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誓当科技报国的“追梦人”
发表时间 2017-07-03 14:20 来源 本站原创

  ——记燕山大学校长刘宏民教授

  他在国际上首次提出“模拟轧制过程三维变形的条元法”,一直致力于板形控制基础理论与工程技术的研究,2000年以来,他带领科研团队主持完成国家、省部和企业科研项目80余项,创造性地解决了一系列科学技术难题,将其应用于国家20多套大中型钢板轧机上,取得了达到德国、日本等国际先进技术水平的技术效果和10亿多元的经济效益,为提高我国钢板轧机板形控制技术水平,实现板形控制这一关键技术的国产化,做出了重大贡献……他就是燕山大学校长刘宏民教授,多年来,在钢铁生产工艺装备智能化升级的历史征程中,刘宏民教授刻苦钻研,锐意创新,勇攀科技创新新高峰,努力成为科技报国的“追梦人”。



2006年获得全国五一劳动奖章

  直面挑战:坚持走自主创新之路

  1978至1988年,刘宏民教授在东北重型机械学院(燕山大学的前身)冶金机械专业从本科生到研究生一直学习研究了10年,从事轧钢设备及工艺方向的学习和研究工作。在选择自己的研究课题时,刘宏民面临了一次人生的重大抉择。他当时从事的是钢材产品中最主要的产品——板带钢的板形控制理论的研究工作。板形(平直度和板凸度)是板带材的重要质量指标,板带轧机是板带材生产的关键设备,板形控制是大中型板带轧机的关键技术和高难度技术。当时我国板形控制技术整体水平与国际先进水平相比相对落后,制约板形控制技术提高的瓶颈是关于板形理论和控制数学模型的研究滞后于技术的发展,缺乏先进的板形控制模型。当时,在板形基础理论研究方面主要依赖国际上占主导地位的“变分法”、“三维差分法”、“有限元法”、“边界元法”等理论方法。面对我国板形控制理论自主创新能力不强,特别是核心竞争力不强,存在着较大的对外依赖的现状,刘宏民决心走前人未走过的自主创新之路,用自主创新的科研成果推动科学和技术的发展进而推动社会进步,做出中国学者对人类科学技术应有的贡献,即使可能浪费几年的时间甚至冒更大的风险,也在所不惜。目标确定之后,刘宏民便义无反顾地踏上了充满风险、挑战和希望的自主创新之路。

  经过三年持之以恒的探索和努力,刘宏民终于在1985年攻读博士学位期间首次提出了一种新的具有自主知识产权的应用于板带轧制过程仿真的一种新的数值计算方法——“条元法”。以“条元法”为新的板形控制理论的核心和特色,刘宏民及其所领导的课题组又进一步提出了完整、系统、实用的板形控制理论模型体系,在板带轧机板形控制的理论模型研究、仿真软件开发和工程技术提升方面做出了重大的、创造性的成就和贡献。其科研课题《板带轧机板形控制的理论体系、数学模型、仿真软件及其应用》经过近20年的逐步完善和发展,成功地应用于国内宝钢、鞍钢、河钢、马钢、一重、中冶赛迪等大型钢铁生产和装备设计制造企业,创造经济效益7亿多元。



2016年被评为学生喜爱的大学校长

  多年来,刘宏民教授先后承担了多个国家与河北省的科研项目与课题,其中模拟轧制过程条元法,1996年12月获原机械工业部科技进步二等奖;工程三维轧制理论及其应用,1997年3月获原国家教委科技进步二等奖(甲类:自然科学奖);板带轧机板形控制的理论体系、数学模型、仿真软件及其应用,2003年12月获河北省科技进步一等奖,2004年12月获国家科技进步二等奖,这是刘宏民教授20年来在板形理论和控制数学模型的科学研究中坚持自主创新取得的又一重大成果;刘宏民教授科研团队与鞍山钢铁集团公司等单位合作完成的“冷轧板形控制核心技术自主研发与工业应用”项目,2011年获得国家科技进步二等奖,这个项目是刘宏民教授所带领的科研团队获得的第二项国家科技进步奖,该项目实现了冷轧带钢板形检测这一核心关键技术的自主创新,实现了板形闭环控制的国产化,突破了国外的技术垄断和封锁,跨越提升了我国冷轧带钢板形控制技术水平,可用于新建冷轧机的高水平研制,现有轧机的改进提高,提升了我国冷轧机的装备水平;此外刘宏民教授还先后出版专著两部,在国内外发表学术论文100余篇。

