從汽車到手機(jī),從電腦到空調(diào),從“嫦娥工程”到“蛟龍”潛水器,鋼鐵材料在這個(gè)世界無處不在。自從古代的人們掌握冶煉鋼鐵技術(shù)以來,鋼鐵材料從未離開過人們的生活,并且重要性一直在增加,是國之基石。鋼鐵材料廣泛服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè),是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),是建設(shè)現(xiàn)代化強(qiáng)化的重要支撐,是實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的重要領(lǐng)域。先進(jìn)鋼鐵材料是指在環(huán)境性、資源性和經(jīng)濟(jì)性的約束下,采用先進(jìn)制造技術(shù)生產(chǎn)具有高潔凈度、高均勻度、超細(xì)晶粒特征的鋼材。比傳統(tǒng)金屬材料具備更加優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性、抗疲勞、耐腐蝕、耐高溫、耐磨損等特性的新型金屬材料,具有環(huán)境友好、性能優(yōu)良、資源節(jié)約、成本低廉的特征。大量先進(jìn)鋼鐵材料的應(yīng)用,有效支撐了高端裝備、重大工程等下游用鋼行業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)較快發(fā)展。
計(jì)量測試是先進(jìn)鋼鐵材料的技術(shù)基礎(chǔ)保障和產(chǎn)品質(zhì)量保障,貫穿于先進(jìn)鋼鐵材料的研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、出廠檢驗(yàn)、包裝運(yùn)輸、服役應(yīng)用和循環(huán)回收等全壽命周期。計(jì)量測試是先進(jìn)鋼鐵材料智能制造、綠色低碳高質(zhì)量發(fā)展的技術(shù)保障和基礎(chǔ)。
沒有計(jì)量,便沒有科學(xué),先進(jìn)鋼鐵材料的設(shè)計(jì)研制,離不開計(jì)量測試。先進(jìn)鋼鐵材料的化學(xué)成分配比、組織等級、工藝參數(shù)、性能指標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì),只有通過計(jì)量測試,才能不斷的改進(jìn)完善。不能進(jìn)行有效計(jì)量測試的產(chǎn)品設(shè)計(jì),注定是一個(gè)無法應(yīng)用的失敗產(chǎn)品。
先進(jìn)的計(jì)量測試技術(shù)是先進(jìn)鋼鐵材料生產(chǎn)制造加工的技術(shù)保障。先進(jìn)鋼鐵材料主要有板材、帶材、管材、線材、絲材、棒材、型材等不同的產(chǎn)品形式,一般有煉鐵、鐵水預(yù)處理、煉鋼、精煉、澆鑄、軋鋼、熱處理等核心生產(chǎn)工序,生產(chǎn)過程需要原輔料(鐵礦石、生鐵、廢鋼、石灰石、螢石、鐵合金、焦炭、耐火材料等)、燃料和動力(焦炭、煤粉、煤氣、氧氣、水、電、油等),并帶來一些副產(chǎn)品和排放物,實(shí)質(zhì)就是物質(zhì)、能量以及相應(yīng)信息的流變/流動過程。作為典型的流程生產(chǎn)制造業(yè),涉及溫度、壓力、重量、流量、流速、成分、密度、濃度、粘度、時(shí)間、速度、物位、粒度、尺寸、外形、力值、扭矩、電流、電壓等流程工藝參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行參數(shù),還有過程產(chǎn)品的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量參數(shù),這些參數(shù)中不僅有靜態(tài)量,更多是動態(tài)量參數(shù)。如果沒有這些參數(shù)的計(jì)量測試,我們只能回到原始的制鐵工藝中,而不是先進(jìn)鋼鐵材料。先進(jìn)的計(jì)量測試技術(shù)是先進(jìn)鋼鐵材料產(chǎn)品質(zhì)量保證的基礎(chǔ)。