孫明月團隊的可視化鑄鍛技術技術產(chǎn)品。
■本報記者 沈春蕾
將生鐵放到煉鋼爐內按一定工藝熔煉，即得到鋼，這是傳統(tǒng)的煉鋼術。而今，中科院金屬研究所的科研團隊采用計算機模擬仿真，建立熱加工過程的數(shù)學模型，運用到金屬產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝方案中。
團隊負責人之一、金屬所研究員孫明月告訴《中國科學報》記者：“我們研發(fā)的可視化熱加工技術，對金屬熱加工過程中的組織、應力、缺陷的狀態(tài)和變化進行模擬計算。換言之，我們的技術可以清晰地看見鋼鐵是怎樣煉成的?！?/p>
可視化鑄鍛技術
遼寧省是我國主要的裝備制造業(yè)基地，也是我國熱加工產(chǎn)品的主要生產(chǎn)基地。熱加工是裝備制造業(yè)的基礎，熱加工產(chǎn)品的質量和成本直接影響著后道工序的產(chǎn)品質量和經(jīng)濟效益。
長期以來，我國熱加工鑄鍛件和復雜結構件的生產(chǎn)一直存在成本高、能耗高、附加值低、原材料消耗嚴重、機加工量大、環(huán)境污染嚴重等問題。很多重大裝備的大型鑄鍛件嚴重依賴進口，部分特大型鑄鍛件對我國技術封鎖甚至禁運，嚴重制約了我國能源、冶金機械、船舶動力等重要產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
孫明月指出：“我國大型鑄鍛件制備技術落后的主要原因是，成形過程看不見、摸不著，工藝設計依賴經(jīng)驗。”
為了從根本上改善熱加工行業(yè)制造技術落后這一瓶頸問題，金屬所多年來緊緊圍繞能源電力、船舶制造、冶金機械、高速鐵路等重點產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，開發(fā)了可視化鑄鍛技術。
孫明月說：“我們通過實驗室的模擬仿真和等比例中試件的X射線實時觀察，可直接透視鑄鍛件缺陷產(chǎn)生過程，從而提供最佳工藝方案，指導企業(yè)生產(chǎn)優(yōu)質鑄鍛件?！?/p>
他接著解釋道，可視化鑄鍛技術作為計算機模擬技術的延伸，是理論、模擬與實測相結合的一項關鍵技術。該技術直接可視金屬充型、凝固和固態(tài)成形過程，結合模擬計算，可設計出合理的澆注系統(tǒng)、澆注參數(shù)，建立缺陷演化模型，確定合理的鑄鍛工藝，從而實現(xiàn)鑄鍛件制備的純凈化、均質化、致密化和終形化共性技術。
目前，金屬所研發(fā)的可視化熱加工技術及部分關鍵件制造技術已獲得相關授權專利50余項，發(fā)表高水平論文200多篇，獲得2012年國家科技進步獎二等獎、2011年產(chǎn)學研合作創(chuàng)新與促進獎、2007年遼寧省科學技術發(fā)明獎一等獎等多項獎勵。
“心臟部件”國產(chǎn)化
在科技部、中科院和遼寧省的支持下，金屬所建設了可視化鑄鍛國家技術轉移示范機構，承擔國家級重大項目任務，不斷提升技術水平，具備了刀片式集群超級計算機、相關大型商用鑄鍛模擬仿真軟件以及X射線可視化鑄造能力。
在可視化鑄鍛平臺的支持下，金屬所科研人員利用可視化共性技術先后與遼寧省內鞍鋼集團、大連重工、福鞍重工、北方重工等骨干企業(yè)密切合作，開發(fā)了能源電力、冶金機械、船舶和鐵路等領域的關鍵鑄鍛件制造技術，突破關鍵制造技術瓶頸，擺脫了中國“心臟部件”長期受制于人的被動局面。
2006～2009年，在中科院東北振興科技行動計劃重大項目——“熱加工過程可視化及其成套技術”的支持下，金屬所與鞍鋼重機、大連重工合作，利用可視化熱加工技術，實現(xiàn)了50噸級以上大型鑄鋼支承輥成套制備技術的國產(chǎn)化。
