自主创新 助推钢铁行业技术进步

轧制技术及连轧自动化国家重点实验室

自主创新 助推钢铁行业技术进步

轧制技术及连轧自动化国家重点实验室

【编者按】东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（The State Key Laboratory of Rolling and Automation，简称RAL），其前身是建于1954年的东北工学院轧钢实验室，1989年得到世界银行的支持，1991年获批立项建设国家重点实验室，1995年通过国家验收正式开放运行，成为我国轧制技术及其自动化领域唯一的国家重点实验室。今年是轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（东北大学）获批立项建设二十周年。二十年来，轧制技术及连轧自动化国家重点实验室秉承“开放、流动、联合、竞争”的运行机制，以国民经济需求为导向，面向钢铁材料及有色金属材料轧制技术领域，置身前沿，躬身实践；面向国民经济主战场，一步一个脚印，扎扎实实，取得了一系列具有自主知识产权的科研创新成果，走出了一条具有鲜明特色的国家重点实验室建设发展之路。本报道记录了轧制技术及连轧自动化国家重点实验室二十年来的创新和发展之路。

国家重点实验室作为国家科技创新体系的重要组成部分，是国家组织高水平理论基础研究和应用基础研究、聚集和培养优秀科技人才、开展高水平学术交流的重要基地。其主要任务是针对学科发展前沿和国民经济、社会发展及国家安全的重要科技领域和方向，开展创新性研究。东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（以下简称RAL）作为工程类国家重点实验室，科研工作偏重应用基础研究，提供成果的主要方式体现于“在解决国家经济建设、社会发展和国家安全的重大科技问题中具有创新思想与方法，实现相关重要基础原理的创新、关键技术突破或集成，拥有核心专利等自主知识产权，提供科学基础和技术储备；或在实验技术方法、专用设备研制改进方面取得突破性进展。”RAL获批立项建设二十年来，在科技部、教育部等主管单位及省、市等各级领导的大力支持下，按照国家重点实验室建设发展要求，坚持有所为有所不为，把握行业发展脉搏，找准轧制技术领域科研创新工作切入点，经过RAL科技工作者的不懈努力，取得了长足稳步发展。实验室历经起步建设、消化吸收再创新、快速发展阶段，目前已全面迈向自主创新的新阶段。RAL科研工作紧密围绕国家钢铁行业发展战略目标，面向行业共性关键技术问题，贯彻以企业为主体、以市场为导向、产学研用相结合的方针，通过承担国家、地方和行业的重大项目，培养国家紧缺的高层次人才，广泛开展国内外学术交流，积极开展轧制及其自动化领域的集成创新、消化引进再创新和原始性技术创新。RAL高度重视科研成果产业化，取得的一项项丰硕的创新成果直接面向国民经济主战场，助推钢铁行业轧制技术的创新发展，真正无愧于“国”字号重点实验室责任担当，走出了一条具有鲜明特色的国家重点实验室建设发展之路。

