依靠科技 铸铁暖气片上高楼
──我国首创稀土灰口铸铁高压暖气片诞生前后
清华大学机械工程系教授 盛 达
1985年5月9日我国首创的稀土灰口铸铁高压暖气片经受了由国内38位采暖、铸造、设计、生产方面的专家组成，国家科委协同攻关局、全国稀土推广领导小组委托河北省科委主持的鉴定委员会严格的审查，并通过了鉴定,认为项目实现的技术指标“完全达到和超过了国家攻关项目(24-3-8)中子课题规定的指标，该散热器可以满足高层建筑的需要”，“研究高碳当量稀土灰口铸铁并首先将其用于暖气片的生产，为提高暖气片的材质开拓了一条新的途径”。并建议“批量生产，由有关部门纳入计划”。这标志着由我国科技人员首创，产、学、研共同努力开发的稀土灰口铸铁高压暖气片正式诞生了，它们立足社会需要，在提高铸铁材质水平，推广应用我国丰富的稀土等方面为国家做出了贡献。
经济发展 提出难题
1980年以来随着我国经济建设快速发展，我国新建楼房中高层建筑大量增多，特别是东北、西北、京津地区十二层到二十几层的高楼已屡见不鲜，它们对采暖器材提出了新的要求。普通铸铁暖气片，由于制作方便，耐腐蚀性能好，价格低廉一直是供暖的传统产品。但这种产品保证安全运行水压为0.4MPa(4kg/cm2)。如高层建筑中使用需要有二次加压设备，导致高层建筑承载增大，大大增加建楼费用。为此采暖设计部门要求生产厂提供在产品不增重条件下，保证工作压力为0.6MPa(6kg/cm2)的铸铁暖气片。这一难题已成为社会、设计部门、生产厂、学校和研究单位共同关注的问题，。生产厂更是心急如焚的寻找解决这一技术难题的技术，冀县暖气片厂也曾做过多次试验，派技术人员到各处收集技术情报，但未能解决，1982年开始到清华大学寻求技术支持。
基础研究 指明方向
早在1980年前稀土铸铁课题组就与首钢铸造厂合作，研究用稀土添加物改进钢锭模的寿命，当时偏重于引进工艺试验。过程中发现稀土加入后钢锭模的使用寿命有时明显改善与提高，有时无效果，甚至还引起某些不良结果。当时有的同志说“稀土稀土稀里糊涂”。是否真是如此呢，稀土对铸铁组织性能的影响有无规律可循，稀土能否在铸铁中大面积的推广应用等问题必须要有明确的答案，这些问题的解决将对提高铸铁材质水平，推广应用我国拥有的占世界贮藏量80％的稀土资源起巨大的作用。研究决定从此如手，在学校实验室进行系统试验，确定稀土对铸铁组织与性能的影响及稀土在铸铁中的作用机理。盛达老师带领二个大学生罗晓明、庄玉宝放弃了暑假，开始了紧张的试验。经上百次的开炉试验，稀土分别加到亚共晶、共晶、过共晶的铸铁中，对所取得试样的机械性能逐一进行测定，并用金相显微镜、扫描电子显微镜观察它们的显微组织，结果证明稀土对铸铁组织、性能影响有明显的规律性，并且再现性良好。稀土在铸铁中的作用并不是“稀里糊涂”，而是有规律可循，关键是对稀土特性是否掌握，对它们的使用是否得当。
稀土对铸铁组织与性能的影响可用“双峰值效应”概括，即随着稀土加入量的提高，铸铁抗拉强度sb也逐渐增加，当稀土加入量到一定值后sb出现第一个波谷点(低点)，此时sb仅相当于原铁水的sb，有时甚至低于原铁水的sb，但过了波谷点后，再继续增加稀土加入量，sb呈迅速上升的势态，并达到第二个峰值点，此点sb可比原铁水的相应值提高一倍以上。在性能变化的同时组织也在变化，在第一个峰值点处铸铁中的石墨是均匀的A型石墨，在第二个峰值点则是蠕虫状石墨加球状石墨，其原因是稀土与铁水中的氧、硫等有害元素有很强的亲和力，因而首先可纯化铁水。在此同时稀土与硫氧化合物一部分尺寸在一定范围内时，可作为石墨析出的异质核心，晶核增加使石墨细化，共晶团尺寸减小，第三是因为稀土是使石墨球化和蠕化的元素，在达到一定量后可使铸铁中的石墨由片状转变为蠕虫状和球状石墨。出现峰点值时稀土加入量随着原铁水成份和使用的稀土合金的不同而变化。国际铸造学会稀土在铸造合金中应用委员会对这一研究成果给予了很高的评价，他们在1990年国际铸造会上发表的专题报告《稀土在铸造合金中的应用报告No.2 Part 1》在完整地引用了“双峰值效应”这一研究成果后指出“可以相信含稀土的孕育剂将广泛应用于灰口铸铁生产厂，制造高强度和优质铸铁”。当冀县暖气片厂与课题组联系时，经详细分析稀土铸铁组织性能的变化，表明用稀土灰口铸铁生产高压铸铁暖气片在理论上是可行的，基础研究成果，为解决生产高压铸铁暖气片这一难题指明了方向。
