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郑大科创之星 郑州大学铝冶金学科带头人梁学民:做科研一定要有

  
发布时间:2022-08-17 12:52:54 来源:bob天博 作者:bob天博官网
  

  科技改变世界,创新成就梦想。随着国家创新驱动发展战略持续深入实施,社会各界对创新创业不但表现出了巨大热情,而且立足于自身具体的条件和基础展开了丰富多彩的实践和行动,涌现出越来越多的优秀科创人物和科创型企业。

  郑州大学国家大学科技园作为国家创新体系的一部分,作为郑州大学、郑州市乃至河南省深入践行国家创新驱动发展战略的重要平台和载体之一,自成立以来,不但吸引了越来越多的创新创业团队入驻,而且致力于通过科创平台的建设和科创资源的配置,为包括郑大师生在内的更多的科研工作者、技术人员以及科创型企业提供更加便捷的创新创业服务和支撑。

  “大庆之年献厚礼,开局之年谋新篇”。今年是中国建党100周年,也是我国全面建设社会主义现代化国家新征程的开启之年,还是中国“十四五”规划的开局之年。身处这个时点关键、意义重大的特殊年份和时代节点,为了能够以更加饱满的热情拥抱中国科创新时代,并以实际行动献礼中国百年华诞,郑大科技园立足园区当下自身发展现实和未来跨越式发展愿景,在郑州大学有关部门和领导的指导与支持下,特发起主办“郑大科创之星”项目,站在时代和家国的立场,以未来和美好的名义,发现那些前沿而又隐秘的创新创业项目,致敬那些勇敢而又优雅的创新创业人物。

  项目组将通过专题调研、系列文章、科创沙龙、科创报告、颁奖盛典等形式,对包括郑大科技园入驻企业和团队在内的优秀科创企业和个人进行宣传推介,以充分体现郑大科技园和郑州大学对国家战略的责任担当、对创新创业者的尊重,并通过对与大学科技园高质量发展有关的命题进行深度的探讨,进一步落实和彰显郑大科技园在践行国家创新驱动发展战略和服务郑州大学新科创体系构建过程中所能扮演的独特角色和所能贡献的独特价值。

  电解铝技术研发带来的第一桶金,被梁学民用来买下了一栋楼,后来成为他所创办的郑州轻冶科技股份有限公司的所在地。郑州“720暴雨”前,他刚刚将自己的资料从家中搬到公司,因此这些珍贵资料幸免于难,被完好的保存下来。他笑称幸好自己没有犯懒。

  事实上,梁学民和他的团队一直没有停下整理收集资料的工作。从事电解铝近40年,每一个经手的项目、每一个研发任务都有详细资料保存在他的技术档案馆,包括项目申请书、研发报告、设计底图等。这些资料装满了整间屋子,再加上专业书籍、文献、各种证书,还有研发的设备图片和样机陈列室,几乎可以说这家企业内部藏着一间展示中国改革开放40年以来电解铝技术发展历程的小博物馆。同时,由于其中大多数技术的突破都直接或间接与他相关,因此也是其个人奋斗的一部无声纪录片。

  自1983年进入贵阳铝镁设计研究院,到如今在郑州大学担任铝冶金学科带头人,梁学民教授始终致力于中国铝电解技术研究工作。

  他是我国首届全国青年科技标兵、难冶有色金属高效利用国家工程实验室副主任、中国有色金属工业协会专家委员会委员、轻金属冶金学术委员会副主任委员、科技部铝电解高效节能技术创新战略联盟专家委员会主任、国家863项目评审专家、国家科技奖励评审专家。曾获国家科技进步奖一等奖1项、二等奖2项;国家技术发明二等奖1项;中国专利金奖1项。

  经过近40年的探索与攻关,“电解铝工业已经成为我国在全世界制造业乃至工业领域中少有的优势产业之一”,梁学民是见证者之一,也是不可或缺者之一。

  电解铝实际上就是通过电解槽来制备原铝。原铝是一种银白色轻金属,在工业应用上有两点特性:一是用途广泛。原铝质量较轻,同体积下其质量约是铜的三分之一,而且铝合金坚韧、耐腐蚀、耐低温,可广泛应用于航空、航天工业,如飞机、运载火箭、航天飞机等,以及民用工业领域,如电力、建筑、交通、包装等;二是使用过程中损耗较小,容易回收。铝元素化学性质活泼,但在空气中发生氧化反应后会形成致密的氧化膜,从而阻止进一步氧化和损耗。