一、继承老一辈科学家扎实严谨的科学精神，敢于实践、善于实践，注重学科交叉，注重装备开发，奠定RAL重点实验室优良学术传统

轧制技术及连轧自动化国家重点实验室从建立起即继承了东北工学院老一辈轧钢专业工作者的宝贵科研精神财富和优良的学术传统。老一辈科学家严谨、务实、创新、探索的科学精神，敢于实践、善于实践，理论联系实际的工作作风为实验室科研工作和人才培养奠定了坚实基础，同时良好的学科和装备基础，也为实验室的快速发展提供了良好技术支撑。实验室成立之初，依托老一辈轧钢科研工作者自主研发和引进的系列成套高水平实验研究设备，如，朱泉教授团队开发研制的板带三连轧机、白光润教授团队开发研制的型钢三连轧机，王廷溥教授团队开发的薄带铸轧机以及王占学教授团队引进的热力模拟实验机设备等，实验室科研人员相继开展了轧制技术领域的诸多研究工作，也为当前轧制技术的开发和发展奠定了一定的研究基础。在学科配备上，以当时的压力加工专业为基础，注重与机械设计与制造、自动化、计算机等学科专业交叉。“引进一个专业绝对要比单纯的引进一个优秀人才更重要”，这是RAL多年的科研工作过程中得到深刻体会。如在成立之初，顾兴源教授、王金章教授团队带领的自动化专业和王光兴教授带领的计算机专业团队加盟实验室，为轧制技术的快速发展和产业化奠定了良好的学科基础。良好的学科布局，综合发力，为求解轧制技术领域学科的前沿理论问题和解决国家重大战略需求中的关键科学问题以及行业发展中的重大应用工程技术难题提供了学科专业支撑。截至目前，RAL重点实验室已发展成为涵盖材料、加工、机械、液压、自动化、计算机等多个学科专业人才汇聚的综合科研开发基地，可以说，独特的学科交叉建设理念功不可没。

二、实验室的发展历程

建设起步阶段（1991年-1995年）：跟踪国际先进技术，攀登巨人的肩膀，消化吸收再创新，实现实验室科研工作快速发展

实验室获批立项后，实验室准确把握行业发展需要，及时跟踪当时的国际先进技术，结合钢铁轧制技术领域发展与科研工作需求，大跨步的推动重点项目科研与建设工作。受当时的实验室自身力量和行业发展所限，科研工作开展主要以对轧制技术领域引进设备、软件方面的消化吸收再创新工作为主，偏重轧制领域的软件开发工作，并逐步涉及行业部分小型装备的开发工作，为实验室的科研工作腾飞夯实了基础。

在这一过程中，围绕轧制过程有限元模拟、板形控制、板带轧制先进控制系统技术开发等方向，开展了系列研究工作。同时，围绕行业企业发展需求，开发了部分小型轧机装备，如无锡新大窄带、江西新余窄带装备及自动控制系统、3连轧机、UC轧机、鞍钢实验热轧机等实验装备，实现了实验室科研工作的快速发展起步。其中有标志性的研究成果为“板带钢轧制过程的智能优化与数模调优”，在消化引进的国外板带热轧过程控制系统的基础上，不断地进行理论探索和工程实践，取得创新性的研究开发成果，荣获国家科技进步二等奖。

快速发展阶段（1996年-2005年）：依托重大基础研究和工程项目，RAL科研工作开始进入国民经济主战场，成果创新、转化、工程化取得突破

一份耕耘一份收获，机遇总是青睐有准备的人。1998年，依托首钢3340中厚板轧机改造项目，RAL在轧制技术领域开始承担国内大型主力轧机的建设工作，承担轧机及控制冷却设备的自动控制系统开发项目；同年年底，国家973一期项目启动，RAL承担200MPa级升级400MPa级的普碳钢超级钢开发课题，以控轧控冷（TMCP）为核心的钢铁材料开发工作全面铺开，也标志着RAL的科研开发工作进入新的领域，研发内容由偏重材料成形转向钢铁材料开发的物理冶金领域，这也为RAL承担以钢铁材料工艺开发为先导，涵盖机械装备、自动化、计算机等为一体的大型综合性技术开发项目奠定了工作基础。2001年，国家自然基金重大项目启动，RAL承担薄带连铸基础研究课题，进行薄带铸轧项目的模拟分析和实验研究工作。

上述三项重大基础理论研究及工程开发项目的实施，取得了丰硕的科研成果。依托首钢3340mm中厚板轧机改造项目，RAL开发的中厚板轧机自动控制系统推广应用超过二十余条生产线，成为国内中厚板轧线主流的自动化控制系统。400MPa级超级钢开发课题取得突破性成果，在热轧板带钢、中厚板、棒线材等领域推广应用取得显著成效。薄带铸轧基础研究工作获得课题结题专家组的高度评价（考核结果为A）。RAL的科研工作能力和实绩得到了业界和同行的高度认可，标志着RAL的科研工作进入国民经济主战场。