  刘宏民教授的上述成就和贡献,具有独立的知识产权,他丰富和发展了板形控制理论,形成了自己的特色,为板带轧机板形控制技术的研究开发提供了理论基础和数字仿真工具,为提升我国板带轧机板形控制水平,实现核心技术国产化,做出了重要贡献。

  刘宏民教授在科研领域做出的突出贡献得到了党和国家的充分肯定。1997年,刘宏民教授被列为“国家百千万人才工程”第一、二层次人选;1998年,刘宏民教授荣获“国务院政府特殊津贴”;2006年,刘宏民教授获得“全国五一劳动奖章”,入选河北省“燕赵学者”;2007年,荣获“河北省省管优秀专家”称号;2012年,被评为“全国优秀科技工作者”;2014年,获得“河北省高端人才荣誉称号”。刘宏民教授的学术水平也得到了社会的广泛认可,从1999年开始,刘宏民教授陆续担任中国力学学会《工程力学》编委、中国机械工业科学技术奖评审专家、中国机械工程学会《机械工程学报(中、英文)》编委、中国金属学会冶金设备分会副主任、中国金属学会《钢铁》编委、中国金属学会专家委员会委员、中国机械工业教育协会副理事长等职务。

  胸怀壮志:让国产装备也能赚80%的利润

  钢铁行业曾经是“中国制造”的骄傲,如今却已沦为落后产能的代名词。“中低端产品多,高端产品少。钢铁技术装备自动测控技术水平不高,制约产品质量和经济效益提高。钢铁装备和产品升级是我国急需解决的重大问题”,立志科技报国的刘宏民教授带领研发团队将攻关的重点放在了冷轧带钢技术上。

  冷轧带钢属于高端钢材,广泛用于汽车、家电、食品包装和电子板等。板形(平直度)是冷轧带钢的重要质量指标之一。长期以来,板形测控技术被瑞士ABB、德国西门子、日本三菱等国际大公司所垄断。我国从上世纪80年代以来,一直在进行板形测控技术研究,但始终没有成熟的板形仪投入工业应用。大多数冷轧机依靠工人目测和棍棒敲击感觉板形,手动调整,板形质量不高。由于不掌握板形测控技术,轧机制造工程由国外总包,我国现有400多套带钢冷轧机,其中大约50套依靠进口装备了板形测控系统。



指导科研工作

  “目前的情况是,我国设计制造80%的普通装备,挣20%的利润;国外设计制造20%的高端装备,包括板形测控系统,挣80%的利润。没有掌握核心技术是最大的困境”,刘宏民教授对这种状况忧心不已,誓言一定要改变这种局面。

  板形测控技术的关键,是在线检测板形仪和闭环控制的数学模型。刘宏民教授及其研究团队向这个核心技术发起了攻关。经过不懈努力,2016年年初的河北省科技创新暨科技型中小企业推进大会上,传来好消息,刘宏民教授主持的“带钢冷轧机整辊式板形仪和板形控制系统”项目,荣获2015年度河北省技术发明奖一等奖。



指导科研工作

  “这一项目打破了国外技术垄断,解决了冷轧带钢技术方面的重大难题,我们拥有完全自主知识产权”,刘宏民说,“项目实现了三项自主创新研发的重大技术突破,达到了国际先进水平,能有力推动我国带钢冷轧机装备智能化、冷轧带钢生产过程智能化、冷轧带钢产品升级。”

  第一是突破了国际流行的分片式板形检测辊结构,发明研制整辊无缝式板形检测辊,成功解决了压伤和划伤带钢表面的难题。国际上流行使用分片式板形检测辊,因为分片外环之间存在接缝,而且在轧制过程中带钢轴向温度不同,中间与边部相差几十度,造成外环因热膨胀不同而发生径向错动,极容易压伤和划伤带钢表面。刘宏民团队应用机械设计制造、机械测试和有限元技术,发明研制整辊无缝式板形检测辊,通过内置传感器的表面无缝整体辊和高硬度、深硬层的辊体表面,解决了压伤和划伤带钢表面的难题。

