烈火丹心铸就钢铁长城——记全国优秀共产党员李殿中
中国日报网2021-07-22 13:20
7月1日，全国优秀共产党员、中科院金属研究所研究员李殿中参加了庆祝中国共产党成立100周年大会。
就在三天前的6月28日，世界上单机容量最大的白鹤滩水电站投产发电，而100万千瓦发电机组最核心的部件——水轮机转轮，就是采用了李殿中团队的“高温合金相控制技术”和他们牵头制定的《三峡700MW级水轮机转轮马氏体不锈钢铸件技术规范》制造的大铸件，成功解决了水轮机转轮铸件依赖进口的难题。白鹤滩水电站转轮也是李殿中带领科研团队为三峡工程核心部件开发关键技术后，又一次利用自主知识产权技术为大国重器打造核心关键部件。
将论文写在祖国大地上
工业生产中，大国重器所需的许多大锻件，如核电压力容器、大型船用曲轴等都是先做出大钢锭，再由钢锭加工成形，钢锭的质量直接决定大国重器的成功。以往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，李殿中入选中国科学院院级人才计划，引进到金属研究所工作，组成了十多人的科研团队一起攻关这一难题。
工作中李殿中经常深入生产一线，他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。在没有其他技术手段可以一探钢锭内部的情况下，为了弄清楚偏析是如何发生的，李殿中决定把钢锭剖开，看看钢锭里边到底发生了什么。这一大胆的想法遭到了很多人的质疑，因为解剖钢锭不仅成本高，而且周期很长。但李殿中坚信要解决问题必须做好基础研究的源头工作，知其然还要知其所以然。没有项目资助，他就四处筹集资金，他的想法得到了企业的大力支持。最终，直径2.4米，高3.5米，单重100多吨的大钢锭被一剖为二。从剖开的横断面上看，成分分布不均匀，内部存在很多孔洞和裂纹，这是导致钢锭易报废的主要原因。当时国际主流观点认为通道型偏析是钢的自然对流驱动的，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，分析认为，这些通道型偏析的形成是氧在钢中起到了关键作用，以氧化物为核心的轻质夹杂物与凝固界面的交互作用，诱发了钢锭的成分不均匀性，因此，通过控制钢水中的氧含量，就能显著减少夹杂物的数量和尺寸，实现钢的均质性，以达到提升钢的性能的作用。2014年，李殿中根据实验结果撰写的论文发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上，该篇论文引发了学界较大反响，“控氧可有效控制偏析”机理成为行业共识。
李殿中一直坚持“从生产实践中凝练基础科学问题，服务于生产实践”的科研理念，深入生产一线，从企业的工程师，到现场的工人，他都紧密合作，坚持将工艺严格落实到生产一线。在实验室与生产一线之间的往返穿梭，使李殿中对我国相关领域受制于人的情况有更直接、更深刻的体会与认识。
我国船舶行业的大型船用曲轴曾长期依赖进口，存在“船等机，机等轴”的被动局面。李殿中在进行系统基础研究工作基础上，与上重、大重等企业合作，成功研制出百吨级大型船用曲轴锻件，合作企业实现了全规格曲轴制造的国产化，结束了我国“有船无轴”的历史。
2004年，他将目光瞄准了三峡工程，三峡水轮机转轮由上冠、下环和叶片三大铸件组焊而成，总重量450多吨，直径达10m，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，成功定量控制了高温合金相，并建立了包含浇注、打箱、切割冒口和热处理等工序的叶片变形全流程计算模型，预测了不同规格的叶片变形，最终实现了三峡水轮机转轮铸件的强韧性最佳匹配。该技术在企业应用后，相关产品综合性能达到了国际领先水平。在此基础上，李殿中团队还牵头起草了《三峡700MW级水轮机转轮马氏体不锈钢（ZG04Cr13Ni4Mo）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。在此基础上，三峡集团联合金属所等多家单位制订了团体标准。
科研成果从论文到祖国大地，李殿中认为只有实现原始创新，才能真正实现核心技术的突破。
点石成金炼就杀手锏之术
稀土被称为“工业维生素”，新中国成立不久，我国科研人员就开始稀土钢的研发工作,但在钢中加入稀土后其性能时好时坏，生产过程中也容易堵塞浇口,多年未能突破技术瓶颈。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。
改变来自于李殿中偶然的一次发现。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。“为什么外国用中国的稀土能使用得这么好，而我们国家有充足的稀土资源，却放弃了对稀土的应用呢？”
带着不解与不服输，李殿中带领团队进行了反复实验，但加入了稀土的钢性能总是不稳定。问题到底出在哪？经过反复思索，李殿中觉得问题的关键在稀土。为了一探究竟，他亲自跑到稀土生产现场，观察稀土厂家的冶炼过程。原来，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。而李殿中经过前期的实验分析认为，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研究所亲自冶炼，之后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，且有着耐磨、耐热、耐蚀的优点。
“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”，将稀土应用于高端轴承钢、齿轮钢和模具钢制造中。稀土特殊钢将成为中国的杀手锏技术，为高端基础零部件国产化提供强有力支撑，同时将中国的稀土资源优势转化为经济优势和战略优势。
以小制大构筑钢铁长城
稀土钢技术突破了，李殿中又发现了新挑战。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。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。
在钢厂中，工人师傅经常要放一挂鞭炮来祝愿大型钢锭能够浇铸成功，大钢锭浇注需要准备多包钢水，生产组织难度大，而且也不安全，李殿中下定决心要解决这个问题。
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？实验中，在李依依院士的大力支持下，李殿中带领孙明月、徐斌等工作人员，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。为了将实验成果应用于企业，李殿中带着他的团队成员不辞辛苦，有时要坐10多个小时的车才能到达钢厂，顾不上休息，白天跟企业管理人员、工程师和工人讨论技术和流程，晚上进行生产实验，实验结束天都亮了。经过钢铁企业的生产实践，证实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。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，有力保障了我国核工业领域重大装备的建设，研究成果入选“壮丽70年”共和国发展成就巡礼。金属构筑成形技术获得了2021年中国专利金奖，专利主要完成人孙明月研究员获得了陈嘉庚青年科学家奖。
掌握了核心技术，就掌握了创新的主动权，发展的主动权。从对国外技术的顶礼膜拜到不断地超越，李殿中深知，关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。多年来，他用锲而不舍的钻研精神带领团队突破了大型船用曲轴、三峡水轮机转轮、核电压力容器等大型铸锻件的核心制备技术，使我国摆脱了受制于人的被动局面，为我国核电、水电、船舶等领域大型铸锻件国产化作出了突出贡献。研究成果在全国重机和特殊钢等行业的50余家企业成功应用，为企业新增产值数百亿元，用实实在在的成果诠释了一位科研人员的报国情怀。
凭着对初心的坚守、对事业的执着、对创新的追求，李殿中用一名普通科技工作者的实际行动，为伟大祖国早日建设成为世界科技强国贡献着自己的一份力量。
（中国日报辽宁记者站）
来源：中国日报网
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