全面发展阶段（2005年-2009年）：提供产品的系统解决方案，承担行业大型工业化成套装备建设、钢铁材料产品研究与开发以及大规模中试基地建设等综合性科研开发项目，全面进入国民经济主战场

在承担行业大型工业化成套装备建设方面，以2006年承担的临汾3000中厚板热处理生产线辊式淬火机为标志，RAL突破以往以自动化为主体的科研项目工作模式，实现以工艺为先导，涵盖材料、机械、自动化、计算机等多个学科专业的成套重大装备项目集成开发模式。2007年，承担企业超快冷成套装备（含自动化）开发课题，进一步强化“硬件”开发步伐，新一代TMCP（控轧控冷）技术工开发作进入研究阶段，2008年，NSFC重点项目硅钢薄带连铸工业化技术研究项目启动，围绕超纯铁素体不锈钢开展基础研究，深入研究和探讨薄带铸轧工艺的产品定位以及工业化应用问题。

在钢铁材料产品研究与开发领域，围绕“氧化铁皮控制技术与新钢材品种开发”、“双相不锈钢、铁素体不锈钢研究与开发”、“9Ni钢生产工艺与技术”、“海洋平台用钢”、“含钛高强汽车用钢研究”、“薄规格高强工程机械用钢、耐磨钢”、“低成本DP生产工艺”、“X100-X120高强、耐腐蚀管线钢实验室研究”等研究方向开展系列研究工作，以低成本高性能钢铁材料开发为主线，以满足国民经济重大需求为目标，迅速将科研成果成功推广应用至鞍钢、宝钢、太钢、首钢、包钢等国内大型钢铁企业。

随着国内钢铁企业产品研发的需要和对自身科研开发能力的日渐重视，由RAL率先启动的一项具有重大应用价值和意义的轧制技术实验研究装备开发工作--现代轧制过程中试研究创新平台得到行业企业广泛认同。围绕钢铁材料开发所需的热轧实验轧机、冷轧实验轧机、热力模拟实验机、冷轧连续退火模拟实验机、硅钢连续退火模拟实验机等实验研究设备，RAL潜心开发研究，工艺技术理念先进，相继承担太钢、鞍钢、宝钢、首钢、马钢、包钢、宝钢、沙钢等国内钢铁企业中试基地和实验研究装备建设项目。业界曾有人士评价该项研究成果“为企业的技术创新插上了腾飞的翅膀，装上了永不停歇的发动机”。

技术创新的新阶段（2009年-现在）：瞄准世界轧制技术前沿，厚积薄发，自主创新结硕果，科研工作助力行业发展和技术进步，逐步成为行业技术发展的领先者，开创 “绿色钢铁轧制技术”的新时代

基于RAL多年来在轧制技术领域的耕耘实践，在轧制技术领域实现自主创新已经具备较好的实施条件。凭借领先的技术创新理念，依托完备的工程实施手段和精益求精的科研开发团队，RAL开发的系列自主创新技术和成果在行业全面得到认可。2011年，RAL开发的板带轧制自动控制系统、新一代TMCP装备与工艺技术、辊式淬火机装备及工艺技术、轧制过程中试研究平台等系列自主创新技术推广应用在国内钢铁行业捷报频传，全面进入行业竞争的主渠道, 进入国民经济建设主战场。

2011年6月 28日，RAL与迁安沪久管业有限公司签订1450mm酸轧联合机组三电系统开发合同。该酸轧联合机组采用六辊UCM五机架冷连轧机，轧线采用世界最先进的交直交传动，配备有完善的厚度检测与控制、板形检测与控制等复杂工艺控制系统，是国内第一条完全依靠自己力量开发全线计算机控制应用软件的酸轧联机系统。

