作者:沈春蕾 刘言 来源:中国科学报 发布时间:2021/7/27 10:58:56
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烈火丹心铸就钢铁长城
——记中科院金属研究所研究员李殿中

 

李殿中团队研发的世界最大百吨级无焊缝奥氏体不锈钢整体环形锻件(金属所供图)

日前,世界上单机容量最大的白鹤滩水电站投产发电,这是全球首台实现100万千瓦满负荷发电的机组。

其中,水轮机转轮是100万千瓦发电机组最核心的部件。中科院金属研究所(以下简称金属所)研究员李殿中带领团队成功解决了水轮机转轮大铸件依赖进口的难题,为大国重器打造了核心关键部件。

“掌握了核心技术,就掌握了创新的主动权。”从对国外技术的跟踪到不断地超越,李殿中深知:“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。”

大型钢锭实现“中国制造”

大国重器所需的许多关键部件多数由钢锭加工而成,因此钢锭的质量好坏直接决定了相关大国重器的成功与否。由于我国的大型钢锭生产还存在很多缺陷,导致许多大锻件依赖进口。

1998年,李殿中加入金属所工作,并组建科研团队攻关这一难题。李殿中发现,企业生产的大型钢锭不合格的主要问题是内部成分不均匀,即偏析导致了性能的不稳定。

当时国际主流观点认为通道型偏析是钢自然对流驱动的,但李殿中从剖开的横断面看到了许多条氧化物引起的偏析流线。他分析认为通过控制钢水中的氧含量,能显著减少夹杂物的数量和尺寸,实现钢的均质性,以达到提升钢性能的作用。

2014年,李殿中根据实验结果撰写的论文发表在《自然—通讯》上。随后,“控氧可有效控制偏析”机理也成为行业共识。

同时,李殿中还将目光瞄准三峡工程。三峡工程水轮机转轮由上冠、下环和叶片三大铸件组焊而成,总重量450多吨,直径达10米。此前国内水电站的转轮大部分依赖进口,存在经济和安全风险。

李殿中带领团队采用多种实验手段,提出“一次正火两次回火”的热处理工艺,最终实现了三峡水轮机转轮铸件的强韧性最佳匹配。

在此基础上,李殿中团队牵头起草了《三峡700MW级水轮机转轮马氏体不锈钢铸件技术规范》,被三峡总公司作为700MW及以上水轮机转轮铸件的全球采购规范,成为国内重型企业生产水电产品的技术规范。

“只有实现原始创新,才能真正实现核心技术的突破。”这是李殿中多年来奔走于实验室和生产一线的心得体会。

“点石成金”冶炼稀土钢

稀土被称为“工业维生素”,然而在钢中加入稀土后,其性能时好时坏,很不稳定。进入21世纪,中国钢铁企业在实际生产中几乎放弃了稀土应用。科研人员对稀土钢的研究也逐渐从热变冷。

2007年,李殿中在一次考察中发现国外利用中国稀土制作钢锭,钢的品质非常好。“我国有充足的稀土资源,并且国外使用中国的稀土效果这么好,而我们自己却放弃了对稀土的应用呢?”

为了一探究竟,李殿中亲自跑到稀土生产现场,观察稀土厂家的冶炼过程后发现,稀土厂家做出来的稀土和他所需要的稀土,在概念上存在偏差。稀土厂家为了让稀土更为纯净,将其中的一些铁、碳等元素都分离了出去。

经过前期的实验分析,李殿中认为:“稀土中的铁、碳对于炼钢来说正是不可缺少的成分,反倒是影响纯度的氧等杂质元素应予去除。”为了证实自己的这一想法,李殿中将稀土带回金属所亲自冶炼,并将低氧纯净稀土直接用于炼钢中。不出所料,炼出来的钢不仅性能稳定,而且有着耐磨、耐热、耐蚀的优点。

他说:“1吨钢只需加入100克左右的微量稀土,即可起到细化变质夹杂、深度净化钢液和强烈微合金化作用,成本只增加了10多元钱,但疲劳性能却可以提升一个数量级。”

在这场稀土钢的技术攻坚战中,李殿中“点石成金”,成功将快被“打入冷宫”的稀土应用于高端轴承钢、齿轮钢和模具钢制造中。

“以小制大”构筑核心部件

当前,在能源电力、海洋工程中的核心部件——大锻件对材料的均质性有极高要求,我国大锻件曾长期依赖进口,即便是进口的大锻件也存在缺陷,如何提升其冶金品质成为世界性难题。

李殿中发现,造成这一问题的根本原因在于大锻件制备一直采取“以大制大”手段,即先冶铸大钢锭,再制造大构件,由于金属凝固过程存在尺寸效应,规格越大的钢锭冷速越慢,导致其性能上的缺陷。

偶然中,一张万里长城的照片给了李殿中启发:“恢弘壮丽的万里长城并不是一块砖造出来的,而是一块一块砖叠加起来的,那为什么不能采用‘以小制大’的方式,把一块块的小型钢板砌起来形成大锻件呢?”

在中国科学院院士李依依的大力支持下,李殿中带领孙明月、徐斌等研究人员,发明了金属构筑成形方法,即将多块钢板采用高温冶金连接工艺,充分愈合界面,实现界面与基体完全一致的无痕连接。

钢铁企业的生产实践显示,通过这种方式构筑成形的大锻件,其性能稳定性要明显优于传统锻件。

随后,合作企业利用李殿中团队开发的金属构筑成形技术制造出世界最大百吨级无焊缝奥氏体不锈钢整体环形锻件,并将应用于我国核电机组,相关研究成果入选“壮丽70年·奋斗新时代——共和国发展成就巡礼”。

如今,李殿中的研究成果应用在全国重机和特殊钢等行业的50余家企业,为企业新增产值数百亿元,用实际行动诠释了一位科研人员的报国情怀。

李殿中

中国科学院金属研究所研究员、沈阳材料科学国家研究中心先进钢铁材料研究部主任,主要从事大型铸锻件关键材料成分优化和合金相控制研究、材料成形模拟和缺陷控制研究等。

 
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