  第二是突破了国际流行的碳刷滑环式信号输出及供电模式,发明研制无线式、集成化、高精度板形信号处理与供电系统,克服摩擦、磨损、振动、电磁、温度、变形等影响,提高了检测精度。国际流行的信号传输与供电方式,采用碳刷滑环式结构。由于碳刷与滑环之间存在摩擦、磨损、振动,信号传输失真大;碳刷滑环装置经常需要维修,需要配备冷却清洗系统。在模拟信号远程传输中,容易受到电磁、振动、温度等多种干扰,使信号再次失真、误差增大。在信号处理中,虽然对带钢宽向温差影响进行了补偿,但未对检测辊变形、钢卷形状变化等影响进行补偿,导致误差增大。刘宏民团队应用机械设计制造、通信和信息处理技术,发明研制无线式、集成化、高精度板形信号处理系统,通过无线发送和接收板卡实现数字信号无线传输,通过内外磁环相对转动实现无线供电,通过模块集成实现模拟信号采集、数字信号处理和无线传输、无线供电等多功能一体化,通过建立检测辊变形、钢卷变形、带钢偏移等一系列影响补偿模型实现对测量误差全面精准补偿,克服了摩擦、磨损、振动、电磁、温度、变形等影响,提高了检测精度。

  第三是突破了国际流行的经验表格式控制模式,发明研制机理、智能模型协同控制系统,精度高,扩展性强。国际流行的板形控制模式,表现为基于经验的表格形式,适用于特定的轧机产品和轧制工艺,局限性大,不利于开发新技术、新产品。该项目的机理、智能模型协同控制模式,把具有坚实理论基础和强大分析预测能力的机理模型,与基于数据、自学习能力强、计算时间短的智能模型结合起来,提高控制精度和速度,扩展性强,有利于开发新技术、新产品。

  在自主创新的技术突破之路上,刘宏民及其研究团队精益求精,越走越远,各项技术经济指标都达到了业内先进水平:板形检测分辨力0.2 I,板形控制精度6.0 I,闭环控制周期100 ms,闭环投入轧制速度60 m/min,检测辊辊面硬度60HRC。5项主要技术指标好于瑞士ABB、德国西门子、日本三菱等公司的国际先进水平。与引进系统相比,该项目技术装备是国外同类技术价格的30%,每套节约投资1000万元。并且获得了多项荣誉及肯定:获授权发明专利10项、计算机软件著作权10项,获2015年度河北省技术发明奖一等奖、中国机械工业科学技术奖一等奖。

2011年刘民教授获得国家科技进步二等奖

  目前,这个项目技术已经被应用于鞍钢1780 mm、2130 mm、1250 mm,河北钢铁1050 mm、1560 mm,江苏九天光电科技公司750 mm和国家工程技术研究中心650 mm等7套带钢冷轧机,近3年新增销售额达50多亿元,新增利税5亿元,节省引进投资7000万元,而且板形质量明显提高,产品用于一汽奥迪、上海大众、格力电器等汽车、家电板,中粮、深圳华特等食品包装板,顶替进口,还出口到美国、欧洲、日本、韩国。为推动我国带钢冷轧机装备智能化、冷轧带钢生产过程智能化、冷轧带钢产品升级,做出了示范和贡献,经济和社会效益前景广阔。

  掌舵燕大:以服务行业和国家重大需求为己任

  2003年9月,刘宏民教授被任命为燕山大学校长,上任以后,刘宏民校长与其他校领导班子成员一起,在总结“两次建校、两次搬迁、三次创业”学校历史的基础上,认真分析了我国经济社会发展重大战略需求和河北省区域经济的特点,并结合学校自身学科优势和科研实力,制定了面向国家重大战略需求服务行业服务地方经济社会的发展方向,对学校的发展进行了科学定位,加快了推进高水大学的建设步伐。