2011年7月28日，宝钢股份公司4200中厚板热处理生产线关键装备－4200mm辊式淬火机设备进行国际招标。在与国外著名热处理装备公司同台竞争的舞台上，RAL一举中标这一国际最高水平的热处理设备项目。该项目的竞标成功，标志着RAL实验室开发的辊式淬火机装备及工艺技术已得到国内要求最为苛刻的钢铁企业的充分认可，具备了在国际舞台上进行高水平竞争的实力。

2011年6月17日，RAL成功中标承担河北钢铁研究院建设项目，这是继RAL承担鞍钢、首钢、宝钢、马钢、太钢、包钢等国内大中型钢铁集团公司研究院或技术中心中试场基地建设项目后，又一具有标志性意义的中试实验平台开发建设项目。河北钢铁公司基于对RAL先进工艺理念、技术及工程业绩的深入了解，决定将这一具有国际先进水平的中试基地建设项目交由RAL承担，充分表明了企业对RAL实验室模拟研究平台技术及开发理念的高度认可，也进一步巩固了实验室在轧制技术实验研究设备开发方面的引领地位和主导地位，对实验室进一步拓展实验设备研究开发领域和参与国际竞争具有重要意义。

尤其需要指出的，是由RAL提出的以超快冷为核心的热轧钢铁材料新一代TMCP（控轧控冷）技术。该项技术是由RAL著名学术带头人王国栋院士为代表的轧钢科研工作者首倡，基于多年在钢铁材料轧制工艺技术领域的研究与实践，通过工艺原理上的理论创新带动装备创新，涉及量大面广的热轧钢铁材料领域。其技术目标在于通过研究热轧钢铁材料超快速冷却条件下的材料强化机制、工艺技术以及产品全生命周期评价技术，采用以超快冷为核心的可控无级调节钢材冷却技术，综合利用固溶、细晶、析出、相变等钢铁材料综合强化手段，实现在保持或提高材料塑韧性和使用性能的前提下，80%以上的热轧板带钢（含热带、中厚板、棒线材、H型钢、钢管等）产品强度指标提高100-200MPa以上，或节省钢钢材主要合金元素用量节省30%以上，实现钢铁材料性能的全面提升，大幅度提高冲击韧性。节约钢材使用量5%-10%，提高生产效率35%以上，节能贡献率10%-15%左右，实现国内热轧钢铁材料的 “资源节约型、节能减排型”等绿色制造工艺过程，推动我国钢铁行业轧制工艺的全面技术进步。

2011年7月1日，国家工业和信息化部印发《产业关键共性技术发展指南（2011年）》通知，新一代TMCP（控轧控冷）技术被国家工信部明确列为原材料工业钢铁产业关键共性技术。2011年8月27日，南京钢铁股份公司4700中厚板生产线项目进行国际招标，参与这次投标的均为具有极强竞争力的国际知名轧钢设备公司和自动化公司。RAL实验室成功中标该项目轧后控冷部分的工艺、装备和自动化系统。除RAL承担该项目冷却系统外，该轧线的机械装备、自动化系统、传动系统等均由国外知名公司中标。此次竞标成功，RAL进一步将使用以超快冷为核心的新一代TMCP技术的中厚板轧机推向最宽级，表明新一代TMCP技术得到了业界高度认可，进一步证明RAL倡导和开发的以超快冷为核心的新一代TMCP技术、装备和自动化系统已走在了国际轧钢技术领域竞争的前列,体现了自主创新技术的生命力。2011年10月25日，国家工业和信息化部印发《钢铁工业“十二五”发展规划》，也已明确将RAL倡导并实践的以超快冷为核心的新一代TMCP（控轧控冷）技术列入《规划》重点领域和任务以及钢铁产业新工艺、新装备、新技术创新和工艺技术改造的重点内容。标志着该项技术得到政府、行业及企业的全面广泛认同，也标志着RAL科研工作迈向了自主创新的崭新阶段。

