金属研究所李依依院士和李殿中研究员带领的材料制备工艺计算机模拟课题组，主要从事传统金属材料的模拟仿真与工艺优化设计工作，致力于用信息化提升传统产业，在国家“973”计划、“863”计划和国家发改委振兴东北老工业基地高技术产业化项目支持下，注重研究成果的实用化，与中国一重集团公司、鞍山钢铁集团公司、上海电气（集团）总公司等紧密合作，开发了企业急需的关键技术。课题组先后完成了国内首例百吨级船用曲轴曲拐锻造和50吨级轧辊铸造的工艺设计，实现国产化；开发的轧钢软件使我国成为国际上少数几个拥有源代码的国家，应用后为钢铁企业创造了可观的经济效益。课题组注重开展面向应用的基础研究，在材料领域有影响力的国内外期刊上发表80多篇论文，申请专利10余项，是钢的相变模拟领域具有国际影响的研究小组。

一、创新目标瞄准国家需求

材料制备工艺的计算机模拟课题组是在中国科学院“百人计划”项目支持下，于1998年成立的。研究方向是面向传统金属材料的铸造、锻造、热处理、焊接等热加工过程，采用计算机模拟和实验手段，预报材料成形过程中的缩孔疏松、热裂纹和夹杂等缺陷，通过合金设计和优化制备工艺，控制材料的组织性能，力争实现产品的近终形制造，提升质量。

中国目前装备制造业的迅速发展，带动了热加工等传统产业的快速发展。热加工的基础是铸造，我国铸件产量从2001年起超过美国成为世界第一，产量达到1800万吨，占全球产量的1/5。我国2004年钢产量达到2.4亿吨，成为世界第一产钢大国。但是在热加工行业，我们还不是世界强国。热加工行业由于使用落后的工艺技术，特别是铸造浇注系统设计一直沿用几十年前的技术，传统的经验型设计导致产品的合格率低，成材率低，原材料消耗多，能耗严重，资源环境压力大。特别是大型铸锻件集中表现为加工余量大和“三孔一裂”（即气孔、渣孔、缩孔和裂纹）缺陷多。一些特殊关键构件，如轧钢行业大量使用的大型铸钢支承辊，船舶行业的大型船用曲轴等是制约行业发展的“瓶颈”，国内还不能生产，全部依赖进口。而对于轧钢行业量大面广的带钢产品，如普通碳素结构钢和微合金钢，虽然目前经济效益好，但如果采用新技术优化合金设计，降低生产成本，将扩大其发展空间。热加工领域的工艺技术落后的一个主要原因是热加工过程“看不见”，技术人员经常凭经验和“试错法”设计工艺，造成产品报废，因此热加工过程“可见”的技术开发势在必行。为此，课题组开发了可视化技术，核心是将计算机模拟和X射线实时监测结合起来，在“看得见”的条件下制订新的工艺设计原则。

可视化铸造技术是指首先采用数值技术模拟铸件充型和凝固过程，然后用三维X射线实时监测系统观察浇注过程，最后通过模拟、观测与实践的对比确定工艺设计原则。通过控制铸件平稳充型和金属液流速，我们大大减少了传统浇注过程中金属液中卷气、夹杂等缺陷，提高了铸件合格率和工艺出品率。可视化技术是计算机模拟技术的延伸，是理论、模拟与实测相结合的一项关键技术。在铸造基础上发展起来的可视化技术也适用于钢的热轧、锻造和热处理过程，这个新技术在大型铸锻件的工艺设计过程中发挥了关键作用。

二、与企业密切合作，可视化技术结出硕果

我国装备制造业一些关键部件长期依赖进口，制约了我国经济发展。如轧钢所用的铸钢轧辊大量依赖进口，每个轧辊大约需要100万元人民币，每年进口费用几亿元。中国一重集团公司用十多年时间进行开发，凭借经验设计和“试错法”均未成功。课题组在李依依、柯伟和英国John Campbell三位院士的支持下，勇敢地承担了铸钢轧辊制造技术的开发项目。这种轧辊有多高，不能凭借经验试制，也不允许反复试制，每次试制的失败都意味着上百万元的经济损失，并且浪费大量时间。经过分析课题组认为采用可视化技术进行电脑试生产是解决问题的根本途径，通过模拟发现造成铸件报废的主要原因是浇注系统设计不合理，金属液流动不平稳，造成许多夹杂缺陷。此外由于模具设计不合理，铸件没有实现顺序凝固，造成厚大部位产生了热裂纹缺陷。课题组采用国际上先进的浇注系统设计技术，用两年时间，成功开发了50吨铸钢支承辊的浇注技术，试制获得成功。大轧辊的研发成功不但解决了轧钢行业高附加值关键件国内“有无”问题，实现了国产化，同时也极大地鼓舞了工程技术人员的信心。

