热轧无缝钢管在线组织性能调控关键技术、装备开发及应用
热轧无缝钢管广泛应用于石油、化工、电力、锅炉、机械、船舶等领域，被誉为“工业的血管”，是支撑国家经济建设不可替代的高安全性基础原材料。在常规热轧无缝钢管生产过程中，管坯成形历经高温穿孔、轧制以及定径等工艺。产品受到圆形中空断面形状及生产工艺制约，缺乏有效的组织和性能调控手段，导致其性能提升只能依靠添加合金元素及后续热处理。因此，产品生产成本高，能源消耗量大，生产周期长，特别是在进一步提高强度、韧性以及焊接性能方面极为受限，这些成为制约热轧无缝钢管产品性能全面提升的瓶颈。控轧控冷作为热轧钢材在线组织调控的重要手段，广泛应用于板带材领域。然而，钢管环形断面形状下的高强度、高均匀性冷却作为世界性难题，长期以来未得到有效突破，严重制约了钢管在线组织调控技术的开发和应用。
▲热轧无缝钢管是不可替代的重要钢铁材料
▲热轧无缝钢管的传统生产工艺流程
东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室面向这一行业共性技术难题，自年起投入科研力量开展研究工作。研究人员在重新审视热轧钢管在线组织调控关键技术与装备研发难点的基础上，进一步明确了其关键科学问题，为项目开展奠定了理论基础。首先围绕钢管的高强度均匀化冷却机制，阐明了环形断面射流冲击换热特性，提出非对称性均匀化冷却机制，解决了射流冲击冷却介质的流体行为、表面热/流耦合换热模型、非对称流场控制等核心技术难题，获得了钢管高强度均匀化冷却控制方法。针对钢管高温变形条件，提出了“本质细晶理论”，结合冷却路径控制，达到高温热轧钢材的组织细晶化调控效果。进一步地，年与宝钢合作，产学研协同创新，开展了钢管在线冷却工业化技术科研攻关。历时近7年，围绕“钢管冷却核心喷环结构”、“管材控制冷却工业化技术与装备”、“热轧无缝钢管在线控制冷却自动控制系统”、“基于在线组织调控的热轧无缝钢管产品和生产工艺技术”、“高温奥氏体组织细化+控冷相变协同调控”等方面内容，将系统理论研究、技术开发和应用实践工作结合，形成了覆盖热轧无缝钢管在线组织性能调控工艺、控冷装备、产品技术、自动化控制系统在内的具有完全自主知识产权的成套关键技术。研究工作取得了如下创新和技术进展：
（1）针对管材环形断面特点，提出了高温钢管水冷过程非对称换热机制。率先开发出具有内外壁快速均匀冷却和直接淬火功能的热轧无缝钢管在线控制冷却技术与装备，于年3月25日完成热负荷试车，并实现了国际上首次工业化稳定应用。满足了PQF机组钢管轧后全长规格（1～3倍尺，10～36m长度）的控制冷却及直接淬火工艺要求。
▲开发的国际首套热轧钢管控制冷却工业化装备及应用
（2）建立了热轧钢管冷却过程的内外壁数学模型，构建了基于水流量、冷却时间、换热强度的均匀化冷却热交换评价方法。开发出基于全流程工业数据的热轧钢管冷却动态自适应算法、冷却水介质压力与流量无级可调的高精度控制技术，以及管材柔性化的冷却路径和多流程工艺控制策略。实现了高效（匹配最快40s热轧节奏）、均匀（全长/周向控温精度±20℃）稳定生产，管形及直度良好（椭圆度＜1%D，直度＜5mm/m）。
（3）率先开发出高等级套管、管线管、结构管等热轧无缝钢管基于在线控制冷却和淬火的全新成分体系及工艺技术，实现了多品种、多规格系列化产品的批量稳定化生产及应用。同比传统工艺，晶粒度平均提高1～3级，冲击韧性提高20～J。ksi级抗硫管在线控冷+离线调质同比一次离线调质抗硫指标KISSC值提升10%，达到30MPa·m1/2以上，替代传统两次离线调质工艺。
（4）从物理冶金学角度建立了热轧无缝钢管在线组织调控方法，开发出基于高温变形条件和控制冷却的钢管一体化在线组织控制技术，为热轧无缝钢管生产提供全新的工艺手段。将钛微合金化技术引入热轧无缝钢管领域，实现“成分-高温变形-控制冷却”协同调控，获得高温终轧（～1℃）下类同于“控轧控冷”的组织细化效果。在线组织调控为高性能产品的开发生产提供了全新的技术手段。
结语
本项目开展了热轧无缝钢管在线组织性能调控关键技术、装备及产品工艺的自主创新，特别是成功开发出热轧钢管控制冷却工业化技术与装备，打破了热轧无缝钢管在产品工艺技术手段上过度依赖合金化和离线热处理的局面，是自年德国曼内斯曼发明无缝钢管穿孔轧制技术以来，首次在热轧无缝钢管领域重大工艺技术上留下了中国人的印迹，促进了我国热轧无缝钢管工艺技术的原始创新。本项目通过实现热轧无缝钢管工艺技术领域工艺-装备-产品的一体化创新突破，大幅度变革了传统生产工艺方法和流程，目前已快速在我国热轧钢管行业起到良好的技术创新引领示范作用。本项目成果实现了热轧无缝钢管领域工艺减量化、合金减量化，节能减排效果明显，生产效率显著提高，促进了热轧钢管行业的高品质绿色制造。基于控制冷却的热轧无缝钢管在线组织调控技术，以（较）低碳当量实现同钢级高性能管材生产、显著改善使用性能和综合性能，对于进一步开发高品质特色化产品将起到重要支撑作用。通过在线组织性能调控，典型钢种系列规格产品免除离线正火或再加热淬火工序，在节省离线热处理工序成本的同时，控冷产品的能耗平均降低20kgce/t以上，减少CO2排放量50kg/t，平均制造周期缩短3天以上。对我国实现热轧无缝钢管短流程绿色化制造具有重要意义。
技术成果在年12月24日经中国钢铁工业协会组织专家进行科技成果评价，结论为总体达到国际领先水平，并被专业组初评推荐为年冶金科学技术奖特等奖推荐获奖项目，目前已公示。
摘自：轧制技术
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