王國棟:加速冶金裝備原始創新和科技成果轉化

?????? ???????發布時間:2020-09-14


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“在鋼鐵行業發展過程中,冶金裝備發揮著重要的作用。在目前的形勢下,我們要特別注意產學研深度融合,加速冶金裝備原始創新和科技成果轉化,這將是我們今后發展的主旋律。”8月25日,中國工程院院士王國棟在由中國鋼鐵工業協會主辦、中國一重集團有限公司承辦、中國冶金報社協辦的2020年高質量發展·裝備與鋼鐵同行 冶金先進技術裝備創新推進會上表示。

冶金裝備技術創新的3個階段

王國棟表示,冶金裝備技術創新一般經歷3個階段,即前期實驗室平臺研究階段、準工業化小型裝備生產驗證階段、工程實施—工程再創新—達產達效階段。其中,對于冶金廠前部冶煉環節,第二階段一般在工業化環境中進行;第三階段必須在工業化環境中進行。

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:

一是模擬和再現現代化鋼鐵生產過程。主要工藝環節的工藝參數范圍涵蓋現有實際軋制過程,反映現場生產過程中材料組織和性能演變的規律,研究結果可以指導現場生產和研發。

二是某些功能和工藝原理、參數范圍超越現有軋制過程,甚至顛覆現有軋制過程。這些參數范圍超越現有軋制過程的工藝或采用新原理的原型設備,為新工藝、裝備、技術、產品研發提供了創新空間。

三是多功能、組合型的模塊化研究設備。通過采用積木式結構,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過程,實現工藝、技術和產品的創新。

四是高精度、工業化的計算機控制系統,功能強大的局域網和智能化數據處理、管理系統。完備的過程控制級和基礎自動化級二級控制,工業化的高精度儀表,具有工業控制水平的高精度、高響應性、高穩定性是必須的。該系統完全可與真正的工業自動化系統相媲美,實驗結果對實際生產具有重要指導意義。

五是改造是永恒的,應具有動態修正、改造的功能。技術創新平臺根據發展的客觀要求,不斷進行改造和開發。即使是昨天剛剛建成的新設備,如果確有需要,也必須進行改造。動態的改造,提供了技術創新的可能。

第二階段是準工業化小型裝備生產驗證階段。這一階段既是工業環境下的準工業化實驗裝備,也是允許在非工業環境下運行的準工業化實驗裝備。

王國棟介紹,鋼鐵的冶煉、連鑄等前部工序,在學校、研究單位等非工業環境下,因為原料、公輔設施、環境限制很大,進行模擬研究比較困難,所以主要在企業環境中建設這一類模擬研究設備。這些研究工作可以提高在工業環境下實施的可行性,并可以對運行技術、經濟指標進行評估。

例如,日本COURSE50項目圍繞高爐碳減排,開發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會、馬克斯·普朗克研究所及另外15家研究機構和合作伙伴共同承擔該項目,探索如何利用鋼鐵冶煉產生的尾氣,為燃料、塑料、肥料行業創造有價值的初級產品。

蒂森克虜伯在廠區內建立了Carbon2Chem研究中心,由廠內的高爐、轉爐、焦爐收集氣體,用管線橋送到中心內建立的氣體凈化—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,應用于生產氨氣、甲醇、聚合物和高級醇等各種初級化工產品的實驗研究。

王國棟表示,一些小型化生產性設備,如窄帶熱連軋機、電渣重熔設備,如果裝備有較好的控制系統和檢測儀表,必要時可以作為工業環境下生產性實驗研究之用,為大型化生產設備設計、安裝、調試提供基礎支撐。小型冷連軋機等環境影響不大的準工業化研究設備,允許在非工業環境下工作,也可在學校和研究單位實驗室建設和運行。

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轉化的關鍵環節。由于工作環境、規模等要求,需由專業人員進行工廠設計。

如果屬于局部的改造,可由專業機械公司設計、制造和組織現場安裝。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,控制系統則完全由鞍鋼自己的技術力量完成。唐鋼中厚板廠的連鑄重壓下改造是由唐鋼、東北大學、中冶京誠共同完成的。

如果屬于大型的新型生產線工程,中間過渡的準工業化、近工業化或小型工業化裝備是必需的。由于實驗室環境的實驗研究與工藝環境的大生產有著較大差別,即使經過中間環節過渡,仍會遇到各種意想不到的問題,也可能會發生大的設計變動,這些都需要有足夠的思想準備和周到的工作預案。

冶金裝備原始創新與成果轉化的5個要素

王國棟表示,冶金裝備原始創新與成果轉化需具備以下5個要素:

一是根據國家重大需求與世界發展前沿確定研究方向與課題。王國棟指出,我們必須在生產實踐和市場博弈中,發現國家、社會、人民的需求;在學科前沿和發展大潮中,發現亟待解決的問題,并依據問題確定研發目標。然后是進行基礎理論研究、關鍵共性技術開發,一步步將研發成果推向市場應用,完成一個創新周期。

“這就是我們總結出的MLPM——市場(M)-基地(L)-鋼廠(P)-市場(M)循環創新機制。按照這個機制,市場是創新的出發點和成果的歸宿。”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濟主戰場中的問題,同時確保研究成果實際應用于國民經濟主戰場。由于這一過程是由需求牽引、市場驅動,研發成功后必將受到企業的歡迎,轉化也是順理成章的事。”

二是資源4D(維度)匯聚,即學科交叉、行業協同、產學研深度融合、工藝-裝備-產品-服務一體化(TEPS)。“以市場為導向”是這個體系發揮作用的大前提。“我們必須實行4個維度上的資源匯聚、深度融合、創新發展。”王國棟表示。

三是在無人區中開山搭橋,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新工業化,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,冶金行業的一系列化學反應和物理變化是在“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。近年來快速發展的信息化、智能化技術,為冶金裝備行業解決這一棘手問題提供了支撐。

利用大數據、云計算、物聯網、互聯網、5G等先進的信息技術,“惟妙惟肖”地以一定的保真度展現實際生產過程,并實現實時反饋控制。這樣構成的CPS(信息物理系統),將具有感知、記憶、思維、學習和自適應能力,以及行為決策能力,能夠自學習、自組織、自適應,從而實現信息深度感知、智慧優化決策、精準協調控制、自主學習提升。那么,鋼鐵生產過程的智能設計與實時精準智能控制將成為可能。擁有了這個核心,鋼鐵行業才能夠跨入真正意義上的4.0時代。

五是加強冶金企業技術人員培訓,增強產品質量控制與新產品開發能力。王國棟認為,除機械學科研究人員外,材料學科和信息學科研究人員也應參與冶金裝備開發,提出需求、參與研究、把關定向。王國棟建議對企業技術人員進行系統培訓,包括設備、材料、信息(軟件)、操作規程、設備維護等,應有專門的教材(含視頻教材),并制訂專門的培訓計劃。尤其是應加強對企業技術人員的工業軟件技術培訓,使其具備軟件修改、新功能開發能力。

 

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