三、工作定位决定研究水平、特色成就发展，二十年发展谱华章，二十年发展成就RAL轧制技术领域技术创新的“国”字头领军单位

RAL二十年的发展，对轧制技术领域科研工作的理解和认识更为深刻，在科研工作定位、工作特色上形成了自己的风格和学术研究特色，具体体现在：

RAL实验室科研工作定位

以国民经济需求为导向的应用基础研究。突出对产业竞争力整体提升具有全局性影响、带动性强的关键共性技术，以降低成本、减量化、可持续发展为中心，开展应用基础研究，进行工艺、装备、产品方面的系统创新，解决国民经济中迫切需要解决的重大问题，以可持续发展为导向的前沿性、探索性、战略性基础研究。RAL作为轧制技术领域科研开发的“国家队”，在应用基础理论研究方面已走在国际前沿。根据国内外金属材料领域的发展趋势，把握和选择具有前沿性、基础性、战略性的课题开展基础研究，为金属材料工业的持续发展提供科学支撑。

RAL科研工作特色

关键共性：针对量大面广的金属材料普遍存在的关键和共性问题，开展应用基础研究→迅速大面积推广应用，课题具有紧迫性、全局性、示范性、引领性

系统创新：由创新的思想指导，以工艺创新为龙头，以装备创新和工程创新为手段，以低成本、减量化的产品为目标，进行工艺、装备、产品的系统创新，为企业和行业发展提供系统“一揽子”的解决方案。

求真务实：一切从实际出发，强调理论紧密联系实际，树立良好学风，研究结果必须接受实践（工厂）的检验，促进成果转化。

RAL用人机制及人才评价标准

具有团队精神、敬业精神。在学科交叉基础上，将个人力量融入到团队工作中去，充分发挥每个人的优势，做大做强科研工作，推进重大科研专项工作实施；

围绕应用基础研究，重视科研成果转化和产业化，“不惟论文、不惟SCI，真正的论文要写在轧钢生产实践上”。科研工作及成果评价要以“有没有在行业技术进步上起到作用”为标准，“不以论文、SCI论英雄”，发挥工程类国家重点实验室科研成果在行业技术进步上的支撑和促进作用。

支持自由探索，鼓励科研学术创新。在符合实验室科研发展方向的前提下，RAL提供相应科研配套经费支持个人自由学术探索，鼓励学术创新，不断培育新的科研工作增长点。

RAL研究方向

金属高质量低成本轧制过程。主要研究内容包括：低成本、高效能轧制工艺、理论与技术；轧制过程数学模拟、物理模拟与过程优化；高精度数学模型建模方法与在线应用；轧制过程模拟实验研究设备研制；低成本、高质量轧制产品开发。

产品组织性能预测与控制。主要研究内容包括：加工过程对材料组织、性能的影响规律；成形过程中材料组织与结构演变的定量描述、建模与模拟；金属材料成分、组织结构与性能的关系；成形过程中材料组织性能预测与在线优化控制；控轧控冷机理研究与工艺开发。

先进制备技术及高性能材料。主要研究内容包括：高强度、长寿命、耐腐蚀的新一代钢铁材料设计与开发；复合材料、难加工材料、特殊性能材料的制备理论与方法；短流程、近终成形新理论、新工艺、新设备及其关键技术；节能、环保、减量化新成形工艺与新产品开发。

材料成形过程综合自动化。主要研究内容包括：现代控制理论与智能控制方法在材料成形中的应用，多变量、快响应、深度非线性控制系统的辨识与建模，材料成形过程监测、故障诊断与质量控制，材料成形过程管理与控制综合自动化系统。

"搞科研，不能靠说，不能靠写，必须靠干！"这是实验室科研人员中广为流传的一句口头禅。也正是经过生产实践的严格检验，RAL的科研成果长期以来得到了企业的广泛接受和认可。目前在RAL实验室，95%以上的科研成果都能实现转化，大学象牙塔内普遍存在的转化瓶颈在这里早已不成为问题。RAL经过二十年的发展建设和对轧制技术领域技术创新的执着追求，已逐步由国际先进轧制技术的追随者转变为先进轧制技术的领先者、领跑者。