從原材料的質(zhì)量檢驗(yàn)到生產(chǎn)加工的各個(gè)重要環(huán)節(jié),只有每道工序檢驗(yàn)合格,才有最終產(chǎn)品的檢驗(yàn)合格和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。為了達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目的,要不斷地推廣采用新技術(shù)、新工藝,所采用的新技術(shù)、新工藝的效果如何,需要憑借先進(jìn)的測量手段提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)才能來確認(rèn)。
計(jì)量測試數(shù)據(jù)是先進(jìn)鋼鐵材料產(chǎn)品質(zhì)量的量化表現(xiàn)。計(jì)量檢測是獲得高性能先進(jìn)鋼鐵材料質(zhì)量信息的惟一手段,沒有先進(jìn)的計(jì)量測試技術(shù),先進(jìn)鋼鐵材料的優(yōu)越性能就無法體現(xiàn),更無法在高端裝備、重大工程中得到合理的應(yīng)用。同時(shí),先進(jìn)鋼鐵材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要靠計(jì)量測試才能制定出來,最終產(chǎn)品質(zhì)量是否達(dá)以規(guī)定標(biāo)準(zhǔn),要靠計(jì)量測試數(shù)據(jù)來體現(xiàn)。
計(jì)量測試是技術(shù)創(chuàng)新的保障、智能制造的重要技術(shù)基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)是智能制造的基石,是智能制造的柴米油鹽。先進(jìn)鋼鐵材料生產(chǎn)過程參數(shù)的監(jiān)控、原材料的檢測和產(chǎn)品缺陷的質(zhì)量檢測,大部分以數(shù)據(jù)信息反饋的方式進(jìn)入了智能化系統(tǒng),比如溫度變化、位置,尺寸(長度,寬度、厚度)、形狀等。過程檢測的基礎(chǔ)在于基本狀態(tài)量的計(jì)量測試,其不僅可以體現(xiàn)系統(tǒng)對象的能觀性,同時(shí)也在一定程度上對應(yīng)了系統(tǒng)的能控性,也就是說先進(jìn)鋼鐵材料的制造水平與智能化系統(tǒng)中檢測技術(shù)水平是密不可分的。然而檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性主要是依靠計(jì)量測試技術(shù)來保證的,沒有計(jì)量測試與工業(yè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,先進(jìn)鋼鐵材料的智能制造就是空談、空中樓閣。
計(jì)量測試是先進(jìn)鋼鐵材料產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排的眼睛和標(biāo)尺,是促進(jìn)節(jié)能減排的重要前提和必要手段。先進(jìn)鋼鐵材料生產(chǎn)流程長、工藝復(fù)雜、產(chǎn)排污環(huán)節(jié)多,動輒上百個(gè)排放口、幾千個(gè)無組織排放點(diǎn),在工業(yè)生產(chǎn)中屬于排放大戶。只有對工業(yè)廢氣污染源進(jìn)行科學(xué)的分析、取樣和計(jì)量測試評價(jià),才能為后續(xù)的廢氣污染防治和監(jiān)管提供有效依據(jù)。先進(jìn)鋼鐵材料產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排綠色化生產(chǎn)的成效,需要通過科學(xué)、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)參數(shù)來體現(xiàn),這些都需要對先進(jìn)鋼鐵材料各個(gè)生產(chǎn)工序進(jìn)行計(jì)量測試。節(jié)能減排、綠色發(fā)展是先進(jìn)鋼鐵材料產(chǎn)業(yè)計(jì)量測試的一個(gè)非常重要的領(lǐng)域。
