“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(tuán)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(jìn)技術(shù)裝備創(chuàng)新推進(jìn)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(zhǔn)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(dá)產(chǎn)達(dá)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(jìn)行；第三階段必須在工業(yè)化環(huán)境中進(jìn)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(jī)。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(jī)控制系統(tǒng)，功能強(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)工業(yè)化實驗裝備，也是允許在非工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行的準(zhǔn)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(jìn)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(yùn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)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(jìn)行改質(zhì)富氫焦?fàn)t煤氣的噴吹試驗，隨后進(jìn)行了爐體拆解研究，確認(rèn)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(jī)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?fàn)t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(bǔ)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(jī)、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(jī)等環(huán)境影響不大的準(zhǔn)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(yùn)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(jìn)行工廠設(shè)計。
如果屬于局部的改造，可由專業(yè)機(jī)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(jī)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(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)。然后是進(jìn)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(jī)制。按照這個機(jī)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(biāo)緊緊圍繞國家重大需求，確保研究方向準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)國民經(jīng)濟(jì)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(jì)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）?！耙允袌鰹閷?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?！蓖鯂鴹澅硎?。
三是在無人區(qū)中開山搭橋，闖出一條新路。無論是淬火機(jī)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(jìn)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(jìn)行的，“黑箱”中的情況看不見、摸不到、測不準(zhǔn)。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(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(qiáng)冶金企業(yè)技術(shù)人員培訓(xùn)，增強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量控制與新產(chǎn)品開發(fā)能力。王國棟認(rèn)為，除機(jī)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(jìn)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(hù)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(qiáng)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。
