突破美俄垄断!中国是如何在500多天内搞定航母飞行甲板钢的?

目前,完成下水的福建舰已进入紧张的舾装阶段,种种迹象表明,该舰最终服役和形成战斗力的时间很可能会早于预期。由此,中国航母距离真正进……

目前,完成下水的福建舰已进入紧张的舾装阶段,种种迹象表明,该舰最终服役和形成战斗力的时间很可能会早于预期。由此,中国航母距离真正进入“三胎时代”自然更近了一大步。与此同时,不少理性看待中国的他国评论者由此清晰地了解到中国航母发展的背后,是中国尖端产业的飞速发展。

▲从辽宁舰和山东舰再到福建舰,中国钢铁产业功不可没

福建舰下水后,多数网友都把注意力放在其直通甲板和特有的电磁弹射装置,然而从航母工程来看,最重要的部分却是飞行甲板钢。

近一个世纪以来,钢产量出色的国家并不少,但生产飞行甲板钢却长期被少数国家垄断。而中国航母能有今天,必然彰显了中国特种钢产业的水平,这背后则是中国特种钢产业逆势而上的不懈努力。

航母飞行甲板钢有何需求

为何那么难造?

在不少人看来,如果某个国家的钢产量巨大,就必然能满足军事领域各类特种钢的制造需求,但这完全不符合事实。二战中,美国每年钢产量基本维持在亿吨大关级别,但其中只有不足二十分之一符合舰船结构钢标准,能用于标准更高的装甲钢的,就更要少很多。从这一点来看,高性能舰船的建造数量,与特种钢产业紧密挂钩。

▲中国钢产量已稳居世界第一

一艘航母好比一栋摩天大楼,而飞行甲板钢就好比大楼的地基,其重要性甚至超过弹射器、舰载机和电子设备等。一艘完整的航母三分之一的工程内容几乎都被钢板制造和焊接占据,因此所需钢材不但数量很大,对质量要求也很高。

简而言之,飞行甲板钢有如下要求:高强度、大板面、抗磁、高韧性、抗低温、耐高温、抗腐蚀和不变形。

航母的飞行甲板是和舰载机直接接触的区域。高速喷气战斗机的重量往往超过20吨,降落时的冲击力极高,出击时更会瞬间完成从滑跑到起飞的全过程,尾焰温度可达数千摄氏度。

此外,舰载机起飞距离一般约为100-200米。因此航母飞行甲板钢不但要耐受极高温、还要在极大冲击力下不变形,而且还要将钢板面积扩大,由此降低焊接次数,最终通过降低焊接缝来提升整体强度。

▲航母甲板钢制造,难倒了世界多数国家

军舰结构空间有限,因此飞行甲板钢板厚度不能太高(一般为40-50毫米),才能尽量避免超重,并尽量降低整体重心由此维持航行平稳。

由于经常出海,因此钢板还必须考虑如何在高盐度的海水和湿气中保持高抗腐蚀性。目前多个军事强国都开始广泛应用磁性水雷和磁性探测装置,所以航母钢板只能严格控制碳的用量才能降低危险系数。

实战中,航母作为最引人注目的武器,肯定会被对方集火,因此飞行甲板钢还要保持相当的抗打击能力。

▲除了强度外,航母甲板钢的厚度也要严格控制

纵观航母飞行甲板钢的生产工艺需求,可以看出多个指标之间的需求往往彼此矛盾,如果没有出色的工艺和高质量的材料,就很容易出现顾此失彼的问题。所以,这种常人看来似乎并没有难度的任务,已完全让世界上多数国家望而却步。在战后相当长的时间内,只有英法美俄掌握了其技术,其中航母建造和使用经验最丰富的美国更是无人可比。

战争中弯道超车

日本特种钢如何让老牌强国刮目相看?

