热轧无缝钢管生产过程中的变形阻力与冷却路径控制问题及解决方案

01

前言

热轧无缝钢管被誉为“工业的血管”，广泛应用于核电、油气钻采、装备制造等领域。是不可替代的基础原料，安全性高。传统的热轧无缝钢管生产工艺中，管坯是经过高温穿孔、轧制、定径等工序形成的。其生产工艺有两个典型特点。首先，管坯在穿孔和轧制过程中的变形抗力较大，成形过程通常需要在比其他热轧钢材更高的变形温度下完成；其次，轧制后的钢管在空气中冷却，无法实现有效的冷却路径控制。这就导致热轧钢管长期缺乏有效的在线组织和性能控制方法。热轧产品合格率低（以20#钢为例，壁厚30mm以上产品轧制性能合格率往往低于50%），产品性能有所提高。只能依靠添加更多的合金元素以及后续的离线热处理。产品生产成本高、能耗大、生产周期长。特别是在进一步提高强度、韧性和焊接性能方面，极为有限，这已成为热轧无缝钢管的制约因素。全面提高钢管产品性能的瓶颈。

控轧控冷工艺可综合利用细晶强化、沉淀强化、相变强化等强化机制。是有效调控热轧钢材组织、显着改善材料性能的重要手段。经过40多年的快速发展，已得到广泛应用，应用于热轧板带钢、型钢、棒线材等领域。但热轧无缝钢管与热轧板材、带钢等产品不同。高温轧制生产工艺条件极大地限制了控轧技术的应用。环形截面的形状特征给控制冷却技术的开发带来了困难。它非常庞大，严重制约了基于控轧控冷的在线组织与性能控制技术在该领域的应用和发展。因此，实现热轧无缝钢管的成形以及成形过程中的在线组织和性能控制长期以来一直是热轧无缝钢管领域的重点研究方向之一。

国家自然科学基金委钢铁联合攻关基金重点项目“热轧无缝钢管在线控制冷却机理及变形/相变在线组织控制一体化”（项目编号：U1860201） ）、高均匀冷却及组织性能在线调控等相关基础研究工作。该项目采用有限元热/流耦合模拟分析与射流冲击冷却试验相结合的方法，揭示环形截面下钢管表面的流体流变特性，阐明流场耦合作用下的微观传热机理和温度场研究，并取得多项成果。梁非对称流场下的均匀冷却方法。在此基础上，我们进一步引入了高热稳定性复合第二相颗粒，促进了晶体内铁素体的形核。基于“第二相控制+高温热轧+控制冷却”的在线组织控制思想，我们对变形冷却进行了深入研究。 -相变协调控制机制，实现典型钢管产品变形/相变的一体化在线结构控制。

02

项目重要进展

1）根据管道环形截面的特点，采用数值模拟和实验研究方法，系统分析了环形截面的表面流体流场特征、传热机理、传热系数变化规律等水冷过程中的截面高温管道，首次明确了高温管道的流场。分布和传热的不对称特性。

研究表明，当冷却水射流冲击高温钢管外表面时，流场结构可分为5个区域：自由射流区、停滞区、壁面射流区、干扰区和液滴飞溅区；外表面冷却换热区可分为：单相强制对流换热区和壁射流换热区。针对钢管内壁，冷却水沉积在管内。一方面，冷却水与钢管内壁接触，形成壁面对流换热。另一方面，冷却水与高温壁面之间形成蒸汽膜，实现膜式沸腾换热。钢管外壁面流场特征为冲击射流特征，内壁流场为层流特征。从传热机理来看，外壁以单向强制对流和壁面对流换热为主，内壁以膜沸腾换热为主。它辅以低强度壁对流换热。钢管冷却过程中，内外壁流场特性和传热机理存在显着差异，冷却传热过程不对称。在钢管表面的冷却介质冲击区域，随着距冲击驻点的距离逐渐增大，钢管表面轴向和周向的湍流动能分布差异逐渐增大。进一步采用实验方法研究了单束射流撞击钢管表面的流场和高温润湿区。在射流冲击点附近，随着冷却时间的增加，高温管道外壁冲击驻点附近冷却后的润湿面积呈椭圆形分布，表明沿冷却时间的冷却特性不同。管道的轴向和周向。采用实验和数值模拟方法对多束射流冷却下钢管表面的流场特性和传热特性进行研究分析，计算不同周向位置的传热系数。在射流分布均匀的情况下，不同象限位置的换热系数存在显着差异。第一、二象限区域的热交换强度明显大于第三、四象限区域。外壁传热具有显着的象限特征。管道外壁水冷过程中的流场具有各向异性，不同象限位置的换热强度差异较大。

