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    作者:沈春蕾 劉言 來源:中國科學報 發布時間:2021/7/27 10:58:56
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    烈火丹心鑄就鋼鐵長城
    ——記中科院金屬研究所研究員李殿中

     

    李殿中團隊研發的世界最大百噸級無焊縫奧氏體不銹鋼整體環形鍛件(金屬所供圖)

    日前,世界上單機容量最大的白鶴灘水電站投產發電,這是全球首臺實現100萬千瓦滿負荷發電的機組。

    其中,水輪機轉輪是100萬千瓦發電機組最核心的部件。中科院金屬研究所(以下簡稱金屬所)研究員李殿中帶領團隊成功解決了水輪機轉輪大鑄件依賴進口的難題,為大國重器打造了核心關鍵部件。

    “掌握了核心技術,就掌握了創新的主動權。”從對國外技術的跟蹤到不斷地超越,李殿中深知:“關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的。”

    大型鋼錠實現“中國制造”

    大國重器所需的許多關鍵部件多數由鋼錠加工而成,因此鋼錠的質量好壞直接決定了相關大國重器的成功與否。由于我國的大型鋼錠生產還存在很多缺陷,導致許多大鍛件依賴進口。

    1998年,李殿中加入金屬所工作,并組建科研團隊攻關這一難題。李殿中發現,企業生產的大型鋼錠不合格的主要問題是內部成分不均勻,即偏析導致了性能的不穩定。

    當時國際主流觀點認為通道型偏析是鋼自然對流驅動的,但李殿中從剖開的橫斷面看到了許多條氧化物引起的偏析流線。他分析認為通過控制鋼水中的氧含量,能顯著減少夾雜物的數量和尺寸,實現鋼的均質性,以達到提升鋼性能的作用。

    2014年,李殿中根據實驗結果撰寫的論文發表在《自然—通訊》上。隨后,“控氧可有效控制偏析”機理也成為行業共識。

    同時,李殿中還將目光瞄準三峽工程。三峽工程水輪機轉輪由上冠、下環和葉片三大鑄件組焊而成,總重量450多噸,直徑達10米。此前國內水電站的轉輪大部分依賴進口,存在經濟和安全風險。

    李殿中帶領團隊采用多種實驗手段,提出“一次正火兩次回火”的熱處理工藝,最終實現了三峽水輪機轉輪鑄件的強韌性最佳匹配。

    在此基礎上,李殿中團隊牽頭起草了《三峽700MW級水輪機轉輪馬氏體不銹鋼鑄件技術規范》,被三峽總公司作為700MW及以上水輪機轉輪鑄件的全球采購規范,成為國內重型企業生產水電產品的技術規范。

    “只有實現原始創新,才能真正實現核心技術的突破。”這是李殿中多年來奔走于實驗室和生產一線的心得體會。

    “點石成金”冶煉稀土鋼

    稀土被稱為“工業維生素”,然而在鋼中加入稀土后,其性能時好時壞,很不穩定。進入21世紀,中國鋼鐵企業在實際生產中幾乎放棄了稀土應用??蒲腥藛T對稀土鋼的研究也逐漸從熱變冷。

    2007年,李殿中在一次考察中發現國外利用中國稀土制作鋼錠,鋼的品質非常好。“我國有充足的稀土資源,并且國外使用中國的稀土效果這么好,而我們自己卻放棄了對稀土的應用呢?”

    為了一探究竟,李殿中親自跑到稀土生產現場,觀察稀土廠家的冶煉過程后發現,稀土廠家做出來的稀土和他所需要的稀土,在概念上存在偏差。稀土廠家為了讓稀土更為純凈,將其中的一些鐵、碳等元素都分離了出去。

    經過前期的實驗分析,李殿中認為:“稀土中的鐵、碳對于煉鋼來說正是不可缺少的成分,反倒是影響純度的氧等雜質元素應予去除。”為了證實自己的這一想法,李殿中將稀土帶回金屬所親自冶煉,并將低氧純凈稀土直接用于煉鋼中。不出所料,煉出來的鋼不僅性能穩定,而且有著耐磨、耐熱、耐蝕的優點。

    他說:“1噸鋼只需加入100克左右的微量稀土,即可起到細化變質夾雜、深度凈化鋼液和強烈微合金化作用,成本只增加了10多元錢,但疲勞性能卻可以提升一個數量級。”

    在這場稀土鋼的技術攻堅戰中,李殿中“點石成金”,成功將快被“打入冷宮”的稀土應用于高端軸承鋼、齒輪鋼和模具鋼制造中。

    “以小制大”構筑核心部件

    當前,在能源電力、海洋工程中的核心部件——大鍛件對材料的均質性有極高要求,我國大鍛件曾長期依賴進口,即便是進口的大鍛件也存在缺陷,如何提升其冶金品質成為世界性難題。

    李殿中發現,造成這一問題的根本原因在于大鍛件制備一直采取“以大制大”手段,即先冶鑄大鋼錠,再制造大構件,由于金屬凝固過程存在尺寸效應,規格越大的鋼錠冷速越慢,導致其性能上的缺陷。

    偶然中,一張萬里長城的照片給了李殿中啟發:“恢弘壯麗的萬里長城并不是一塊磚造出來的,而是一塊一塊磚疊加起來的,那為什么不能采用‘以小制大’的方式,把一塊塊的小型鋼板砌起來形成大鍛件呢?”

    在中國科學院院士李依依的大力支持下,李殿中帶領孫明月、徐斌等研究人員,發明了金屬構筑成形方法,即將多塊鋼板采用高溫冶金連接工藝,充分愈合界面,實現界面與基體完全一致的無痕連接。

    鋼鐵企業的生產實踐顯示,通過這種方式構筑成形的大鍛件,其性能穩定性要明顯優于傳統鍛件。

    隨后,合作企業利用李殿中團隊開發的金屬構筑成形技術制造出世界最大百噸級無焊縫奧氏體不銹鋼整體環形鍛件,并將應用于我國核電機組,相關研究成果入選“壯麗70年·奮斗新時代——共和國發展成就巡禮”。

    如今,李殿中的研究成果應用在全國重機和特殊鋼等行業的50余家企業,為企業新增產值數百億元,用實際行動詮釋了一位科研人員的報國情懷。

    李殿中

    中國科學院金屬研究所研究員、沈陽材料科學國家研究中心先進鋼鐵材料研究部主任,主要從事大型鑄鍛件關鍵材料成分優化和合金相控制研究、材料成形模擬和缺陷控制研究等。

     
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