。

  ——带钢连续退火实验机成功研发GPa级超高强度极薄带材。冷轧带钢连续退火实验机，是用于冷轧产品连续退火工艺研究的实验设备。冷轧带钢连续退火工艺的核心是控制升温速率和冷却技术，冷轧产品的组织和力学性能主要是通过控制冷却获得的。利用低电压、大电流变压器实现试样的快速电阻直接快速加热技术，最大加热速率300℃/s，最快冷却速率450℃/s。硅钢、高强度钢等材料在退火过程中的快速加热，可以大幅度提高再结晶的形核率，细化晶粒组织，提高材料的电磁性能和力学性能。

  实验机在一套冷却设备上实现了喷气和喷雾两种冷却功能，冷却速率连续可调。其灵活的冷却方式和宽广的冷却速率为连续退火冷却技术的研究提供了强有力的手段，对高强钢等钢种的开发具有重要作用。该实验机采用单工位的炉体设计，使本实验机针对600mm长、300mm宽的试样，实现了保护气氛退火，其意义在于不仅为带钢退火的表面质量研究提供研究手段，而且为后续的纵横向力学性能测试的取样以及深冲成形性能的研究提供了大尺寸的退火原板带材。

  ——多功能退火实验机解决高磁感硅钢最佳工艺调整难题。硅钢是电力工业的重要原材料，是我国近年着力开发的新钢种。由于硅钢的生产过程技术复杂，精准化的连续退火过程是决定硅钢带材产品质量的关键工艺设备，国外对我国一直严密封锁。因此，开发工业化的实验研究设备十分重要。硅钢连续退火实验机采用长试样连续式的设计方案，可以完成成卷硅钢的脱碳、还原、渗氮和冷却的连续退火工艺；采用创新的组合式多炉腔炉体结构，各工艺段的加热温度和气氛可以按工艺要求独立控制，相邻炉腔之间采用“双辊密封+中间排气”的隔离装置进行气氛隔离。这种结构有效解决了固定长度工艺段退火炉无法调整各工艺段退火时间的问题。

  多功能退火实验研究装备，不仅实现了取向硅钢脱碳、还原和渗氮退火工艺过程，连续退火模拟实验机还实现了保护气氛退火，试样不需要移动。实验机采用电阻直接加热技术，试样最高加热温度1200℃，最快加热速率达到300℃/s。开发的喷气、喷雾组合冷却装置，在一套冷却装置上实现了喷气和喷雾两种冷却功能，冷却速率连续可调，最大冷却速率达600℃/s，还具备高温固溶退火和常态化热处理等功能，涵盖了硅钢生产过程中连续退火等全部热处理工艺过程的实验研究需求。

  高水平的科技自立自强来源于务实的基础理论和应用研究，基础研究是应用研究的源头。30年磨一剑，中试研发创新平台已经成为我国冶金工业领域高端新材料、新工艺与装备技术研发以及具有探索性、独创性和结果不可预测性新材料研发的重要基础设施。

  “问题是创新的原点，办法是创新的基础，有效的实施是创新的保证。”这是王国栋院士对实验室科研人员经常说的一句话。要解决钢铁工业生产中的技术难题，就必须拿出自己的“高招”和“绝招”，在理论与实践中练就自身的一招绝。

  创新起源于对问题的探索，要想创新，不仅仅要学习和探索，更要树立高标准、超视距的目标。创新可以点石成金，但其前提是要有坚毅踏实的实干精神。创新没有捷径可走，科研是不断试错的过程，坚持到底才能柳暗花明。多少次科技创新，多少个科技成果的成功转化，都昭示着一个道理：科研仪器与装备的创新，是产生重大原创性科技成果的基础。

  李建平的科研团队，在材料成型过程数学、物理模拟与轧制过程研究、装备开发及应用领域，取得了多项具有突破性的科研成果，为宝钢、鞍钢、河钢、太钢和日本冶金等著名钢铁企业和科研院所建成了一批独具特色的中试研发创新平台。轧制技术、装备和产品研发平台的创新与发展是中国钢铁行业科研工作的一项成就，也是我国钢铁企业科技创新群体的荣誉。

  平台的工艺研究能力，覆盖钢铁轧制生产全流程，平台设备的工艺参数和技术指标超越了现有生产装备，为生产的基本工艺、技术和产品创新提供了发展空间。平台设备具有柔性组合功能，形成了创新的工艺路线，整体性能国际领先，研发的工艺装备和高附加值产品为企业创造了巨大经济效益。同行专家评价这项研究成果“中试研究创新平台为企业的技术创新插上了腾飞的翅膀，装上了永不停歇的发动机”。

  近年来，中试团队积极与国际先进钢铁企业合作，实验装备研发与应用持续向国际化拓展。日本冶金工业株式会社（NYK）经过技术咨询和国际采购，最终选定购买RAL实验室自主研发的冷—温变形中试实验轧机，并在2021年初与东北大学签订技术合同。这是RAL实验室不断研发推出新型中试实验装备来满足国内外钢铁企业科技研发需要的重要成果，也是东北大学近年来最大的技术装备出口项目。

  天道酬勤，功不唐捐。30多年的辛勤努力与付出，李建平所带领的科研团队攻克了热轧、快冷、温轧、冷轧和连续退火热处理五大技术难题，构建了高强板带材，高品质硅钢极薄带材工艺技术、装备和产品2大研发创新平台、5大系列中试研究装备，已经在鞍钢、宝钢、首钢、太钢、台湾中钢和日本冶金（株）川崎制作所等近40家国内外著名钢铁企业推广应用。

  李建平老师注重基础理论研究和科技成果转化应用，主编、参编出版教材著作5部；在国内外重要学术刊物和学术会议上发表学术论文80多篇；获得国家和国际发明专利38项；获得国家科技局二等奖1项，省部级二等奖以上科技奖励9项；累计为东北大学创造直接经济效益9.3亿元（到校科研经费），为企业创造了可观的经济效益和社会效益。

  中试研发团队发挥技术与人才优势，研发出系列化的中试实验装备，来满足钢铁企业和科研院所科学研究的需求，同时积极拓展与国外先进钢铁企业的多学科跨界合作，开创学术思想，创新应用基础研究，围绕高端金属新材料制备关键共性技术，在国家急需的高端原创性中试科研仪器装备研发技术方面取得成就，励志把我国建设成世界钢铁强国作出贡献。

  日常生活中，我们还能听到“晒太阳可以预防骨质疏松”“趴着午休会导致胃下垂”“孩子身材矮小可以打增高针”等等说法。

  记者在丹江口大坝现场看到，借助数字孪生技术，丹江口大坝已经建成全要素、全天候动态监控体系。据介绍，十四五以来，水利行业协作奋进，推进数字孪生水利建设取得明显进展。

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  在算力的支持下，东数西算、东数西渲、东数西训、东数西存，应用场景更加多元，不少贵州本土企业也开始布局新的赛道。

  在阮祥燕的办公室里，有一张照片格外醒目——她身着蓝色手术服怀抱一名新生儿，对着镜头深情微笑。正是这名女婴的降生，让她有了“冻存婴儿之母”的称呼。

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