鋼鐵素有“工業(yè)糧食”之稱，是諸多工業(yè)領(lǐng)域中的“必選材料”，鋼鐵工業(yè)在整個國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的地位。無論是在過去和現(xiàn)在，還是在將來相當長的歷史時期內(nèi)，鋼鐵工業(yè)的發(fā)展水平仍然是衡量一個國家工業(yè)化和現(xiàn)代化水平高低的重要標志之一。隨著航天、兵工、汽車等事業(yè)的飛速發(fā)展，對材料提出了更高的要求，鋼鐵材料一直在向高性能、長壽命、低成本、易加工、多品種以及具有綠色環(huán)保意義的柔性、可控、實時制造方向邁進，發(fā)展先進的鋼鐵材料是突破能源、資源和環(huán)境瓶頸的重要手段，也是鋼鐵行業(yè)品種結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要任務。

東北大學劉振宇教授團隊長期從事先進鋼鐵材料的教學、科研工作，并且在該方面頗有建樹。本期，記者特邀請到劉教授做相關(guān)方面的精彩解讀。

右二 劉振宇教授

記者：您長期從事先進合金材料制備工作，并且在金屬高溫腐蝕防護的研究方面頗有建樹。請您詳細談一下您和您的團隊研究上所做的工作和取得的進展和成就。并談談這些科研工作成果或技術(shù)的應用狀況及產(chǎn)生的效益。

劉教授： 鋼鐵材料占全部金屬材料的 95% 以上，是國民經(jīng)濟建設(shè)中用量最大的結(jié)構(gòu)材料和功能材料，其中90% 以上的鋼材是經(jīng)過熱軋后使用的，因此高溫氧化是影響其表面質(zhì)量和成材率的重要過程。我們團隊長期致力于鋼鐵材料高溫氧化行為的研究和控制工作，屬于高溫腐蝕與鋼鐵材料生產(chǎn)制造相交叉的研究領(lǐng)域，其重要性體現(xiàn)在，如果鋼材加熱過程中的爐生氧化膜減薄15%，鋼材的損耗將降低千分之一，以我國每年 10 億噸鋼鐵產(chǎn)能計算，每年節(jié)約鋼材超過 10 萬噸，帶來的經(jīng)濟效益十分巨大。此外，高溫氧化在鋼材熱軋過程中貫穿始終，是影響表面質(zhì)量最重要因素之一。隨著我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、以及國家對環(huán)境標準日益嚴苛，對鋼材表面質(zhì)量要求也變得極為嚴苛，在行業(yè)內(nèi)甚至達成了“表面質(zhì)量不達標，性能再好也不用”的共識。考慮到鋼材氧化受到鋼中合金元素及諸多工藝參數(shù)的交互影響，實現(xiàn)氧化膜結(jié)構(gòu)、厚度、均勻性的精準控制是一項世界性難題。

日本、德國等鋼鐵強國，很早已開始根據(jù)用戶需求調(diào)控熱軋鋼材表面狀態(tài)，且系統(tǒng)研發(fā)生產(chǎn)工藝技術(shù)。我國在熱軋鋼材高溫氧化行為的控制研究方面起步較晚，缺少系統(tǒng)理論指導與核心技術(shù)，一度導致我國熱軋鋼材由于高溫氧化控制不當而引發(fā)的產(chǎn)品缺陷率超過90%，與國外同類產(chǎn)品在表面質(zhì)量方面差距巨大。

我們從 1995 年開始針對熱軋鋼材高溫氧化機理及控制技術(shù)進行基礎(chǔ)理論研究，之后圍繞鋼材中合金元素的選擇性氧化行為、氧化膜厚度和結(jié)構(gòu)演變進程精準控制、提高氧化膜與基體粘附性以及界面平直度控制等核心問題，展開了針對性研究工作，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鋼材熱軋氧化行為成套控制技術(shù)，解決了高強鋼氧化膜結(jié)構(gòu)控制、氧化行為精準預測、界面平直度控制以及高效除鱗等行業(yè)共性難題，使熱軋板帶材表面質(zhì)量提升至國際先進水平。我們的主要工作進展包括四個方面：

