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行业要闻

王国栋:加速冶金装备原始创新和科技成果转化

  “在钢铁行业发展过程中,冶金装备发挥着重要的作用。在目前的形势下,我们要特别注意产学研深度融合,加速冶金装备原始创新和科技成果转化,这将是我们今后发展的主旋律。”中国工程院院士王国栋在由中国钢铁工业协会主办、中国一重集团有限公司承办、中国冶金报社协办的2020年高质量发展·装备与钢铁同行 冶金先进技术装备创新推进会上表示。

  冶金装备技术创新的3个阶段

  王国栋表示,冶金装备技术创新一般经历3个阶段,即前期实验室平台研究阶段、准工业化小型装备生产验证阶段、工程实施—工程再创新—达产达效阶段。其中,对于冶金厂前部冶炼环节,第二阶段一般在工业化环境中进行;第三阶段必须在工业化环境中进行。

  王国栋介绍了上述3个阶段的特征:

  第一阶段是前期实验室平台研究阶段,主要使用模拟仿真+比例样机。实验室研究平台有以下5个特色:

  一是模拟和再现现代化钢铁生产过程。主要工艺环节的工艺参数范围涵盖现有实际轧制过程,反映现场生产过程中材料组织和性能演变的规律,研究结果可以指导现场生产和研发。

  二是某些功能和工艺原理、参数范围超越现有轧制过程,甚至颠覆现有轧制过程。这些参数范围超越现有轧制过程的工艺或采用新原理的原型设备,为新工艺、装备、技术、产品研发提供了创新空间。

  三是多功能、组合型的模块化研究设备。通过采用积木式结构,平台不同的装备和功能可灵活、柔性地集成和组合成新的生产过程,实现工艺、技术和产品的创新。

  四是高精度、工业化的计算机控制系统,功能强大的局域网和智能化数据处理、管理系统。完备的过程控制级和基础自动化级二级控制,工业化的高精度仪表,具有工业控制水平的高精度、高响应性、高稳定性是必须的。该系统完全可与真正的工业自动化系统相媲美,实验结果对实际生产具有重要指导意义。

  五是改造是永恒的,应具有动态修正、改造的功能。技术创新平台根据发展的客观要求,不断进行改造和开发。即使是昨天刚刚建成的新设备,如果确有需要,也必须进行改造。动态的改造,提供了技术创新的可能。

  第二阶段是准工业化小型装备生产验证阶段。这一阶段既是工业环境下的准工业化实验装备,也是允许在非工业环境下运行的准工业化实验装备。

  王国栋介绍,钢铁的冶炼、连铸等前部工序,在学校、研究单位等非工业环境下,因为原料、公辅设施、环境限制很大,进行模拟研究比较困难,所以主要在企业环境中建设这一类模拟研究设备。这些研究工作可以提高在工业环境下实施的可行性,并可以对运行技术、经济指标进行评估。

  例如,日本COURSE50项目围绕高炉碳减排,开发了部分使用氢代替焦炭作为还原剂的氢还原炼铁法。该项目利用2015年在新日铁住金君津厂建成的小型试验高炉(容积为10立方米)进行改质富氢焦炉煤气的喷吹试验,随后进行了炉体拆解研究,确认部分以氢作为还原剂的氢还原炼铁法可使CO2排放量降低近10%

  基于碳捕集与利用的思想,德国教育与科技部立项Carbon2Chem,执行来源:威尼斯人官网 时间为20163~20261231。蒂森克虏伯与弗劳恩霍夫协会、马克斯·普朗克研究所及另外15家研究机构和合作伙伴共同承担该项目,探索如何利用钢铁冶炼产生的尾气,为燃料、塑料、肥料行业创造有价值的初级产品。

  蒂森克虏伯在厂区内建立了Carbon2Chem研究中心,由厂内的高炉、转炉、焦炉收集气体,用管线桥送到中心内建立的气体净化—分离塔处理,处理后获得的COCO2H2N2等纯净气体,再加上可再生能源电解水得到的补充用的H2,制成含有碳和氢的合成气体,再送到实验楼内,应用于生产氨气、甲醇、聚合物和高级醇等各种初级化工产品的实验研究。

