“在鋼鐵行業(yè)發(fā)展過程中，冶金裝備發(fā)揮著重要的作用。在目前的形勢下，我們要特別注意產(chǎn)學(xué)研深度融合，加速冶金裝備原始創(chuàng)新和科技成果轉(zhuǎn)化，這將是我們今后發(fā)展的主旋律。”8月25日，中國工程院院士王國棟在由中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會主辦、中國一重集團有限公司承辦、中國冶金報社協(xié)辦的2020年高質(zhì)量發(fā)展·裝備與鋼鐵同行 冶金先進技術(shù)裝備創(chuàng)新推進會上表示。
冶金裝備技術(shù)創(chuàng)新的3個階段
王國棟表示，冶金裝備技術(shù)創(chuàng)新一般經(jīng)歷3個階段，即前期實驗室平臺研究階段、準工業(yè)化小型裝備生產(chǎn)驗證階段、工程實施—工程再創(chuàng)新—達產(chǎn)達效階段。其中，對于冶金廠前部冶煉環(huán)節(jié)，第二階段一般在工業(yè)化環(huán)境中進行；第三階段必須在工業(yè)化環(huán)境中進行。
王國棟介紹了上述3個階段的特征：
第一階段是前期實驗室平臺研究階段，主要使用模擬仿真+比例樣機。實驗室研究平臺有以下5個特色：
一是模擬和再現(xiàn)現(xiàn)代化鋼鐵生產(chǎn)過程。主要工藝環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)范圍涵蓋現(xiàn)有實際軋制過程，反映現(xiàn)場生產(chǎn)過程中材料組織和性能演變的規(guī)律，研究結(jié)果可以指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)和研發(fā)。
二是某些功能和工藝原理、參數(shù)范圍超越現(xiàn)有軋制過程，甚至顛覆現(xiàn)有軋制過程。這些參數(shù)范圍超越現(xiàn)有軋制過程的工藝或采用新原理的原型設(shè)備，為新工藝、裝備、技術(shù)、產(chǎn)品研發(fā)提供了創(chuàng)新空間。
三是多功能、組合型的模塊化研究設(shè)備。通過采用積木式結(jié)構(gòu)，平臺不同的裝備和功能可靈活、柔性地集成和組合成新的生產(chǎn)過程，實現(xiàn)工藝、技術(shù)和產(chǎn)品的創(chuàng)新。
四是高精度、工業(yè)化的計算機控制系統(tǒng)，功能強大的局域網(wǎng)和智能化數(shù)據(jù)處理、管理系統(tǒng)。完備的過程控制級和基礎(chǔ)自動化級二級控制，工業(yè)化的高精度儀表，具有工業(yè)控制水平的高精度、高響應(yīng)性、高穩(wěn)定性是必須的。該系統(tǒng)完全可與真正的工業(yè)自動化系統(tǒng)相媲美，實驗結(jié)果對實際生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。
五是改造是永恒的，應(yīng)具有動態(tài)修正、改造的功能。技術(shù)創(chuàng)新平臺根據(jù)發(fā)展的客觀要求，不斷進行改造和開發(fā)。即使是昨天剛剛建成的新設(shè)備，如果確有需要，也必須進行改造。動態(tài)的改造，提供了技術(shù)創(chuàng)新的可能。
第二階段是準工業(yè)化小型裝備生產(chǎn)驗證階段。這一階段既是工業(yè)環(huán)境下的準工業(yè)化實驗裝備，也是允許在非工業(yè)環(huán)境下運行的準工業(yè)化實驗裝備。
王國棟介紹，鋼鐵的冶煉、連鑄等前部工序，在學(xué)校、研究單位等非工業(yè)環(huán)境下，因為原料、公輔設(shè)施、環(huán)境限制很大，進行模擬研究比較困難，所以主要在企業(yè)環(huán)境中建設(shè)這一類模擬研究設(shè)備。這些研究工作可以提高在工業(yè)環(huán)境下實施的可行性，并可以對運行技術(shù)、經(jīng)濟指標進行評估。