四、发展目标和未来愿景：建设国际领先的轧制技术协同创新基地，开发ECO的轧制工艺、技术和产品，致力于成为新一代轧制技术的全球领跑者

我国作为一个拥有13亿人口、经济迅速崛起的发展中国家，持续稳定地生产低成本、高质量钢铁产品与掌握石油、粮食等战略资源具有同等重要的地位。我国钢铁行业发展到目前，成本压力巨大、资源消耗过多、环境友好性不好、产品竞争力不强、行业企业大而不强的现状已成为制约国内钢铁行业发展的主要瓶颈，我国钢铁工业发展面临新的挑战和新的机遇。开发节省资源和能源、环境友好、低成本、高性能的ECO钢铁产品及生产技术，已成为钢铁工业发展的必然，也是当前全球钢铁工业发展的趋势。

轧制技术直接决定钢铁材料产品形状和性能，钢材规格、品种复杂，型、板、管、棒、线等可达上千品种、上万规格，且设备千差万别，自动化水平高，轧制过程对钢材的ECO化举足轻重；同时，轧制产品直接面向市场，应对各行业的应用需求，直接影响钢材全生命周期的ECO表现。根据欧洲相关资料统计，轧制过程中的节能、减排在欧洲钢铁工业节能减排贡献率可达40%，轧制过程节能、减排潜力巨大。截止目前，轧制过程中仍有大量涉及ECO的问题尚需要解决，也是当前技术创新最具活力的领域。因此，开发ECO轧制工艺、技术和产品，将是轧制技术发展的最重要方向，同时也是RAL当前及至未来长期一段时间的科研开发方向。

展望未来，RAL将按照《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》确定的战略目标，面向国际竞争，为增强科技储备和原始创新能力，开展基础研究、应用基础研究和基础性工作。围绕行业发展，以轧制技术创新研究为核心，开展研究平台建设，建设国际领先的轧制技术创新基地，实施有组织的创新，探索高校体系下技术创新的体制和机制，大幅度提升RAL的技术创新能力和核心竞争力，将RAL培育成为我国钢铁工业轧制工艺、技术、装备、产品创新的协同创新基地，源源不断的为钢铁工业提供关键、共性问题的工艺-技术-装备（含自动化）-产品的整体解决方案，将是RAL新的历史时期的发展目标，同时也是行业、国家赋予RAL的历史重任。工艺流程创新实现带动装备、产品生产技术创新，实现减量化、节约型新流程的实用化，引领钢铁工业可持续发展的新潮流，致力于开发ECO的轧制工艺、技术和产品，开展涉及冶金、加工、材料、热工、能源、机械、液压、计算机、自动化、机器人、工程管理等多学科交叉与合作的科研开发工作，汇聚各学科力量，组成围绕冶金行业服务的宏大队伍，承担具有重大意义的大项目，完成标志性的大成果，培养国际一流的创新人才，成为新一代轧制技术的全球领跑者，将是RAL不懈的发展追求。

问题是创新的原点，不断的发现问题、解决问题是RAL不变的旋律和不竭的创新动力之源。RAL始终把创新能力看做实验室生存与发展的高超“水手”，而且打造了一艘敢破和善破坚冰的钢铁科研“航母。创新、特别是产学研用联合创新, 使实验室成长为我国轧制技术领域杰出领军力量；创新使实验室瞄准世界钢铁工业科技发展的最前沿, 树立了优质的RAL品牌；创新使实验室打破了钢铁领域的国际垄断, 支撑了中国钢铁工业崛起的筋骨！

“舞台有限，精彩无限”，怀揣着再次飞跃的豪情，轧制技术及连轧自动化重点实验室再一次站在了崭新的起跑点上。我们期待着一个崭新的全球领先的轧制技术创新基地即将会在不远的将来呈现在业界科技工作者的面前。