先進(jìn)鋼鐵材料產(chǎn)業(yè)中計(jì)量測試的短板
2020年我國粗鋼產(chǎn)量達(dá)到10.65億噸,產(chǎn)量占比達(dá)到56.7%;鋼材產(chǎn)品13.25億噸。2020年我國成品鋼材表觀消費(fèi)量為9.95億噸,占全球鋼鐵表觀消費(fèi)量的56.2%。我國是一個(gè)名副其實(shí)的鋼鐵生產(chǎn)大國、消費(fèi)大國,但離鋼鐵強(qiáng)國還有一定的距離,主要表現(xiàn)在:核心技術(shù)與專用裝備水平(核心生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)口、高端檢測儀器設(shè)備進(jìn)口)相對落后;關(guān)鍵先進(jìn)鋼鐵材料保障能力不足,存在一些“無材可用”、“有材不敢用” 高性能先進(jìn)鋼鐵材料“卡脖子”問題;產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、可靠性亟待提高;低端品種產(chǎn)能過剩,新材料推廣應(yīng)用難;勞動生產(chǎn)率比較低等方面,這已成為我國邁向制造強(qiáng)國的最大技術(shù)瓶頸短板之一?!吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年(2021-2025年)規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》明確指出:推動高品質(zhì)特殊鋼、高性能合金、高溫合金等先進(jìn)金屬材料取得突破,提升制造業(yè)核心競爭力。造成這種產(chǎn)業(yè)現(xiàn)象的一個(gè)關(guān)鍵因素就是:先進(jìn)鋼鐵材料產(chǎn)業(yè)計(jì)量基礎(chǔ)薄弱、國家質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不平衡、不充分,現(xiàn)有的計(jì)量體制和計(jì)量測試技術(shù)能力滿足不了先進(jìn)鋼鐵材料發(fā)展需求,存在著“測不了、測不全、測不準(zhǔn)”的痛點(diǎn)、難點(diǎn)。
認(rèn)識不足,產(chǎn)業(yè)計(jì)量游離于工業(yè)生產(chǎn)的邊緣。先進(jìn)鋼鐵材料的生產(chǎn)制造過程是物質(zhì)、能量的流動過程,計(jì)量測試的根本目的是保障產(chǎn)品或服務(wù)的質(zhì)量,在這個(gè)過程中,量值的溯源和傳遞只是一種手段,總不確定度不再是控制的主要因素,儀器儀表的長時(shí)間穩(wěn)定、可靠才是最重要的。但是相當(dāng)一部分企業(yè),特別是單獨(dú)的壓力加工企業(yè),其計(jì)量工作僅僅是保證監(jiān)視裝置的量值傳遞,停留在計(jì)量器具的檢定/校準(zhǔn)和常規(guī)管理上,忽略了計(jì)量技術(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量的直接聯(lián)系,忽略了計(jì)量技術(shù)的現(xiàn)場服務(wù)。一個(gè)常見的現(xiàn)象是,只有在申請通過“升級”、“認(rèn)可”、“許可”、“認(rèn)證”等活動時(shí),才想起計(jì)量測試這樣的概念和名詞,其它時(shí)間里,一直不認(rèn)為計(jì)量有什么用處和價(jià)值,這也從一個(gè)側(cè)面說明,它們不懂鋼鐵工業(yè)計(jì)量測試的目的,也不懂得如何重視產(chǎn)品質(zhì)量。一些工藝參數(shù)或設(shè)備運(yùn)行參數(shù)測量儀器設(shè)備是隨著項(xiàng)目或主體搬運(yùn)的,在項(xiàng)目前期策劃階段,計(jì)量測試要求的體現(xiàn)不受重視,從而造成了設(shè)備運(yùn)行后計(jì)量測試的異常,很多企業(yè)已習(xí)以為常。