例如，日本COURSE50項目圍繞高爐碳減排，開發(fā)了部分使用氫代替焦炭作為還原劑的氫還原煉鐵法。該項目利用2015年在新日鐵住金君津廠建成的小型試驗高爐（容積為10立方米）進行改質(zhì)富氫焦爐煤氣的噴吹試驗，隨后進行了爐體拆解研究，確認部分以氫作為還原劑的氫還原煉鐵法可使CO2排放量降低近10%。
基于碳捕集與利用的思想，德國教育與科技部立項Carbon2Chem，執(zhí)行時間為2016年3月~2026年12月31日。蒂森克虜伯與弗勞恩霍夫協(xié)會、馬克斯·普朗克研究所及另外15家研究機構(gòu)和合作伙伴共同承擔(dān)該項目，探索如何利用鋼鐵冶煉產(chǎn)生的尾氣，為燃料、塑料、肥料行業(yè)創(chuàng)造有價值的初級產(chǎn)品。
蒂森克虜伯在廠區(qū)內(nèi)建立了Carbon2Chem研究中心，由廠內(nèi)的高爐、轉(zhuǎn)爐、焦爐收集氣體，用管線橋送到中心內(nèi)建立的氣體凈化—分離塔處理，處理后獲得的CO、CO2、H2、N2等純凈氣體，再加上可再生能源電解水得到的補充用的H2，制成含有碳和氫的合成氣體，再送到實驗樓內(nèi)，應(yīng)用于生產(chǎn)氨氣、甲醇、聚合物和高級醇等各種初級化工產(chǎn)品的實驗研究。
王國棟表示，一些小型化生產(chǎn)性設(shè)備，如窄帶熱連軋機、電渣重熔設(shè)備，如果裝備有較好的控制系統(tǒng)和檢測儀表，必要時可以作為工業(yè)環(huán)境下生產(chǎn)性實驗研究之用，為大型化生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計、安裝、調(diào)試提供基礎(chǔ)支撐。小型冷連軋機等環(huán)境影響不大的準工業(yè)化研究設(shè)備，允許在非工業(yè)環(huán)境下工作，也可在學(xué)校和研究單位實驗室建設(shè)和運行。
第三階段是工程實施階段。王國棟指出，工程實施階段是將實驗室、中試基地的研究成果向大生產(chǎn)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于工作環(huán)境、規(guī)模等要求，需由專業(yè)人員進行工廠設(shè)計。
如果屬于局部的改造，可由專業(yè)機械公司設(shè)計、制造和組織現(xiàn)場安裝。例如鞍鋼硅鋼廠實施的六輥軋機工作輥串輥改造是由中國一重實施的，控制系統(tǒng)則完全由鞍鋼自己的技術(shù)力量完成。唐鋼中厚板廠的連鑄重壓下改造是由唐鋼、東北大學(xué)、中冶京誠共同完成的。
如果屬于大型的新型生產(chǎn)線工程，中間過渡的準工業(yè)化、近工業(yè)化或小型工業(yè)化裝備是必需的。由于實驗室環(huán)境的實驗研究與工藝環(huán)境的大生產(chǎn)有著較大差別，即使經(jīng)過中間環(huán)節(jié)過渡，仍會遇到各種意想不到的問題，也可能會發(fā)生大的設(shè)計變動，這些都需要有足夠的思想準備和周到的工作預(yù)案。
冶金裝備原始創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化的5個要素
王國棟表示，冶金裝備原始創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化需具備以下5個要素：
一是根據(jù)國家重大需求與世界發(fā)展前沿確定研究方向與課題。王國棟指出，我們必須在生產(chǎn)實踐和市場博弈中，發(fā)現(xiàn)國家、社會、人民的需求；在學(xué)科前沿和發(fā)展大潮中，發(fā)現(xiàn)亟待解決的問題，并依據(jù)問題確定研發(fā)目標。然后是進行基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵共性技術(shù)開發(fā)，一步步將研發(fā)成果推向市場應(yīng)用，完成一個創(chuàng)新周期。