我国是造船大国，但是百吨级的大型船用曲轴却全部依赖进口。目前，国际上大型船用曲轴制造技术主要被日本、韩国所垄断。由于供货紧张或其它原因，进口困难，我国经常出现“有船无轴”的被动局面，这极大地制约了我国船舶行业的发展。国家对此非常重视，在上海建立了曲轴生产基地，力争早日实现曲轴制造的国产化。其中曲拐的弯锻是难点，工艺控制不好容易导致裂纹和加工量不足等问题。课题组与上海电气集团总公司上海重型机器厂有限公司合作开展了型号为6S60MC-C “大型船用曲轴曲拐的弯锻过程模拟与实验”研究课题。课题组通过测试材料在高温不同应变速率下的力学参数，模拟计算了曲拐的弯锻过程，分析了曲拐的受力行为和缺陷产生的原因，在此基础上，提出了坯料设计、工装辅具、工艺参数优化与改进意见。目前上重用新工艺制造的5个曲拐全部满足性能要求，无一报废。专家们认为曲拐的工艺优化设计属国内首创，达到了国际先进水平。上重与金属所将进一步合作，今年将实现曲轴曲拐锻造的产业化。最近双方又合作完成了150吨大型挤压铝型材用主柱塞在线热处理过程模拟和工艺设计，成功地预报了该件的淬硬层深度，这是迄今为止世界上最大的主柱塞。

课题组不但采用可视化技术解决了一些大型关键铸锻件“有无问题”，还在东北地区选择一些企业进行技术示范，提高铸锻件批量生产的合格率和成材率，实现节能降耗的目标。课题组出色地解决了沈阳铁路局铁路道叉心轨、中国一汽集团汽车用差速器壳体等铸造难题，为东北老工业基地振兴做出了贡献。目前课题组正与沈阳鼓风机集团合作，着手解决叶轮铸件的变形问题，由于铸件变形导致加工余量大，加工时间长，这一问题已经成为制约辽宁装备制造业发展的瓶颈，这一技术难关的突破，将对行业具有普遍意义。

在超级钢项目的研究工作中，课题组敏锐地认识到要提高我国钢铁工业的质量控制水平，就要对轧制过程的工艺和物理冶金过程有充分的了解，因此开发模拟软件对钢的性能进行预报是十分必要的。在国家973和863“热轧带钢组织性能预报”项目的资助下，课题组用5年时间开发了具有自主知识产权的热轧模拟软件，使我国成为世界上第5个拥有该类软件源代码的国家。目前该软件已在鞍钢23个钢种上应用，覆盖钢产量13.5万吨。由于使用软件后节省了合金加入量，提升了钢材质量，鞍钢新增利润上千万元。该软件共采用了70多个物理冶金模型，可以指导带钢热轧过程成分与工艺优化，稳定带钢质量，提高轧制过程的自动化水平。该研究成果被专家评价为国内首创，国际先进水平，2004年获辽宁省科技进步二等奖。课题组参与完成的“低碳铁素体/珠光体钢的超细晶强韧化与控制技术”2004年获国家科技进步一等奖、中国冶金行业科技进步特等奖。此外，课题组开发的深过冷奥氏体变形技术在CSP轧钢生产线应用，解决了广州珠江钢厂汽车板冷弯微裂纹问题。珠钢采用这项新技术已生产优质汽车板2万吨，产值7000多万元，新增利税400多万元。

三、一点体会

可视化技术对于传统的“睁眼造型，闭眼浇注”的工艺是一个质的突破，该技术对于推动行业技术进步，用信息化提升传统产业，实现东北老工业基地的振兴具有现实意义，符合可持续的科学发展观。可视化技术推广到铸造企业后，工程技术人员大开眼界，对铸造工艺设计有了新的认识，很多企业期望引进该项技术。在与企业的合作过程中课题组成员深深地感觉到，企业渴望技术和人才，而科学家依靠企业这个平台才能发现问题，解决问题，研究成果才能真正转化为生产力。院地合作是教学相长、互惠互利的过程。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（李殿中）