  自“霍尔—埃鲁特铝电解工艺”出现后,国际上原始制造铝的方式长期以“熔盐电解法”(“利用电能加热将某些金属的盐类熔融作为电解质进行电解,使金属还原并转换为化学能,以提取和提纯金属的冶金过程”)为主。到目前为止,这种电解法是“全世界工业生产原铝的唯一方法”,原铝的质量也有统一的标准,因此实际上影响铝的生产效率、判断铝电解技术水平高低的关键是铝电解槽。

  1958年,中共中央、国务院将铝列为国民经济的重要金属材料。但由于电解槽技术的落后,国内的铝产量远远无法满足供应,不得不长期大量进口。

  改革开放以后,贵州铝厂被批准从“日轻”(日本轻金属株式公社)引进铝电解技术。我国从该技术的消化吸收开始,研究、开发中国自己的铝电解技术,并形成了独立的设计和技术体系。后来的故事表明,那是一个奇迹的开端,也是一个时代的开始。而梁学民正是在这个开端处进入了电解铝行业。

  1983年,梁学民自北京钢铁学院(现北京科技大学)毕业后,被分配到贵阳铝镁设计研究院工作。当时,贵州不仅条件相对艰苦,而且离梁学民的老家——山西省新绛县足有1300多公里的距离。谈及为什么能够坚持留在那里20多年,他说,“当时我们国家很多领域跟国外差距很大,贵州虽然很偏远,但是我们的研究项目基本上是跟国际接轨,每天都在跟国外一流技术较劲,也常常接待来自当时世界各国的一流专家。”

  年轻的梁学民敏锐的察觉到这是一个接触世界、学习掌握先进技术的机会。不久,热能工程专业毕业的他,被抽调加入铝电解槽设计理论研究课题组,专门负责铝电解槽电、热解析和数学模型的研究。

  贵州是中国矿土资源最丰富的地区之一,其中铝土矿保有储量3.95亿吨,占全国总量的17%,居西部之首,也有着众多当时国内一流的铝业工程师与科学家。这个边远的山区由于外部技术的引进很快引发了国内铝电解技术发展的狂潮,但并不是模仿,而是自主创新的开始。在姚世焕、武威等老一辈科学家的带领下,以梁学民为代表的年轻科技工作者从理论基础—“三场仿真技术”(电解槽物理特性和物理场仿真)到大型铝电解槽设计,再到工业电解槽开发。一步步稳扎稳打。梁学民逐渐承担起了大多数 “三场仿真技术”工作,电热场、电磁场、磁流体动力学仿真的不断突破,为后续铝电解槽的大型化奠定了根基。

  “先攻理论,再钻技术。你搞不懂为什么,就不知道怎么做。‘三场技术’的突破打破了外国技术的神话。”梁学民说。

  石以砥焉,化钝为利。建立了可靠的理论基础,科研团队放弃了日本的技术,大胆地对引进的电解槽进行手术式改造,又经历了180kA级过渡电解槽型的开发试验。1995年,梁学民作为设计负责人设计的4台280kA特大型铝电解槽首次成功投入工业运行,并于1996年顺利通过国家科技成果鉴定,它标志着我国大型铝电解槽技术进入世界领先行列。“没有人像我这样,能够在年轻的时候就有机会进入到这一对中国铝电解发展深刻影响的领域,并参与近40年来每一次重要的攻关工作,我很庆幸自己能坚持到现在。”梁学民感叹道。

  “280kA铝电解槽工业试验”的成功是一个里程碑,是我国铝电解生产规模化的基础。是在遭遇到国外技术封锁的情况下,由中国人自主创新的结果。随后的20年,我国铝电解工业在以梁学民为代表的铝业专家们所取得的成果基础上蓬勃发展。2002以后,梁学民决定进入一线工作,进入河南中孚实业股份有限公司担任总工程师。他认为,有了好的技术原型,只是为工业化发展提供了技术基础,在大规模工业推广的过程中一定还会遇到工程与生产领域的技术难题。破解电解铝大型化生产的“卡脖子”难题——“铝电解系列的连续运行难题”,是他在280kA电解槽开发过程中就萌发的一个念头,长达十年的时间内,他一直在冥思苦想,几乎访遍这一领域国内外顶级专家未得其解。来到生产一线,他决定自己去探索,终于在2006年成功破解了这一长期困扰电解铝生产的世界性难题。“我运气好,之所以能够成功,得益于很多人的帮助。”梁学民说。