“這就是我們總結(jié)出的MLPM——市場(M)-基地(L)-鋼廠(P)-市場(M)循環(huán)創(chuàng)新機制。按照這個機制，市場是創(chuàng)新的出發(fā)點和成果的歸宿。”王國棟介紹，“它將確保研究目標緊緊圍繞國家重大需求，確保研究方向準確瞄準國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場中的問題，同時確保研究成果實際應(yīng)用于國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場。由于這一過程是由需求牽引、市場驅(qū)動，研發(fā)成功后必將受到企業(yè)的歡迎，轉(zhuǎn)化也是順理成章的事。”
二是資源4D（維度）匯聚，即學(xué)科交叉、行業(yè)協(xié)同、產(chǎn)學(xué)研深度融合、工藝-裝備-產(chǎn)品-服務(wù)一體化（TEPS）。“以市場為導(dǎo)向”是這個體系發(fā)揮作用的大前提。“我們必須實行4個維度上的資源匯聚、深度融合、創(chuàng)新發(fā)展。”王國棟表示。
三是在無人區(qū)中開山搭橋，闖出一條新路。無論是淬火機的從無到有，還是中厚板、熱連軋、無縫鋼管超快冷的從零到一，還是薄帶連鑄的自主創(chuàng)新工業(yè)化，面對“硬骨頭”項目，我們要有堅定的信念、深刻的思考和理性的分析，要有巨大的韌性和不成功不罷休的魄力。
四是用智能化和信息化為先進冶金裝備插上騰飛的翅膀。王國棟指出，冶金行業(yè)的一系列化學(xué)反應(yīng)和物理變化是在“黑箱”中進行的，“黑箱”中的情況看不見、摸不到、測不準。這是冶金生產(chǎn)流程的特點，也是冶金工作者和冶金裝備制造者面臨的巨大挑戰(zhàn)。近年來快速發(fā)展的信息化、智能化技術(shù)，為冶金裝備行業(yè)解決這一棘手問題提供了支撐。
利用大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、5G等先進的信息技術(shù)，“惟妙惟肖”地以一定的保真度展現(xiàn)實際生產(chǎn)過程，并實現(xiàn)實時反饋控制。這樣構(gòu)成的CPS（信息物理系統(tǒng)），將具有感知、記憶、思維、學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，以及行為決策能力，能夠自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)，從而實現(xiàn)信息深度感知、智慧優(yōu)化決策、精準協(xié)調(diào)控制、自主學(xué)習(xí)提升。那么，鋼鐵生產(chǎn)過程的智能設(shè)計與實時精準智能控制將成為可能。擁有了這個核心，鋼鐵行業(yè)才能夠跨入真正意義上的4.0時代。
五是加強冶金企業(yè)技術(shù)人員培訓(xùn)，增強產(chǎn)品質(zhì)量控制與新產(chǎn)品開發(fā)能力。王國棟認為，除機械學(xué)科研究人員外，材料學(xué)科和信息學(xué)科研究人員也應(yīng)參與冶金裝備開發(fā)，提出需求、參與研究、把關(guān)定向。王國棟建議對企業(yè)技術(shù)人員進行系統(tǒng)培訓(xùn)，包括設(shè)備、材料、信息（軟件）、操作規(guī)程、設(shè)備維護等，應(yīng)有專門的教材（含視頻教材），并制訂專門的培訓(xùn)計劃。尤其是應(yīng)加強對企業(yè)技術(shù)人員的工業(yè)軟件技術(shù)培訓(xùn)，使其具備軟件修改、新功能開發(fā)能力。