孫明月告訴記者：“我們團隊就此完善了可視化技術傳輸平臺，開發(fā)了可視化平穩(wěn)充型澆注系統(tǒng)、大型鑄鍛件模擬仿真、關鍵材料研制與性能評價和大型鑄鍛件低成本高效率制造等多項共性技術，顯著提升了合作企業(yè)自主創(chuàng)新能力和工藝設計水平。”
2007～2009年，金屬所與大連重工合作，在國家支撐技術項目“大型船用曲軸熱裝及關鍵冷加工技術”的支持下，采用可視化熱加工技術，攻克并掌握了10余項大型船用曲軸關鍵加工技術，形成了一套完整合理具有自主知識產(chǎn)權的大型船用曲軸制造工藝方法和操作規(guī)范并實施應用。
孫明月表示：“我們合作完成了MAN系列50－90型大型船用曲軸的國產(chǎn)化研制，并實現(xiàn)了批量化生產(chǎn)，破解了又一重大裝備國產(chǎn)化難題，標志著我國大型船用曲軸自主化生產(chǎn)取得了重大突破，為緩解‘船等機、機等軸’瓶頸作出了重要貢獻?！?/p>
產(chǎn)學研合作模式
遼寧省的熱加工產(chǎn)品制造企業(yè)眾多，企業(yè)規(guī)模差異巨大，金屬所在可視化熱加工技術應用與推廣過程中，主要積累了以下成功經(jīng)驗：科研人員與企業(yè)技術人員密切交流、相互學習與共同促進。
孫明月說：“為了攻克關鍵技術，科研人員與技術人員一同扎到生產(chǎn)一線，理論與實踐緊密結合、工藝研發(fā)直接指導生產(chǎn)操作，從而快速有效地解決實際問題。”
針對重大工程需求的關鍵零部件制備技術攻關，項目采用產(chǎn)學研的合作模式，企業(yè)先行自籌資金與金屬所簽訂技術合作合同或者協(xié)議，開展前期應用基礎研究工作。
同時，金屬所與鞍鋼重機、大連重工、福鞍重工等大型企業(yè)聯(lián)合申報國家、中科院和省市等專項資金支持，共同開展關鍵技術攻關及其產(chǎn)業(yè)化。
為更好地推廣熱加工共性技術，在遼寧省和中科院沈陽分院的支持下，金屬所依托已經(jīng)建設的可視化熱加工技術平臺，根據(jù)不同企業(yè)特點，采用實地調研、技術交流和人員培訓等方式，開展優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提升產(chǎn)品質量等方面工作，實時解決企業(yè)日常生產(chǎn)中遇到的技術問題。
2007～2008年，在遼寧省科技計劃項目——“大型鑄件可視化鑄造技術推廣與應用”的支持下，金屬所與遼寧省內10余家企業(yè)合作?！翱梢暬T鍛共性技術的推廣，大幅提高了產(chǎn)品合格率、材料利用率和生產(chǎn)效率；關鍵產(chǎn)品專有技術的共同開發(fā)轉讓，提升了合作企業(yè)的產(chǎn)品技術含量和市場競爭力，從而推動了遼寧省裝備制造業(yè)快速發(fā)展?！睂O明月說。
與此同時，金屬所科研團隊立足骨干企業(yè)的關鍵技術開發(fā)，通過培訓和舉辦會議等方式，輻射和引導遼寧省內中小企業(yè)應用可視化技術，提高了鑄鍛件產(chǎn)品合格率、材料利用率和實際生產(chǎn)效率。
據(jù)孫明月介紹，他們的研究成果引領和支撐中國一重、中國二重、上海重型等多家企業(yè)突破了鑄鍛件制造的技術瓶頸，提高了規(guī)?；T鍛件的合格率和材料利用率，最終實現(xiàn)了節(jié)能降耗，合作企業(yè)新增產(chǎn)值約10億元，節(jié)約成本約1億元。