  殷瑞钰先生认为:“连续性运行是流程工业生产中最重要的工作,它严重影响系统的效率”。“铝电解系列连续稳定工艺技术与成套装备”的研发成功,大大加快了我国铝电解技术大型化发展的步伐。此后,梁学民成功主持建设了世界上第一条400kA电解槽生产线,并在美国《Light Metal Age》刊物上发表了“引领世界的中国铝电解技术”的论文。

  学习国外技术很重要,但是更重要的是创新,梁学民认为,“我当时就整天琢磨着怎么把我的设计做到更完美,做梦都会梦到我设计的电解槽的样子。有了好的方案,就去试验,得不断优化,不断创新!”

  根据公开信息,“截止9月15日,铝华东市场报价为22250元,当日涨幅高达19.86%”,“中国铝业2021年上半年实现归母净利润30.75亿元,同比增长达到惊人的8511.0%”。

  这是国际铝价近年来持续升高、铝产业营利空间不断增大的一个缩影。受新冠疫情与国际关系变动的冲击,国际铝运输与国际铝贸易陷入一定困境,造成铝供应不稳定,而新能源行业的发展、经济的恢复又对铝这种大宗商品的需求达到新的高峰。此外,还有一个重要原因就是减排限产的国际趋势。

  据梁学民介绍,“铝是毋庸置疑的高耗能产业。目前每生产一吨电解铝大约耗电能13000~14000kWh,加上主要原材料及生产过程耗能,每生产一吨电解铝要消耗6~8吨标准煤”。在各地“双减”政策的推行下,河南、广西、云南等地的电解铝行业都出现了减产和外迁现象,这进一步推高了铝价。

  在梁学民看来,“双减”政策之下对于铝业的控制有一定的合理性和必然性,但是电解铝的重要性同样需要客观看待,“铝既是电力、交通、包装业的不可或缺的基础材料,更支撑了航空航天、现代建筑业的发展,几乎90%的产业与铝有关,铝产业是国民经济的重要组成部分。中国的电解铝技术居于世界领先水平,要想办法持续创新,让优势更优,使电解铝产业不断进步”。

  梁学民的思考与探索从未停止。现有的铝电解技术是使用直流电在阴阳两极发生化学反应,析出原铝。铝电解技术发展到今天仍然面临两个问题:其一,电解温度与电解质熔点之间的差值(过热度)由于受到多种因素的干扰,难以实现有效的控制,会造成槽内部温度的波动,这导致了电化学反应无法保持在最优化的温度条件下;其二,传统的降低耗能的方式一直是通过从输入端降低电压和提高效率的途径,而散失到大气中的50%的能量白白浪费。对此,梁学民首次利用流程工程学原理,引入“能量流”的概念,提出了“能量流调节优化电解槽热特性并实现电解槽热捕集”的热优化控制模型。

  为了尽快推动这一设想的实现,2013年,梁学民开始组建自己的团队与公司,并在多年努力之下,具备了集成开发和工业示范的条件。从2017年正式启动,在研制成功独特的“微通道热管集热器”的基础上,开发了“铝电解槽能量流优化与智能调节技术”,同时实现了铝电解输入端和输出端“双端节能”的效果。2021年3月11日,经过四年的持续研发,该系统已在河南中孚实业400kA电解槽上成功投入工业运行。

  截至到目前,轻冶科技公司利用该技术收集的热能已经成功输送到河南省巩义市供暖系统和火力发电系统,而这在全世界还是首次。采访梁学民的时候,一见面他就说:“很抱歉,这段时间没有顾上,没有看你们的邮件。最近试验关键时期,虽然我们4台槽都运行了,但指标还没达到。”原来,他一直在他的试验里,直到两周后才有空回复信息并接受我们的采访。