設(shè)備選型時(shí)對工藝的要求不夠明確,往往造成計(jì)量儀表量程與實(shí)際測量數(shù)據(jù)相差太大,甚至常用量只占總量成的10%都不到,如某企業(yè)煉鋼氬氣常用流量一般為500m3/h~800m3/h,最大可能到5000m3/h,該流量計(jì)設(shè)計(jì)量程卻是15000m3/h,造成了工藝參數(shù)無法準(zhǔn)確計(jì)量。我們非常關(guān)注計(jì)量器具的定期校驗(yàn),但是沒有選擇合適的計(jì)量器具,再多的校驗(yàn)也就失去了意義,這些都是對產(chǎn)業(yè)計(jì)量認(rèn)識不足、計(jì)量沒有融入產(chǎn)業(yè)的具體體現(xiàn)。雖然企業(yè)通過了各種管理體系認(rèn)證、產(chǎn)品認(rèn)證,但是,這種計(jì)量測試游離于工業(yè)生產(chǎn)的邊緣,沒有效融入產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程,脫離了產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量目的而單獨(dú)建立的所謂“計(jì)量體系”將成為無源之水、無本之木,空中樓閣般不切實(shí)際,更無法行之有效。
自主創(chuàng)新水平不高,缺乏前瞻性高精尖計(jì)量測試技術(shù)。先進(jìn)鋼鐵材料生產(chǎn)過程中一些關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)量測試儀器、系統(tǒng)、裝置,都屬于專用的、組合性的、非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備與系統(tǒng),種類繁多且參數(shù)復(fù)雜,并且一直處于不斷的發(fā)展和變化中,但是,這方面的法律、法規(guī)和規(guī)范一直非常缺乏,限制了產(chǎn)業(yè)計(jì)量技術(shù)進(jìn)步和體系的完善。一些多參數(shù)、智能化、綜合性的測試裝置和在線檢測儀器量值溯源、量值傳遞缺乏可遵循的技術(shù)規(guī)范和手段,典型的“測不全、測不準(zhǔn)”問題,致使許多與產(chǎn)品質(zhì)量密切相關(guān)的量值,在工業(yè)現(xiàn)場一直無法進(jìn)行有效的計(jì)量測試,得不到相應(yīng)的計(jì)量保證,造成了產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、“不敢用”、“用不上”的尷尬局面。如高爐內(nèi)焦炭溫度及粒度、轉(zhuǎn)爐鋼水成分在線連續(xù)分析和在線連續(xù)測溫、加熱爐溫場分布、殘余應(yīng)力分布、微小夾雜物在線檢測等生產(chǎn)過程中迫切需要檢測的關(guān)鍵參數(shù),一直還沒法準(zhǔn)確測試,是“測不了”的技術(shù)難題。高性能先進(jìn)鋼鐵材料在具體應(yīng)用領(lǐng)域,也提出了特定的性能檢測要求,給產(chǎn)業(yè)計(jì)量測試帶來了新的挑戰(zhàn)。隨著北極航線的開發(fā),低溫船舶用鋼在服役過程中會發(fā)生浮冰磨損與海水腐蝕的耦合作用,需要對鋼板的磨損腐蝕性能進(jìn)行測試,這對船舶鋼檢測來說,是個(gè)新的挑戰(zhàn)。超臨界鍋爐用鋼,我國在材料研發(fā)方面走在了前列,開發(fā)出了系列高溫高壓鍋爐用馬氏體耐熱鋼、不銹耐熱鋼和高溫合金,但是缺乏先進(jìn)有效的計(jì)量測試裝備,造成了這些材料的高溫高壓蒸汽氧化腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)和服役性能數(shù)據(jù)的缺失和不完善,導(dǎo)致下游用戶鍋爐行業(yè)、電廠不敢用的局面。在先進(jìn)軌道交通裝備領(lǐng)域,高鐵成了我國的一張明信片,但是目前所有的高鐵車輪卻全部國外生產(chǎn)制造,一個(gè)重要原因就是我國高鐵車輪用鋼沒有有效的服役性能數(shù)據(jù)作為支撐,高鐵車輪服役過程中材料殘余應(yīng)力演化一直存在著準(zhǔn)確測試的難題。