从严从难 循序渐进
在1983年通过冶金部，申报了国家科技攻关项目《微量稀土灰口铸铁和微量稀土处理高炉铁水的研究与应用》，其中研究制造承受水压为0.6MPa(6kg/cm2)的稀土灰口铸铁暖气片是重要攻关内容之一。项目被批准为“六五”国家科技攻关项目，编号为24-3-8。学校工厂投入二十人的联合攻关组，学校派了教授、讲师、工程师、研究生进驻工厂，与工厂尹良、刘吉香等同志一起把学校研究成果转化为新产品的研究工作。
试验根据从严从难，循序渐进的原则，首先完善必要的试验条件。冀县暖气片厂1973年建厂，到1983年虽然发展成具有一定规模的铸铁暖气片厂，但在当时缺技术力量及必要的研究手段，生活条件也较艰苦。在工作中首先解决工作条件，研究组设计并建议购买了稀土合金，WE-10A万能材料试验机，SW-LL-2A数字自动测温仪，金相显微镜、抛光机等仪器设备，工厂以极快的速度，仅用了十余天的时间购齐了上述设备，以保证在试验过程中不断检测铸铁材质组织与性能的变化，判断试验方案成功与否，并使方案不断优化。入厂的师生在生活上一切从简，连招待所也不住，睡在厂区中间的临时客房，那里周围的厂房里每天半夜3点多钟就发出了鼓风机的轰鸣声，当时年已超过60的黄惠松教授在这样条件下仍坚持参加试验，研究生曾效舒脚不慎烫伤，发扬轻伤不下火线的精神，继续工作。
在进入生产试验时，选用了条件较好的冲天炉，从炉后配料，铁水温度，稀土合金加入量、颗粒度大小、加入方法及稀土对铸铁组织和性能的影响进行了系统实验，以考核学校实验室的研究结论，为此做了2000多个抗拉，抗弯性能测定，2200多个化学元素分析，结果再现了实验室的研究结论，抗拉强度稳定地提高20～50N/mm2，铸铁共晶团细化，白口倾向减小，表明在冲天炉生产条件下制取的稀土灰口铸铁组织性能稳定，为大量试制产品打下了良好的基础。
试制产品包括工厂现有的全部产品：4柱640、4柱760、4柱813、M132等。试制时产品结构不作变动，只是把普通灰口铸铁变为稀土灰口铸铁。
产品试验采用对比的方法，在同样条件下分别生产普通灰口铸铁及稀土灰口铸铁暖气片，测定它们的机械性能，铸造性能，耐水压能力及产品成品率。先在三个生产组进行，效果良好，引起了工人的注意，因而又增加七个生产组试验，使成品率提高2.41~4.73％，为此工厂决定在全厂试验。
试制稀土灰口铸铁暖气片最终目的是检测稀土灰口铸铁暖气片承受水压的能力是否提高，提高幅度有多大，为此严格进行了水压破坏性试验，分别对比测定了普通铸铁暖气片和稀土灰口铸铁暖气片打爆时的水压值，总计试验了137片，结果每一种型号暖气片的耐水压能力均高于普通灰口铸铁暖气片的耐水压能力。稀土灰口铸铁的打爆压力都在3.4MPa(34kg/cm2)以上，提高幅度在0.4~0.9MPa(4~9kg/cm2)，考虑到使用安全系数，工厂新产品规格保证稀土灰口铸铁暖气片工作压力为0.8MPa(8kg/cm2)，这一指标比国家攻关课题规定的0.6MPa(6kg/cm2)高出0.2MPa(2kg/cm2)，并定名为稀土灰口铸铁高压暖气片。新试制的的产品马上交付用户试用，经过1983年冬季供暖季节运行的考验达到了预期的效果，用户反映良好。山东省济南市历下水暖装修厂称“在高压热水125℃左右，水压0.8MPa(8kg/cm2)的高楼试用一切运行正常，受到用户欢迎”。“稀土灰铁高压暖气片很适用于高层建筑，为今后暖气片使用开拓了新的领域”，并建议“大批量生产，以满足市场需要”。
社会关注 纳入标准