（1）氧化膜高粘附性控制技術(shù)受限于合金體系及軋制工藝，厚規(guī)格高強鋼的氧化膜在后續(xù)加工過程中容易發(fā)生起粉式剝落，成為制約我國熱軋高強鋼產(chǎn)品推廣應用的關(guān)鍵難題。我們圍繞氧化膜結(jié)構(gòu)對粘附性的影響、合金元素選擇性氧化機制以及氣氛對 FeO 共析轉(zhuǎn)變影響，進行了多耦合因素的研究，最終明確了合金元素對氧化行為的影響機理，提出了兼顧表面與性能的成分設(shè)計。針對 700MPa 以上超高強鋼，開發(fā)出“以 Cr 代 Mn、代 Nb”的合金化設(shè)計，在確保力學性能的條件下，得到了具備高粘附性的氧化膜復相結(jié)構(gòu)，并且使氧化膜厚度減薄近 30%，成功實現(xiàn)了輥壓成型過程中的氧化膜掉粉控制，掉粉量穩(wěn)定控制在 3mg/dm 2 以下，達到了國際領(lǐng)先的水平。這一技術(shù)應用于太鋼 2250、馬鋼 2250、邯鋼 2250、唐鋼1580 等十余條熱軋生產(chǎn)線，涉及的產(chǎn)品包括汽車大梁，冷彎邊梁，客車骨架、橋殼、牽引鞍座、傳動軸、剎車鋼背、離合器壓盤等汽車零部件，累計生產(chǎn)已經(jīng)超過 100 萬噸，實現(xiàn)了高強和超高強鋼的免酸洗冷加工成型。

（2）氧化行為（厚度 / 結(jié)構(gòu)）精準預測與智能控制技術(shù)獲得最優(yōu)氧化膜厚度與結(jié)構(gòu)，是實現(xiàn)鋼材產(chǎn)品高表面質(zhì)量的關(guān)鍵。但是，現(xiàn)有高溫氧化理論僅限于恒溫氧化，對于熱軋過程中鋼材表面溫度發(fā)生復雜變化的情況難以適用。為此，我們首先開發(fā)出了熱軋鋼材氧化行為數(shù)據(jù)庫；以 Wagner 理論和相變動力學 JMAK 方程為基礎(chǔ)，采用可加性法則建立了描述熱軋過程中氧化膜厚度和相變的數(shù)學模型；以工業(yè)實際測量數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用遺傳算法（GA），將機器學習理論應用于模型參數(shù)的智能調(diào)優(yōu)，使得氧化膜厚度與結(jié)構(gòu)預測精度分別達到 ±2μm及 ±10%，首次實現(xiàn)了熱軋板帶材氧化行為的模型化控制。本項技術(shù)應用于邯鋼、 唐 鋼、 太 鋼 的 2250、1700、1810及 1580 等多條熱連軋產(chǎn)線，在 C-Mn、高強板、酸洗板、管線、船板、車輪等系列鋼種的氧化膜實現(xiàn)了標準化控制，產(chǎn)品氧化膜厚度降低 20% 以上。團隊首創(chuàng)的熱軋氧化膜的智能預測及工藝優(yōu)化技術(shù)及配套的應用軟件，已經(jīng)輸出至韓國 HYUNDAI 公司，以其 2# 板帶熱連軋生產(chǎn)線為示范線，實現(xiàn)了鋼材氧化膜精準預測與控制。

