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科技创造神奇-可视化铸锻技术的例证

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选准突破口

       长期以来,我国热加工铸锻件和复杂结构件的生产一直存在成本高、能耗高、附加值低、原材料消耗严重等问题。很多重大装备的大型铸锻件依赖进口,受制于人,有些特大型铸锻件花钱也买不到,严重制约了我国能源、冶金机械、船舶动力等重要产业的发展。大型铸锻件和高附加值铸锻件依赖进口的根本原因是国内制造工艺缺乏核心技术。

      1997年,从事材料研究的李依依瞄准了材料制备工艺计算机模拟这一新兴学科方向,决定把这一信息技术嫁接到金属材料加工生产过程中。在她的倡导下,金属所通过“百人计划”引进了李殿中,组建了材料加工模拟研究组。后李殿中成为材料加工模拟研究部主任,李依依、柯伟和英国John Campbell三位院士当顾问,组成了一个能够攻坚的研究团队(下称团队)。

        2002年,团队与中国第一重型机械集团公司签署协议,合作开发生产大型铸钢支承辊。之所以选择轧钢中使用的支承辊作为突破口是因为我国是世界第一产钢大国,钢产量接近4亿吨。而生产每吨钢消耗轧辊2公斤,每年约消耗轧辊80万吨,需要各类轧辊1万支左右。凡高附加值的轧辊都需大量进口。

       四铸成功

       2002年秋,团队来到位于黑龙江省的中国一重。双方要为中国铸造第一支50吨重的大型铸钢支承辊。

       支承辊的形状有点像中国传统的擀面杖,只不过中间部分的直径比两头更大一些。团队反复模拟生产过程,计算参数,最后制定生产方案。12月,他们开始了第一次铸造。团队人员亲临浇注现场,与技术人员细心交流,确保每一个工艺的正确实施。屋外的温度已低至零下20多度,车间内的温度也很低,但是大家谁也没有打退堂鼓,等到浇注完毕已经是凌晨2点。

      成型浇铸工作结束后,脱模现场出了问题:铸件不能从模型中脱出来。后来发现是模型的一个部位被钢水冲出了一个小洞,铸件上多长了一个“瘤子”,它的卡壳使铸件不能脱离模型。第一个铸钢支承辊成形较好,但脱模过程并不完美。

        “一个不行,我们就铸第二个,第二个不行,我们就铸第三个,铸到第四个时,终于完美地成功了。” 李依依笑了。为了这个铸件,团队前后在一重并肩工作了3年。

        和锻造支承辊相比,铸造大型支承辊,不仅可以保证质量,而且还大大地节省了材料及能耗。现在中国一重已运用这项新工艺,铸造100吨级的轧辊了。

        在一重进行技术改造过程中,李依依和李殿中提出了“可视化铸锻技术”的概念,即通过实验室的模拟仿真和等比例中试件的X射线实时观察,直接透视铸锻件缺陷产生过程,从而提供最佳工艺方案,指导企业生产优质铸锻件。

        下车间,让团队一举多得:既解决了我国工业界多年解决不了的技术难题,又丰富了铸锻的理论体系,而且还获得相关授权专利50余项,出版专著一部,发表高水平论文100多篇。

      新技术遍地开花

      团队喜欢面对难题。继首次成功开发出我国50吨级大型铸钢支承辊后,2005年,他们又开始向制造技术更难的大型船用曲轴挑战。

        曲轴是大型船舶的“心脏”。我国目前每年需要大型船用曲轴200多根。但由于自己不能生产船用曲轴而完全受制于国外。2005年时,国外曲轴都是按吨卖,每吨1万美元左右。一根60机的曲轴重70吨,买一根就得花70多万美元。后来供不应求时,花再多的钱也买不到。由于曲轴受制于人,我国船舶行业呈现“船等机、机等轴”的被动局面。

      曲轴中最难制造的当属曲拐锻件,成形复杂。凭经验很难锻造加工出合格品,成品率很低。团队在有关单位的支持下,通过计算机模拟仿真,采用反变形设计法,提供了曲轴锻件模具设计图纸和成套锻造工艺,经与上海重型机器厂合作,于2005年成功生产出我国第一根60机大型船用曲轴。

        技术突破带来了生产的巨大进步。到2008年底,上海重型机器厂曲轴公司已经生产了上百支大型船用曲轴。鞍山重型机械公司与大连重工也已能生产60机到90机的曲轴。中国人打破了国外对我国曲轴产品的垄断。

        几年来,团队成员的足迹踏遍了中国一重、中国二重、上海重型、大连重工、鞍钢重机、沈阳重型、中铁山桥、沈阳鼓风集团、沈阳机床集团公司、沈阳黎明发动机公司等企业,利用“可视化铸锻技术”,先后为大型铸钢支承辊、大型船用曲轴、三峡水轮机转轮部分铸件、空心钢锭、压缩机缸体、喷泵叶轮、燃机机匣、燃机叶片、高速铁路道岔、转向架等关键件的开发起了重要的技术支撑作用,推动了我国铸锻业的跨越式发展。

        为企业服务难在哪

      “当一个人或团队掌握着最新的制造技术和工艺时,似乎走入车间厂房就能对企业进行一番技术改造,但实际并非如此。”李殿中研究员说:“最大的困难并不在于有没有最新的技术,而在于下基层能不能吃苦和顶住压力,能不能让一线技术人员理解并掌握新技术和关键工艺。”

        对于李依依院士来说,到企业推广高技术有一定的风险和压力。她原本是研究冶金与材料的,现在要在传统的工艺研究中熔入计算机技术,并与铸造、锻造、焊接、材料力学等学科交叉,作为院士首先要承担项目失败的风险。李依依坦承:“如果我不搞这个可视化铸锻技术,只搞材料研究应该是很舒服的。”除了超前进行技术和工艺的研究之外,李依依最重要的工作就是为团队顶住各种各样的风凉话,增强团队信心,让团队的工作能够坚持下去。

        可视化铸锻技术之所以能在国内许多厂家生根,还在于团队里有一批能吃苦的干将。李殿中不但要所内搞研究,还要在生产第一线解决关键技术;工程技术人员夏立军在研制支承辊时,长年累月住在一重厂内,与车间技术人员和工人打成一片;组内的研究人员,在试制曲轴时,索性就搬着电脑在现场调整参数……

        科技是能够创造神奇的。但这朵神奇之花必是深深地扎根于科研人员持之以恒的追求、不屈不挠的奋斗和“我不下地狱谁下地狱”的勇气之中的。“可视化铸锻技术”的推广就是一个最好的例证。 

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