隨著國家計(jì)量體制的改革,一些校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)選擇投入產(chǎn)出效益高的設(shè)備和項(xiàng)目開始做大做強(qiáng),但是主要集中在已經(jīng)成熟的技術(shù)和項(xiàng)目,很少涉及高、精、尖的計(jì)量研究創(chuàng)新領(lǐng)域,對于先進(jìn)鋼鐵材料研發(fā)產(chǎn)業(yè)化所需的新設(shè)備、高端設(shè)備、新方法,系統(tǒng)研究投入不足,面向新品種、高性能的先進(jìn)鋼鐵材料計(jì)量測試能力不足,專用計(jì)量測試技術(shù)研究水平和服務(wù)保證能力不夠,制定的計(jì)量測試技術(shù)規(guī)范缺乏必要的前瞻性和超前性,也適應(yīng)不了先進(jìn)鋼鐵材料高速市場化的發(fā)展。
碳排放對產(chǎn)業(yè)計(jì)量測試的需求。2020年我國鋼鐵行業(yè)碳排放量占全球鋼鐵碳排放總量的60%以上,占全國碳排放總量的15%左右,是除能源以外碳排放量最大的工業(yè)行業(yè),迫切需要通過加速低碳轉(zhuǎn)型,確保國家“碳達(dá)峰”、“碳中和”目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)?,F(xiàn)在,我國主要是以碳物質(zhì)流分析為基礎(chǔ),采用排放因子法、物料平衡法通過活動數(shù)據(jù)(燃料消耗量、燃料發(fā)熱量、原材料使用量等)、排放因子(單位熱值含碳量或元素碳含量、氧化率等)計(jì)算碳排放量。但是,碳排放量是動態(tài)變化的,由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、冶煉方式、原料種類、工藝流程、生產(chǎn)條件的不同,不同部門機(jī)構(gòu)選擇不同的計(jì)算方法、系統(tǒng)邊界、核算范圍、參數(shù)取值和碳排放因子時(shí),碳排放強(qiáng)度就會有較大差異,這也將導(dǎo)致不同地區(qū)不同企業(yè)碳排放量可比較性差。隨著技術(shù)的發(fā)展和監(jiān)測體系的完善,實(shí)時(shí)在線監(jiān)測CO2排放數(shù)據(jù),能夠更好地彌補(bǔ)核算法中人為干擾多、誤差較大的缺點(diǎn),提高核算報(bào)告的可靠性及公平性。CO2實(shí)時(shí)在線測量系統(tǒng)通過直接測量煙氣流速、CO2濃度和濕度等參數(shù),測算CO2排放量,為單個(gè)企業(yè)的排放情況、行業(yè)整體排放水平及減排效果的客觀真實(shí)性提供了準(zhǔn)確、完整、及時(shí)的數(shù)據(jù),彌補(bǔ)目前碳計(jì)量核算存在的問題,對產(chǎn)業(yè)的“碳達(dá)峰”具有重要意義。目前,歐盟和美國已采用碳核算計(jì)量和二氧化碳實(shí)測計(jì)算并行的方法在某些行業(yè)監(jiān)測碳排放強(qiáng)度,國內(nèi)由于實(shí)時(shí)在線測量系統(tǒng)不完善、技術(shù)方法和標(biāo)準(zhǔn)體系的缺失,基本上沒有或者很少有企業(yè)能夠提供第一手準(zhǔn)確的CO2排放測量數(shù)據(jù)。
對于這些新品種、新性能、新應(yīng)用先進(jìn)鋼鐵材料“測不了、測不全、測不準(zhǔn)”的難點(diǎn)和痛點(diǎn),亟需建設(shè)先進(jìn)鋼鐵材料產(chǎn)業(yè)計(jì)量測試中心,完善國家質(zhì)量基礎(chǔ)設(shè)施,加強(qiáng)先進(jìn)鋼鐵材料領(lǐng)域具有產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)的量值傳遞技術(shù)和關(guān)鍵領(lǐng)域關(guān)鍵參數(shù)的測量測試技術(shù)研究,開發(fā)新的計(jì)量測試技術(shù)、儀器設(shè)備,制定適宜的計(jì)量測試技術(shù)規(guī)范,保證技術(shù)參數(shù)測得出、測得準(zhǔn)、測試結(jié)果可溯源、效率高,進(jìn)而保障先進(jìn)鋼鐵材料產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。