自工业革命以来,在工业基础和技术方面长期引领潮流发展的西欧和美国一直具有压倒性优势,而日本虽然在明治维新后不断学习西方而迅速提升了国力和军力,看似成了后起之秀。但受制于技术积累以及本国资源匮乏的基础,所以和欧美依旧存在十分明显的底蕴差距。

▲为强化大和级的防护力,日本曾彻底改变了装甲钢生产工艺并引入德国设备

二战前,日本希望通过巨型战列舰抵消美国舰队数量规模优势,因此希望极端强化单舰火力和防御。当年各国大型战舰用装甲钢一般为表面硬化渗碳钢,但它们往往会在厚度提升后出现韧性严重下降的问题,以至于可能在被炮弹击中后发生明显龟裂,这也说明军舰防御力提升不可能单靠装甲厚度叠加来实现。此外,传统装甲钢的工期也相对较长。

早年间,日本引入了西方装甲生产设备和工艺,但日本自产装甲却一度存在差距。为此,日本在最终建造大和级时开发了新的加工技术,即不再对材料表面进行渗碳处理,而是直接用煅烧和热处理方式对钢材进行硬化,进而研发出VH装甲钢。这种装甲不但建造方便,而且还在保持高抗冲击效果的同时极大提升了韧性,进而让整体厚度增加的效果大幅提升。

▲残存的VH装甲样本,其质量出色者的表现曾震惊西方

一些军迷认为日本装甲质量都很差,但英美两国战后用大口径穿甲弹测试缴获的残存VH装甲钢样本时,却发现其水平不容小觑,部分质量上佳的样本甚至比著名的德国克虏伯装甲钢都有过之!完全达到世界顶级!据近年解密文档显示,英国震惊于测试结果后,甚至模仿日本的工艺进行仿制,而结果证明这种工艺下的产品的确比传统的英国装甲钢更为出色。

▲战后,日本特种钢曾一度闻名世界

通过类似“弯道超车”的全面改进,日本装甲钢达到了最佳效果,夯实了品牌基础。由于日本造船业和钢铁产业基础基本完好,因此在战后很快借助经济崛起的东风而全面发展,甚至成为业界标杆,其部分特种钢的水平足以比肩甚至超过美国海军用同类钢材。抛开感情因素来看,日本当初的成就确实称得上弱者逆袭的经典案例,其亮点值得学习和思考。

外界全面封锁,

让中国航母发展面临巨大困难

纵观中国钢铁产业迄今的发展,大体可以分为四个阶段,即早期探索、稳定发展、加速进步和创新飞跃。2000年,中国的钢产量突破了1.3亿吨大关,加上当时中国整体技术和经济也有了很大发展,因此航母发展计划也有了可行性。然而在特种钢领域,当时的中国依旧和美日等国相差悬殊,自然对航母飞行甲板钢的特殊标准缺乏认识。

▲瓦良格号归国后,改装工程却一度举步维艰

经过艰辛谈判,中国最终从乌克兰购入瓦良格号航母的外壳,并历经坎坷才使其回国,然而这仅意味着中国航母发展刚走出第一步。在直接接触中,中国工程师才真正对航母甲板钢有了深刻认识,并了解它和普通特种钢不同,受当时技术限制,这个外壳一度闲置多年。对当时中国技术有所了解的他国评论者甚至认为,这意味着中国发展航母的努力以彻底失败告终。

冷战开始后,西方开始对社会主义国家进行全面禁运,尽管上世纪80年代中国和西方关系回暖,进而取得不少军事技术成就,但航母甲板钢依旧在封锁之列,加上当时的中国很难有经济基础发展航母,因此再度和航母发展基础失之交臂。苏联解体后,俄罗斯武器技术成为解放军现代化发展的重要外援窗口,但在两国合作中,俄罗斯留了不只一手。

▲在美俄等国垄断的环境下,中国曾彻底孤立无援

在叶利钦时代和普京执政早期,俄罗斯一直竭力接近西方,甚至不止一次产生加入北约的想法。因此中国在俄罗斯看来只是个合作伙伴,俄罗斯自然不可能希望中国全盘获得自身尖端技术,特别是航母方面。因此,中国虽然曾在航母甲板钢和后来的拦阻索方面向俄罗斯求援,但却都被对方以各种理由拒绝了。

911事件后,此前十分紧张的中美关系却因所谓联合反恐而得以升温,2007年美国太平洋战区司令基廷上将访华时语出惊人,声称美国可在小鹰级巨型常规动力航母基础上为中国航母发展提供技术帮助,并暗示中国在瓦良格号外壳上的努力不会有实质收效。然而考虑当年运-10等所谓中美合作项目最终胎死腹中,中国最终理智地婉拒了对方。