  燕山大学是一所具有鲜明行业特色的高校,学校的前身东北重型机械学院本身就是教育与行业相结合的产物。当时,学院与中国第一重型机器厂仅一墙之隔,大部分专业课采用课堂教学与现场教学相结合的方法,承担教学任务的既有学校的专职教师,又有工厂的技术人员。学院师生也在第一重型机器厂参加了大量的生产实习和科技开发项目。学校在办学初期,就形成了面向行业服务行业的传统。在近60年的独立办学历程中,燕山大学始终保持着这一鲜明的传统,其承担的科研任务也主要与重大装备研制或重型机械行业相关,在我国重大装备制造业发展的各个历史阶段,学校都参与了一些具有代表性的重大装备的研制工作,从65000吨多向模锻液压机的前期研究,到宝钢高等级汽车板品种、生产及使用技术研究和15000吨自由锻造液压机的研制,学校都做出了历史性的贡献,我国重型机械行业历史上的诸多第一也都写下了燕山大学的名字:中国第一台二十辊森吉米尔轧机、中国第一台H型钢轧机、中国第一根波纹腹板H型钢、中国第一台六辊冷轧板机、中国第一条双层金属卷焊管机组、中国第一套冷轧带钢厚度液压自动控制系统、中国第一套冷轧带钢板形检测系统……


 

  刘宏民校长的带领下,燕山大学始终面向行业,以服务国家装备制造业、战略性新兴产业、国防科技工业和区域经济社会发展为己任,坚持以设备为主,以工艺为纲,设备与工艺研究相结合的研究特点,取得了一大批高水平的科研成果, 2000年以来,学校连续获得国家级科技奖励16项,其中国家自然科学二等奖3项、国家技术发明二等奖2项,国家科技进步一等奖2项、二等奖9项,承担“973”、“863”、国家自然科学基金和国家社会科学基金项目900余项,机械工程国家一级学科重点学科、“亚稳材料制备技术与科学”国家重点实验室、“冷轧板带装备及工艺”国家工程技术研究中心、“先进制造成形技术及装备”国家地方联合工程研究中心、“极端条件下机械结构和材料科学”国防重点学科实验室、中国重型机械研究院分院也先后落户燕山大学,这些成果也大部分与行业紧密相关并为行业的发展和科技进步做出了突出贡献。

  2011年,以燕山大学为依托单位的“冷轧板带装备及工艺国家工程技术研究中心”正式获批建设,这是学校继“国家大学科技园”、“亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室”之后的国家级创新平台建设的又一重要标志性成果,标志着燕山大学自主创新体系建设和创新能力培育工作取得了重大进展。2016年年初,以该中心为依托单位建设的“面向先进高强钢板带产业的科技服务业试点”入选国家科技服务业行业试点名单,意味着燕山大学形成了以国家工程技术研究中心为依托、以科技服务促进产业集群创新发展的新模式和新机制,形成了面向先进高强钢板带生产产业的科技服务链条,为国家钢铁行业转方式、调结构提供动力与支撑,带动产业向产业链高端延展,提高创新能力,壮大产业规模,增强国际竞争力。

  如今的燕山大学已经发展成为河北省人民政府、教育部、工业和信息化部、国家国防科技工业局四方共建的全国重点大学,河北省重点支持的国家一流大学和世界一流学科建设高校,北京高科大学联盟成员;2013年和2014年,学校连续有2项科研成果入选“中国科学十大进展”和“中国高校十大科技进展”;2016年,作为教育部选定的两所高校之一,学校的工程专业国家认证接受了《华盛顿协议》国际专家的观摩考察,优异的考察结果支撑着中国正式加入《华盛顿协议》国际工程教育组织;工程学、材料科学2个学科进入ESI排名全球前1%……在国家“双一流”建设战略背景下,燕山大学通过认真总结和凝练,进一步提出了把学校建设成为“具有机械、材料等世界一流学科,学研产协同和军民融合发展办学特色的中国一流大学”的办学目标,在刘宏民校长的带领下,目前全校广大师生统一思想,凝心聚力,锐意进取,为实现学校“双一流”大学建设目标而不懈努力奋斗。

  (燕山大学 张振华)