稀土灰口铸铁高压暖气片的试制成功是产、学、研相结合取得的丰硕成果，是学校研究成果迅速转化为生产品，开发出新产品成果的实例，也是工厂引进技术，发展生产的结果。它满足了社会的需要，并使工厂取得了巨大的经济效益。工厂负责人在课题的鉴定会上说“我们体会到和大专院校、科研单位挂钩是一条成功的路子，科研部门的支持是我们发展壮大的可靠支柱”，“创业靠技术，发家靠技术，发展还是靠技术”。清华与工厂这一新型的结合方式引起社会高度的重视和关注。1984年5月9日课题通过国家鉴定，在鉴定会上新华社记者拍摄的一张照片，1984年6月8日光明日报就在头版发表了照片说明稀土铸铁课题组教师盛达、刘金城在冀县冀气片厂与工厂领导技术人员共同研究质量问题，此照片于1986年12月No.49的《Beijing Review》(北京周报)英文、德文、法文、日文版转载法往世界各地。
国家有关部门对这一新产品迅速给予了肯定，1986年11月22日发布的中华人民共和国城乡建设环境保护部标准(JBJ.30.1-86)把稀土灰口铸铁高压暖气片纳入了标准，标准规定“孕育、稀土铸铁工作压力(热水)?Q8MPa”。标志着稀土灰口铸铁高压暖气片已被确认，在我国铸铁暖气片家族中增添了一个新的产品系列，推动了它在高层建筑中的大量应用。
为了使这一新产品能在全国更快的推广，课题组先后与北京、内蒙、山东、山西、黑龙江、湖南等地十余家暖气片厂签定了技术转让合同。国家及有关市对这一成果给予了高度评价及奖励。鉴定当年，该产品就获河北省1984年度优秀新产品一等奖，第二年研究项目获北京市科技成果二等奖，国家首届科技进步三等奖，产品获国家银质奖章，1988年获首届国家星火奖。在该产品经过6年生产的考验后，1991年河北省人民政府授予黄惠松、盛达科技兴冀荣誉奖及证书。
五年之后 再传喜报
产品投产五年后，1990年元旦河北省冀县暖气片厂向学校再次送来喜报，称冀县暖气片厂“1989年总产值达1.035亿元，闯过亿元关，利税实现1034万元，闯过一千万元，值此我们谨以诚挚的心情向你－为我厂做出贡献的领导，专家、教授和各界朋友报喜”。喜报还说冀县暖气片厂“在中国历史上第一次将采暖产品打向国际市场，销往美、日、欧，成为唯一向国外出口采暖散热器的厂家”。目前工厂又有了进一步发展，1998年11月以冀县暖气片厂为基础成立了河北省春风冀暖股份公司，下设了7个参股和3个控股公司，4个租赁承包服务公司，继续沿着科技兴企的方向前进。
厂校合作 各得其所
机械系稀土铸铁课题组，连续承担“六五”、“七五”国家攻关课题和冶金部、山东省“八五”及“九五”期间的课题，在完成课题过程中培养了博士生、硕士生、大学生数十人，其中有不少人在研究工作中表现良好，获得不同的奖励，博士生林炜获第二届青年科技奖，硕士生曾效舒是国家教委科技进步二等奖获奖成员之一，博士生林炜、硕士生郑永平、大学生杨瑞东参与的论文分别在1991年和1994年中国稀土学会上获优秀论文奖，硕士生彦丙祥参与的论文是外国人首次在2000年春季韩国铸造会议上发表的论文之一。硕士生郑永平作为联合培养的博士生被选派到香港攻读博士学位。课题组主要成员共获国家发明专利三项，实用新型专利三项，其中一发明专利，在1989年40周年国庆时被评为北京市优秀贡献项目。盛达等积20多年的研究成果完成了《稀土铸铁》专著，并于1999年获山西省科技著作三等奖，该书在国外获得好评，2000年盛达、刘金城合作共同完成了《Cast Iron Containing Rare Earth》英文专著，此书由清华大学出版社负责出版发行。
在合作过程中，厂方技术人员提高了水平，工厂开发了新产品，占领了市场，取得了巨大的经济效益，年产值过亿元，利税闯过一千万。
课题组与工厂的合作表明科学技术作为生产力，在推动技术进步，新产品开发，扶持企业生产中起了巨大作用。工厂作为生产单位为学校的研究成果转化提供了基地，加快了成果转化速度，在这过程中锻炼了教师，培养了学生，强化了校内试验基地建设，使学生在学习期间就能参与科技难题的研究及攻关任务。工厂、学校在合作过程中各得其所，产、学、研结合使学校研究成果转化为生产力具有强大的生命力，它已发挥了巨大的作用，今后必将发挥更大的作用。