▲美国当初的“善意”,目的却十分耐人寻味

在美国看来,打压中国是其不变战略,他们最担心的也正是中国具有自主的航母技术。如果当时中国同意,就很可能导致美国产品垄断国内市场,而国内科研机构也会逐步依赖外界进而失去本土自主化。此外,美国可能还会借助中国资源进行研发,最终打出产权和行业标准等旗号反过来打压中国,而中国造舰机密更可能外泄。届时,后果将不堪设想。

▲为避免受制于人,中国团队勇敢地直面巨大困难

对比日本早年间相继依靠英国和德国作为外援,中国当年的处境明显要更为不利。然而即便面对俄罗斯明确的拒绝和美国暗藏目的的善意,中国依旧没有退缩,而是自己走向了外界看来根本不可能的自主技术攻关之路。

一年半创造奇迹!

鞍钢集团为中国航母发展立下大功

2005年,印度启动了蓝天卫士号(即维克兰特号)国产航母的建造计划,但数年后俄罗斯却突然切断了航母甲板钢的供应。无奈的印度一度也鼓起勇气,开始自己研发,但折腾了半天,印度却发现自己的产品明显不达标,而且连基本产量都得不到满足。无奈之下,印度只能再度回到高价购买俄罗斯产品的老路上,而这一切自然也被中国看在眼里。

▲鞍钢集团为中国航母做出了不可磨灭的巨大贡献

对瓦良格号的外壳仔细研究后,中国工程师很快发现特殊的球扁钢(用于航母龙骨维护)必不可少,这种材料的头部为圆形,主体却是扁平的。2008年,自研的重任落在了鞍钢集团的肩上,该企业作为中国桥梁钢的领头羊,被誉为中国钢铁工业摇篮,曾为南京长江大桥、京沪高铁和珠港澳大桥的建造做出巨大贡献,但鞍钢集团面对球扁钢时依旧困难重重。

此前中国没有任何企业有球扁钢的生产经验和设备,鞍钢员工甚至不知如何开始,因此最初工作效率很低,十多个小时才推出几个合格样品。此时,该集团表面研究室负责人周丹带领自己的团队反复从失败中吸取教训,并在数月日以继夜的努力中研究出了最好的制作方式,最终彻底掌握了球扁钢生产技术。其用时仅一年半,大大低于最初五年的预估时间。

▲多座国内大桥的钢材,都是鞍钢提供的

2009年5月,鞍钢集团首次交付了辽宁舰改造用的200吨特种钢,成功打响了第一炮。2年后,鞍钢集团就开始攻关航母甲板钢这个更难的项目,当时技术人员们几乎全天留厂,每天几乎只睡四个小时,并不断整理各种特种钢的资料,从前线到后线全程跟踪,由此确保每个工序的影响因素。

轧制钢时,轧机会将普通钢材放入制造所的轨道,而原料由此进入加热炉加热,进而去除杂质。普通加热炉一般以步进式为主,它主要靠炉底和水冷金属梁的几个工序把原料连续送入加热炉,由此让材料上下同时加热,对效率和灵活性都有很大帮助。原材料离开持续加热炉后,还要经过高压冲洗彻底清除表面杂质,由此在进入轧机后保证韧性、强度和抗高温指标。

▲世界最大的轧机,就在鞍钢

完成轧制后,钢材就会进行剪切工艺来保证平整。在此期间,轧机主控制室会特别调整温度,并在之后对材料进行二次精轧。然而正如此前所言,航母甲板钢面积很大,因此超大型轧机必不可少。为完成任务,鞍钢专门定制了超宽轧机,中国一重等国产机械巨头为此鼎力相助,世界最大的10万吨级压力特种轧机才得以问世。

▲截至目前,中国航母最终进入大发展阶段

据报道,该轧机全重超过760吨,可轧制长40米、宽5.5米的特种钢,其轧制能力、自身规格和单机配套设备都达到世界第一。在它的助力下,中国第一批航母甲板用钢成功投产。

数据显示,中国航母甲板用钢的整体屈服强度高达690兆帕,综合性能不亚于美国福特级使用的HSLA-115型特种钢!由此,中国在最短时间内独立自主地攻克了航母发展最大的难关,中国航母的发展,也真正步入了康庄大道。

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