（3）氧化膜 / 鋼基體界面平直度控制技術(shù)通過對氧化膜界面與結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究后發(fā)現(xiàn)，氧化膜 / 基體界面發(fā)生嚴重波動是造成熱軋酸洗板及中厚板表面存在色差等問題的主要原因。為此，團隊通過大量實驗研究，明確了氧化膜與鋼基體協(xié)調(diào)變形規(guī)律以及界面局部再氧化的形成機制，建立了界面彎曲度與主要工藝參數(shù)的定量關(guān)系，開發(fā)出了氧化膜/ 鋼基體界面平直度控制技術(shù)，解決了去除氧化膜后鋼板涂裝質(zhì)量問題。相關(guān)技術(shù)在唐鋼中厚板生產(chǎn)線應用后，顯著的降低了中厚板表面“暴起”、“花斑”、“凹坑”等典型缺陷發(fā)生率，為日資工程機械企業(yè)神鋼建機和小松機械新開發(fā)了 Q235B-XS、Q345B-XS、Q235B-SG等系列鋼種，累計供貨超過 11 萬噸。

相關(guān)技術(shù)推廣應用至邯鋼中厚板產(chǎn)線，生產(chǎn)出高表面質(zhì)量厚規(guī)格 Q550D、船板、容器板等產(chǎn)品，累計供貨超過 40 萬噸，表面缺陷發(fā)生率較以往下降了 60% 以上。

（4）基于 FeO 韌 / 脆轉(zhuǎn)變控制的除鱗技術(shù)熱軋生產(chǎn)過程中，為盡可能有效地去除鋼材表面氧化皮，鋼鐵企業(yè)一般傾向于提高除鱗水壓力，但實際生產(chǎn)過程中常常不能取得理想效果。我們通過研究 FeO 的高溫力學性能變化規(guī)律及實驗室除鱗模擬試驗，開發(fā)出“裂化除鱗”

這一新技術(shù)，去除鋼板氧化皮的效率大幅度提高。本技術(shù)應用在唐鋼薄板坯連鑄連軋短流程生產(chǎn)線，顯著提升了酸洗板產(chǎn)品的表面質(zhì)量，解決了薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線由于除鱗效率低造成的鋼表面問題，使薄規(guī)格熱軋酸洗板表面缺陷率由 90% 以上降低至 2% 以下，解決了短流程產(chǎn)品表面質(zhì)量控制這一世界性難題。同時，我們針對韓國鋼鐵巨頭POSCO 的無頭軋制生產(chǎn)線（CEM），研究了熱軋產(chǎn)品表面光澤度與粗糙度的變化規(guī)律并提出了解決方案，為改善無頭軋制生產(chǎn)低碳鋼產(chǎn)品的表面質(zhì)量找到了切實可行的工藝技術(shù)。

通過二十幾年的研發(fā)積累，我們形成了圍繞熱軋鋼材高溫氧化行為的成套控制技術(shù)（包括 17 項專利技術(shù)和 3 項軟件著作權(quán)），在不增加甚至降低生產(chǎn)成本的條件下，實現(xiàn)了熱軋鋼材表面狀態(tài)的最優(yōu)化控制。在 2018 年底，中國金屬學會組織的科技成果鑒定認為：項目組研發(fā)的熱軋鋼材表面狀態(tài)控制技術(shù)在表面氧化行為的精準預測與控制、薄板坯連鑄連軋表面質(zhì)量控制和“噴淋 +高壓水除鱗”技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平。

研發(fā)成果已成功應用于寶武、鞍鋼、首鋼、河鋼、太鋼、馬鋼、漣鋼的 40 余條熱軋生產(chǎn)線并輸出至韓國浦項和現(xiàn)代制鐵。近三年來，為企業(yè)創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益超 6.5 億元；生產(chǎn)出超過 100 萬噸免酸洗鋼及 1500 萬噸易酸洗鋼，酸用量減少超過10萬噸；通過優(yōu)化加熱制度，氧化燒損減少 0.01%，三年內(nèi)節(jié)約鋼材約 2 萬噸，折合減少近 6 萬噸 CO 2 、超1 萬噸粉塵和 1 萬噸 SO 2 排放、減少超過 5 萬噸新水投入，開發(fā)的系列產(chǎn)品在為下游用戶實現(xiàn)清潔生產(chǎn)提供了原材料保障的同時，也為促進綠色制造向下游用戶的延伸做出了重要貢獻。