創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)計(jì)量測試技術(shù),助推先進(jìn)鋼鐵材料高質(zhì)量發(fā)展
計(jì)量是人類認(rèn)識物質(zhì)世界的工具,是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的三大支柱之一,包括檢測、測量、測試、檢定、檢驗(yàn)等具體操作,其精,無止境;其準(zhǔn),無極限。一個(gè)國家的計(jì)量測試水平?jīng)Q定了其科學(xué)技術(shù)水平和產(chǎn)品開發(fā)能力,一個(gè)產(chǎn)業(yè)的計(jì)量測試水平?jīng)Q定了其產(chǎn)品技術(shù)水平和質(zhì)量控制能力。面對先進(jìn)鋼鐵材料生產(chǎn)工藝綠色化、智能化、產(chǎn)品高質(zhì)化轉(zhuǎn)型升級高質(zhì)量發(fā)展的需要,原有的計(jì)量、測試標(biāo)準(zhǔn)、方法、儀器等已不足以支撐發(fā)展的需求,或者新的計(jì)量檢測表征要求沒有相應(yīng)的方法技術(shù)實(shí)現(xiàn)等問題非常突出,給先進(jìn)鋼鐵材料的研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、出廠檢驗(yàn)、使用服役、廢鋼循環(huán)利用等全壽命周期開展測量儀器設(shè)備的計(jì)量確認(rèn)、產(chǎn)品質(zhì)量檢測、產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程的量值檢測、檢測數(shù)據(jù)的采集分析、測量管理體系等計(jì)量測試工作帶來了新的挑戰(zhàn)。
籌建先進(jìn)鋼鐵材料產(chǎn)業(yè)計(jì)量測試中心,從先進(jìn)鋼鐵材料具體服役環(huán)境的工程應(yīng)用需求追溯,聚焦從冶煉到成品鋼材的全過程,梳理先進(jìn)鋼鐵材料產(chǎn)品質(zhì)量的全部技術(shù)參數(shù)(如基礎(chǔ)理化性能、工藝性能、服役性能等),統(tǒng)籌上下游計(jì)量測試資源,開展包括測量裝備、測量技術(shù)、測量方法、測量環(huán)境、測量評價(jià)等一系列計(jì)量測試技術(shù)研究與服務(wù)活動,特別是加強(qiáng)符合流程性鋼鐵工業(yè)特點(diǎn)的量值傳遞技術(shù)和關(guān)鍵參數(shù)測試技術(shù)研究,補(bǔ)齊計(jì)量測試短板、夯實(shí)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ),引領(lǐng)先進(jìn)鋼鐵材料計(jì)量測試方向,建成“全產(chǎn)業(yè)鏈、全壽命周期、全溯源鏈、具有前瞻性”的先進(jìn)鋼鐵材料產(chǎn)業(yè)計(jì)量測試體系,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈、全壽命周期、全溯源鏈上相關(guān)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)有條件測、有機(jī)構(gòu)測,測得出、測得準(zhǔn)、效率高、測試結(jié)果可溯源、計(jì)量器具有保障等目標(biāo),從而保障先進(jìn)鋼鐵材料產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、可靠、可信。同時(shí),為產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)計(jì)量測試高端技術(shù)人才和提供高水平、系統(tǒng)性計(jì)量測試服務(wù),助力推進(jìn)先進(jìn)鋼鐵材料綠色制造、智能制造,助力高端裝備、重大工程關(guān)鍵鋼鐵材料的自主可控和前沿技術(shù)的突破,促進(jìn)鋼鐵行業(yè)質(zhì)量效益全面提升、高質(zhì)量發(fā)展。