  “今天采访更好,昨天试验指标已经超过了设计值”。从梁学民脸上轻松的表情可以看出,试验取得的良好数据表现让他对这项技术充满了信心。

  由于1台电解槽的投资就接近400~500万,一条线就是几十亿的投资额。所以,对于大多数企业而言,铝电解投资利润虽然在升高,但进入这一行业的门槛也在变得越来越高。电解铝耗能占全国总用电量的7.9%左右,电解槽技术成熟以后,电力成为最大的成本。国内铝厂通常不到一年就能建成投产,对地方经济可形成极大推动力,搬迁对大的铝厂而言并不困难。因此对于大多数铝厂而言,哪个地区的电价便宜,就把铝厂搬去哪里是常规操作。

  “在许多国家,通常只有一到两个主要的产铝公司。但是在我国,大型铝电解企业并不在少数。因为最开始,我们的大型电解槽技术都是国家投入开发的,提供给企业时没有收取技术费,这也是国情。因此,现在大多数铝业公司实际上并不具备自主开发的能力,这也给我们提供了更多的机会。”梁学民说。

  成熟的技术与可选择的用电成本导致了部分铝电解企业对自主研发重视不够,这也是梁学民决意自己组建公司的原因之一。他说,“做企业一定要对科技创新有足够的重视,不能吃老本。几代电解铝行业科技人员的辛勤耕耘和不懈探索,才是我国电解铝行业领先世界的真正内在原因。”在他的技术支持下,轻冶科技公司建立了全套的研发、设计和专有装备制造一条龙的产业化团队,也为他的学术研究提供了有力的支撑。

  2020年,梁学民与郑州大学达成合作,以特聘教授的身份加入郑州大学担任铝冶金学科带头人,并于2021年计划招收博士生。在郑州大学,梁学民组建了自己的科研班底,一批铝冶金领域的专家和年轻的博士凝聚在他的周围,他悉心培养着自己的学生,不断对铝电解产业进行全流程的技术研究和探索。

  “做基础研究与做应用技术开发不一样。基础研究很重要,单是解决一个理论问题、探讨一个现象就很有挑战性,发一篇有理论价值的论文也不简单。但是研发新技术、新产品,应用到工程和生产中去,需要解决所有的问题,这可能也是很多科技成果推广难的一个原因。做产业化技术开发,需要理论支撑,需要研究实验,更需要真正把技术应用到工业实践中去,这也是科研的最大动力。”梁学民说。

  成为一名高校教师,对他而言,是继工程师、科学家、创业者之后的又一新的体验。有趣的是,他说这也是他曾经的梦想。

  梁学民的父母都是老师。他语带敬重地向我们描述,他的父亲是一个全才。对父亲的敬仰使他在高中时期就梦想成为一名教师,在他看来,在郑州大学任教、培养更多行业新生科研力量,是新的挑战,也是将铝业前辈的教导传承下去的一种方式。

  梁学民带领我们参观资料库时,展示了他曾写过的诸多项目和科研申请书。其中,有些被通过了,有些接连多年被打回。令他感慨万千的是,“这上面写的设想,我现在都已经实现了。做科研,一定要有创新,有想法,有梦想。”

  站在今日来看,在铝电解这一行业,梁学民已经站在了一个中坚位置。那些曾经指导过、教授过梁学民的前辈大多已高龄退休或已离世,年轻点的学生还正在成长。近年来,他在不断想办法优化铝电解的节能减排,希望能在解决更多难题的同时将铝业无数前辈的故事、经验传承下去。

  会当凌绝顶,一览众山小。对于以梁学民为代表的中国各个科研领域的先行者而言,开始进入科研和商业的“无人区”,他们面前已经不再具备可以效仿的路,而必须去突破、去实现前人没能实现的设想,甚至连设想都未曾有人做出过。对梁学民而言,这不仅是一条无尽的科研之路,也是一条需要信念和梦想支撑的人生之路。

  进入轻冶科技公司,墙上书写着梁学民为这家公司立下的企业精神,“得十良剑,不若得一欧冶”(出自《吕氏春秋·赞能》)。梁学民将铝冶炼视为毕生的事业,他以古代工匠大师、铸剑鼻祖欧冶子为人生榜样。在其看来,“做工业不能只喊口号,要遵循老祖宗的精神,始终专注在自己的领域,这就是我们要呈现的工匠精神。”


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