我們這項技術(shù)于 2008 年和 2019 年兩次被授予中國冶金科學技術(shù)一等獎，體現(xiàn)出我國鋼鐵行業(yè)對控制熱軋鋼材氧化行為和提升表面質(zhì)量的高度重視。

記者：目前海洋耐蝕鋼鐵材料近年來已成為學術(shù)界的一個研究熱點，請您談談海洋耐蝕鋼鐵材料的現(xiàn)狀以及發(fā)展海洋耐蝕鋼鐵材料的關(guān)鍵是什么？應該怎么做？

劉教授： 海洋工程用鋼的應用環(huán)境極為復雜和嚴苛，既有含鹽量極高的大氣環(huán)境，也有經(jīng)受海水沖刷的浸泡環(huán)境，因此開發(fā)具有優(yōu)良耐腐蝕性能的海洋工程用鋼是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。

目前，建設(shè)海洋強國和海上絲綢之路已成為我國的國家戰(zhàn)略，高性能海洋工程用鋼作為重大海洋工程建設(shè)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，是實現(xiàn)國家海洋戰(zhàn)略的原材料基礎(chǔ)，成為學術(shù)界研究熱點是必然的。

應該看到，除高耐腐蝕性能外，海洋工程用鋼正在向高強度、高韌性的方向發(fā)展，從而達到海洋鉆采平臺減重、延長關(guān)鍵部件使用壽命以及提高惡劣氣候條件下安全性的目的。要做到這一點，必須在鋼鐵材料生產(chǎn)過程中掌握超純凈化冶煉、控制軋制以及之后在線和離線冷卻等系列關(guān)鍵技術(shù)。只有這樣，才能在盡可能少用甚至不用貴重合金元素的條件下，生產(chǎn)出高強甚至超高強鋼材，滿足海洋工程的嚴苛要求。目前，通過我國鋼鐵企業(yè)的艱苦努力，我國海洋工程用鋼取得了顯著進展。例如，出口挪威的半潛式海洋平臺 D90，采鉆深度達到 15000 米，所用 550MPa 以上級別鋼材均有鞍鋼提供；我國用于可燃冰開采的藍鯨一號鉆采平臺，其所用高強鋼均由我國首鋼、鞍鋼及寶鋼等國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)。

但是也應該看到，我國在海洋工程用鋼研制還存在一些不足。例如，對復雜腐蝕環(huán)境條件下的服役性能評價不夠系統(tǒng)，導致鋼材綜合性能的優(yōu)化過程較慢；在極為嚴苛的腐蝕環(huán)境下，開發(fā)新型超級及特超級雙相不銹鋼、超級奧氏體不銹鋼以及鈦合金等方面還有待加強。

記者：據(jù)悉，您受邀參加 2019第六屆海洋材料與腐蝕防護大會，并將在大會上做主會場報告，請問您有何重要的研究成果要與我們分享，請您簡要談談這項研究的最新進展和應用。

劉教授： 鋼鐵材料的腐蝕與防護是一個困擾鋼鐵工業(yè)的世界性難題。全世界每年因腐蝕而報廢的鋼鐵材料和設(shè)備的量約為全年產(chǎn)量的 1/4-1/3。鋼材軋制成形以后，在使用過程中，表面往往會產(chǎn)生不同程度的銹蝕，這不僅造成了材料的損耗，也大大降低了熱軋鋼材的產(chǎn)品質(zhì)量。通常意義上鋼材的防護主要是通過鋼材本身添加大量的耐蝕性合金元素如 Cr、Mo 等，或者在鋼材表面涂鍍耐腐蝕性鍍膜以提高其耐蝕性能。

