让钢铁炼制过程看得见可视化热加工技术在辽宁加速产业化应用

　　将生铁放到炼钢炉内按一定工艺熔炼，即得到钢，这是传统的炼钢术。而今，中科院金属研究所的科研团队采用计算机模拟仿真，建立热加工过程的数学模型，运用到金属产品生产的工艺方案中。

　　团队负责人之一、金属所研究员孙明月告诉《中国科学报》记者：“我们研发的可视化热加工技术，对金属热加工过程中的组织、应力、缺陷的状态和变化进行模拟计算。换言之，我们的技术可以清晰地看见钢铁是怎样炼成的。”

　　可视化铸锻技术

　　辽宁省是我国主要的装备制造业基地，也是我国热加工产品的主要生产基地。热加工是装备制造业的基础，热加工产品的质量和成本直接影响着后道工序的产品质量和经济效益。

　　长期以来，我国热加工铸锻件和复杂结构件的生产一直存在成本高、能耗高、附加值低、原材料消耗严重、机加工量大、环境污染严重等问题。很多重大装备的大型铸锻件严重依赖进口，部分特大型铸锻件对我国技术封锁甚至禁运，严重制约了我国能源、冶金机械、船舶动力等重要产业的发展。

　　孙明月指出：“我国大型铸锻件制备技术落后的主要原因是，成形过程看不见、摸不着，工艺设计依赖经验。”

　　为了从根本上改善热加工行业制造技术落后这一瓶颈问题，金属所多年来紧紧围绕能源电力、船舶制造、冶金机械、高速铁路等重点产业的发展需求，开发了可视化铸锻技术。

　　孙明月说：“我们通过实验室的模拟仿真和等比例中试件的X射线实时观察，可直接透视铸锻件缺陷产生过程，从而提供最佳工艺方案，指导企业生产优质铸锻件。”

　　他接着解释道，可视化铸锻技术作为计算机模拟技术的延伸，是理论、模拟与实测相结合的一项关键技术。该技术直接可视金属充型、凝固和固态成形过程，结合模拟计算，可设计出合理的浇注系统、浇注参数，建立缺陷演化模型，确定合理的铸锻工艺，从而实现铸锻件制备的纯净化、均质化、致密化和终形化共性技术。

　　目前，金属所研发的可视化热加工技术及部分关键件制造技术已获得相关授权专利50余项，发表高水平论文200多篇，获得2012年国家科技进步奖二等奖、2011年产学研合作创新与促进奖、2007年辽宁省科学技术发明奖一等奖等多项奖励。

　　“心脏部件”国产化

　　在科技部、中科院和辽宁省的支持下，金属所建设了可视化铸锻国家技术转移示范机构，承担国家级重大项目任务，不断提升技术水平，具备了刀片式集群超级计算机、相关大型商用铸锻模拟仿真软件以及X射线可视化铸造能力。

　　在可视化铸锻平台的支持下，金属所科研人员利用可视化共性技术先后与辽宁省内鞍钢集团、大连重工、福鞍重工、北方重工等骨干企业密切合作，开发了能源电力、冶金机械、船舶和铁路等领域的关键铸锻件制造技术，突破关键制造技术瓶颈，摆脱了中国“心脏部件”长期受制于人的被动局面。

　　2006～2009年，在中科院东北振兴科技行动计划重大项目——“热加工过程可视化及其成套技术”的支持下，金属所与鞍钢重机、大连重工合作，利用可视化热加工技术，实现了50吨级以上大型铸钢支承辊成套制备技术的国产化。

　　孙明月告诉记者：“我们团队就此完善了可视化技术传输平台，开发了可视化平稳充型浇注系统、大型铸锻件模拟仿真、关键材料研制与性能评价和大型铸锻件低成本高效率制造等多项共性技术，显着提升了合作企业自主创新能力和工艺设计水平。”

　　2007～2009年，金属所与大连重工合作，在国家支撑技术项目“大型船用曲轴热装及关键冷加工技术”的支持下，采用可视化热加工技术，攻克并掌握了10余项大型船用曲轴关键加工技术，形成了一套完整合理具有自主知识产权的大型船用曲轴制造工艺方法和操作规范并实施应用。

　　孙明月表示：“我们合作完成了MAN系列50－90型大型船用曲轴的国产化研制，并实现了批量化生产，破解了又一重大装备国产化难题，标志着我国大型船用曲轴自主化生产取得了重大突破，为缓解‘船等机、机等轴’瓶颈作出了重要贡献。”

　　产学研合作模式

　　辽宁省的热加工产品制造企业众多，企业规模差异巨大，金属所在可视化热加工技术应用与推广过程中，主要积累了以下成功经验：科研人员与企业技术人员密切交流、相互学习与共同促进。

　　孙明月说：“为了攻克关键技术，科研人员与技术人员一同扎到生产一线，理论与实践紧密结合、工艺研发直接指导生产操作，从而快速有效地解决实际问题。”

　　针对重大工程需求的关键零部件制备技术攻关，项目采用产学研的合作模式，企业先行自筹资金与金属所签订技术合作合同或者协议，开展前期应用基础研究工作。

　　同时，金属所与鞍钢重机、大连重工、福鞍重工等大型企业联合申报国家、中科院和省市等专项资金支持，共同开展关键技术攻关及其产业化。

　　为更好地推广热加工共性技术，在辽宁省和中科院沈阳分院的支持下，金属所依托已经建设的可视化热加工技术平台，根据不同企业特点，采用实地调研、技术交流和人员培训等方式，开展优化生产工艺、提升产品质量等方面工作，实时解决企业日常生产中遇到的技术问题。

　　2007～2008年，在辽宁省科技计划项目——“大型铸件可视化铸造技术推广与应用”的支持下，金属所与辽宁省内10余家企业合作。“可视化铸锻共性技术的推广，大幅提高了产品合格率、材料利用率和生产效率；关键产品专有技术的共同开发转让，提升了合作企业的产品技术含量和市场竞争力，从而推动了辽宁省装备制造业快速发展。”孙明月说。

　　与此同时，金属所科研团队立足骨干企业的关键技术开发，通过培训和举办会议等方式，辐射和引导辽宁省内中小企业应用可视化技术，提高了铸锻件产品合格率、材料利用率和实际生产效率。

　　据孙明月介绍，他们的研究成果引领和支撑中国一重、中国二重、上海重型等多家企业突破了铸锻件制造的技术瓶颈，提高了规模化铸锻件的合格率和材料利用率，最终实现了节能降耗，合作企业新增产值约10亿元，节约成本约1亿元。

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