  王国栋表示,一些小型化生产性设备,如窄带热连轧机、电渣重熔设备,如果装备有较好的控制系统和检测仪表,必要时可以作为工业环境下生产性实验研究之用,为大型化生产设备设计、安装、调试提供基础支撑。小型冷连轧机等环境影响不大的准工业化研究设备,允许在非工业环境下工作,也可在学校和研究单位实验室建设和运行。

  第三阶段是工程实施阶段。王国栋指出,工程实施阶段是将实验室、中试基地的研究成果向大生产转化的关键环节。由于工作环境、规模等要求,需由专业人员进行工厂设计。

  如果属于局部的改造,可由专业机械公司设计、制造和组织现场安装。例如鞍钢硅钢厂实施的六辊轧机工作辊串辊改造是由中国一重实施的,控制系统则完全由鞍钢自己的技术力量完成。唐钢中厚板厂的连铸重压下改造是由唐钢、东北大学、中冶京诚共同完成的。

  如果属于大型的新型生产线工程,中间过渡的准工业化、近工业化或小型工业化装备是必需的。由于实验室环境的实验研究与工艺环境的大生产有着较大差别,即使经过中间环节过渡,仍会遇到各种意想不到的问题,也可能会发生大的设计变动,这些都需要有足够的思想准备和周到的工作预案。

  冶金装备原始创新与成果转化的5个要素

  王国栋表示,冶金装备原始创新与成果转化需具备以下5个要素:

  一是根据国家重大需求与世界发展前沿确定研究方向与课题。王国栋指出,我们必须在生产实践和市场博弈中,发现国家、社会、人民的需求;在学科前沿和发展大潮中,发现亟待解决的问题,并依据问题确定研发目标。然后是进行基础理论研究、关键共性技术开发,一步步将研发成果推向市场应用,完成一个创新周期。

  “这就是我们总结出的MLPM——市场(M)-基地(L)-钢厂(P)-市场(M)循环创新机制。按照这个机制,市场是创新的出发点和成果的归宿。”王国栋介绍,“它将确保研究目标紧紧围绕国家重大需求,确保研究方向准确瞄准国民经济主战场中的问题,同时确保研究成果实际应用于国民经济主战场。由于这一过程是由需求牵引、市场驱动,研发成功后必将受到企业的欢迎,转化也是顺理成章的事。”

  二是资源4D(维度)汇聚,即学科交叉、行业协同、产学研深度融合、工艺-装备-产品-服务一体化(TEPS)。“以市场为导向”是这个体系发挥作用的大前提。“我们必须实行4个维度上的资源汇聚、深度融合、创新发展。”王国栋表示。

  三是在无人区中开山搭桥,闯出一条新路。无论是淬火机的从无到有,还是中厚板、热连轧、无缝钢管超快冷的从零到一,还是薄带连铸的自主创新工业化,面对“硬骨头”项目,我们要有坚定的信念、深刻的思考和理性的分析,要有巨大的韧性和不成功不罢休的魄力。

  四是用智能化和信息化为先进冶金装备插上腾飞的翅膀。王国栋指出,冶金行业的一系列化学反应和物理变化是在“黑箱”中进行的,“黑箱”中的情况看不见、摸不到、测不准。这是冶金生产流程的特点,也是冶金工作者和冶金装备制造者面临的巨大挑战。近年来快速发展的信息化、智能化技术,为冶金装备行业解决这一棘手问题提供了支撑。

  利用大数据、云计算、物联网、互联网、5G等先进的信息技术,“惟妙惟肖”地以一定的保真度展现实际生产过程,并实现实时反馈控制。这样构成的CPS(信息物理系统),将具有感知、记忆、思维、学习和自适应能力,以及行为决策能力,能够自学习、自组织、自适应,从而实现信息深度感知、智慧优化决策、精准协调控制、自主学习提升。那么,钢铁生产过程的智能设计与实时精准智能控制将成为可能。拥有了这个核心,钢铁行业才能够跨入真正意义上的4.0时代。

  五是加强冶金企业技术人员培训,增强产品质量控制与新产品开发能力。王国栋认为,除机械学科研究人员外,材料学科和信息学科研究人员也应参与冶金装备开发,提出需求、参与研究、把关定向。王国栋建议对企业技术人员进行系统培训,包括设备、材料、信息(软件)、操作规程、设备维护等,应有专门的教材(含视频教材),并制订专门的培训计划。尤其是应加强对企业技术人员的工业软件技术培训,使其具备软件修改、新功能开发能力。