而對于量大面廣的熱軋結(jié)構(gòu)鋼材，在降低成本基礎(chǔ)上提高耐候性能，是企業(yè)的迫切需求。我們通過多年鋼材高溫氧化機理和控制技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，鋼材在熱軋過程中會自然形成一層氧化膜，通過對熱軋過程的精準控制能夠使得這層氧化膜均勻、致密，更重要的是，合理的結(jié)構(gòu)控制可以起到提高鋼材耐候性能的目的。實驗室條件下的加速腐蝕測試表明，如果將氧化膜結(jié)構(gòu)控制為 FeO+ 先共析 Fe 3 O 4 為主，工業(yè)大氣條件下的腐蝕速度可以降低一倍。圍繞氧化膜控制提高鋼材耐蝕性這一全新研究方向，團隊通過干濕交替加速腐蝕試驗，系統(tǒng)研究了不同結(jié)構(gòu)的氧化膜在不同腐蝕介質(zhì)條件下鋼基體的耐蝕性能，運用電化學方法測定了大量不同結(jié)構(gòu)的氧化膜的電化學極化曲線，得出不同工藝條件下氧化膜的孔隙率，明確了不同腐蝕介質(zhì)條件下氧化膜的耐蝕機理，并獲取了最優(yōu)耐蝕性能的氧化膜結(jié)構(gòu)類型。在明確氧化膜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變規(guī)律的基礎(chǔ)上，形成了一整套高耐蝕性氧化膜精準控制技術(shù)，并在漣鋼、重鋼等企業(yè)得到了實際應用，使熱軋產(chǎn)品的耐蝕周期較原有工藝提升20% 以上。在不添加任何耐蝕性合金元素和防腐處理的條件下，產(chǎn)品表面不發(fā)生大面積銹蝕的時間可延長30天以上。

此外，我們提出了利用氫還原代替?zhèn)鹘y(tǒng)酸洗工藝去除氧化皮的免酸洗還原退火熱鍍鋅技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，提出了“以 Al 代 Zn”的鋅液合金化成分設(shè)計，表面鍍層的硬度提高至 100?HV 以上，腐蝕電流密度降低至8.38×10 -6 ?A·cm -2以下，大大提高鍍鋅產(chǎn)品的表面質(zhì)量和使用壽命。免酸洗還原熱鍍鋅技術(shù)的工業(yè)試制結(jié)果表明，由于省去酸洗和預氧化工序，生產(chǎn)效率可提高 20% 以上，噸鋼減少濃鹽酸消耗約 20kg，同時也展現(xiàn)出在厚規(guī)格、厚鋅層（600gm -2 以上）產(chǎn)品如地下管廊用熱基鍍鋅板等開發(fā)方面的獨特優(yōu)勢。

記者：高性能耐腐蝕鋼是未來鋼鐵材料發(fā)展的重要方向之一，具有很多重要意義。請您結(jié)合自身工作和科研經(jīng)歷，談談我國在該研究領(lǐng)域未來應如何更好的發(fā)展？

劉教授： 首先，高性能耐腐蝕鋼鐵材料在國民經(jīng)濟建設(shè)中的應用前景非常廣泛。例如，高強度耐候性橋梁鋼，我國經(jīng)過多年努力，特別是在十三五重點研發(fā)計劃的支持下，取得了巨大進展，已躍居世界前列，一些高等級耐候性橋梁鋼出口到美國等發(fā)達國家。同時，我們也應該看到，世界工業(yè)強國對這種鋼材的開發(fā)也投入了相當大的人力和財力，競爭的態(tài)勢越來越強烈。因此，我們應該對鋼材的耐腐蝕性能給予高度重視。從各國耐蝕鋼開發(fā)歷程來看，必須加強對生產(chǎn)全流程嚴格控制的觀念。例如，煉鋼過程中的夾雜物類型、尺寸與分布狀態(tài)，對鋼材在海洋環(huán)境下發(fā)生點腐蝕有很大影響，必須在煉鋼及連鑄工序加以解決；鋼材晶粒尺寸及表面應力狀態(tài)對腐蝕性能也會產(chǎn)生重要影響，因此軋鋼工序要進行精準控制。總之，提高鋼材耐腐蝕性能應該像控制其力學性能一樣，給予充分重視，甚至建立相關(guān)標準。我國在這一方面一直還落后于日本、歐洲、澳大利亞等國家，急需集全行業(yè)力量進行解決。

其次，我們應看到，經(jīng)過多年努力，目前我國鋼材腐蝕性能方面積累了大量數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)應用方面取得了重大進展，解決了很多耐腐蝕性能評價與腐蝕防護方面的關(guān)鍵問題。同時，隨著人工智能理論如機器學習等在材料科學領(lǐng)域的廣泛應用，基于大數(shù)據(jù)的智能學習已經(jīng)成為新材料研發(fā)的重要工具。相關(guān)理論和技術(shù)可以進一步推廣至鋼材腐蝕行為研究領(lǐng)域，采用高效的機器學習算法對鋼材表面腐蝕行為進行學習和表征，例如采用多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法學習電化學極化曲線、腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)組成等，通過建立智能化預測模型進行鋼材腐蝕行為的精準預測，在此基礎(chǔ)上以耐腐蝕性能為目標，采用智能優(yōu)化算法進行成分與生產(chǎn)工藝的開發(fā)，以實現(xiàn)高性能耐蝕鋼全流程生產(chǎn)的智能化控制。

后記：

伴隨著需求變化和相關(guān)技術(shù)進展，2l 世紀的鋼鐵材料將會以質(zhì)量高和多樣化的面貌出現(xiàn)在人類面前。應不斷地運用新技術(shù)、新工藝和新裝備，研發(fā)出環(huán)境友好、性能優(yōu)良、資源節(jié)約、成本低廉的先進鋼鐵材料與相關(guān)信息化技術(shù)，以適應未來的社會和經(jīng)濟發(fā)展。道阻且長，同志們一起努力，為真正實現(xiàn)鋼鐵強國夢而奮斗吧！

●  人物簡介

劉振宇，1967 年 5 月出生于內(nèi)蒙古赤峰市，1996 年獲東北大學工學博士學位；1996-2001 年在奧克蘭大學完成博士后研究工作， 2001-2003 年在日本北海道大學任 JSPS 高級研究員，現(xiàn)任東北大學教授、博士生導師、軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室副主任；擔任 2011 教育部協(xié)同創(chuàng)新中心“先進短流程工藝技術(shù)與裝備”研究方向首席專家、國家“十三五重點研發(fā)計劃”項目首席科學家。

劉振宇教授主要從事“節(jié)約型高品質(zhì)鋼材組織結(jié)構(gòu)演變機理與軋制工藝創(chuàng)新”的研究工作，在熱軋鋼材氧化鐵皮結(jié)構(gòu)控制、新一代控軋控冷（TMCP）工藝冶金學原理研究、鋼材組織 - 性能演變數(shù)學模型與集約化軋制技術(shù)開發(fā)以及薄帶連鑄技術(shù)開發(fā)和應用與工業(yè)化應用等方面取得了重要的創(chuàng)新性成果，為我國鋼鐵企業(yè)創(chuàng)造了巨大經(jīng)濟效益和社會效益。到目前為止，主持開展或完成國家自然科學基金重點和面上、973、863 和科技支撐計劃課題等縱向項目和重大企業(yè)技術(shù)開發(fā)橫向項目三十余項；發(fā)表論文400余篇，總的SCI他引次數(shù)超過2000次，出版學術(shù)專著三部、譯著一部、國務院戰(zhàn)略咨詢報告一份；授權(quán)國家發(fā)明專利 40 項、申請中的發(fā)明專利 12 項；獲省部級科技獎勵 14 項，其中遼寧省科技進步一等獎 1 項、湖南省科技進步一等獎 1 項、北京市科技進步一等獎 1 項、中國冶金科學技術(shù)一等獎 4 項，2017 年國家科技進步二等獎（排名第二）。