2）模拟高温环形炉加热过程，说明在高温奥氏体温度1000-1250℃、保温时间1的条件下，改进钢中有效第二相颗粒诱导针状铁素体的形核作用-60分钟。结果表明，适当提高奥氏体化温度和延长保温时间有助于精细互锁晶内铁素体的形核和长大行为。模拟管坯高温变形过程，结果表明终轧温度在1000℃以上有利于细晶粒中针状铁素体的生成，揭示了高温轧制变形对提高细化的有效作用与热轧无缝钢管一致，需要根据实际工况进行高温轧制。模拟管坯轧制后的控冷过程，揭示了高温热变形（>1000℃）+控冷条件（冷却速率0.15-50℃/s）对热轧管显微组织演变的影响，并阐明了细针状铁素体结构的主要冷却过程窗口。

通过OM、SEM、EPMA、EBSD和CLSM等测试设备对管材的微观结构演变和第二相颗粒性能进行了系统表征和分析。阐明了有效第二相颗粒诱导针状铁素体的生长行为和相变规律，揭示了Ti-M型脱氧颗粒的有效类型、尺寸范围等属性，诱导了有效第二相颗粒的形核。对其机理进行了分析和讨论。图1显示了典型的有效第二相颗粒诱导铁素体形核和高温变形的显微组织。系统分析表明，有效第二相粒子诱发的细小针状铁素体具有晶体取向不同、位错密度较高、大角度晶界取向差异等特点，能有效阻碍裂纹的快速扩展，提高强度和韧性。的管道。与传统的Al-Ca脱氧钢相比，引入有效的钛基复合脱氧工艺可以有效细化管材的组织结构，有助于获得结构和性能优良的晶内针状铁素体组织。

3)进一步提出利用TiN钉扎奥氏体晶界协同细化组织路线。该研究结合电炉工艺的管坯冶炼条件，对TiN析出行为进行了实验研究，揭示了获得最佳TiN析出相分布的Ti、N配比。在此基础上，以典型铁素体珠光体Q345钢为对象，开展了组织与性能控制研究。研究结果表明：铸态组织、缓冷组织和控冷组织均具有明显的细化效果，其中结合控冷的组织细化效果最为明显。 TiN在高温下阻碍奥氏体晶粒的长大，对铁素体珠光体组织有显着的细化作用。提出了氮和氧化物的协同控制路线。经过对电炉冶炼脱氧、微合金化等方面的特殊控制，形成了稳定的冶炼工艺，应用于90t电炉工艺圆管坯的生产和不同产品的开发。

以数量大、范围广的Q345钢管为例，阐述了氮氧化物析出对不同类型结构的调控效果的有效性。依托宝钢PQF460机组生产线进行工业化应用。轧制后进行控制冷却和在线淬火工艺。结果表明，改进工艺钢的低温冲击韧性明显高于常规工艺钢，同比分别提高52%和24%。

03

结论

经过两年的攻关，该项目按计划实现了任务书设定的目标和要求，取得了一系列重要创新进展，为建立热轧无缝管在线组织与性能控制工艺提供了理论基础。钢管，并用于建立在线控制冷却过程。新型热轧无缝钢管显微组织和性能控制平台和方法具有重要意义。相关研究成果发表在《Materials Science & Engineering A》、《Materials Characterization》、《Materials & Design》、《Metallurgical & Materials Transactions A》等国际重要期刊上。SCI收录论文18篇，已被发表于《材料研究学报》、《材料热处理学报》等国内期刊及国内重要会议发表论文5篇；新申请发明专利12项。该课题的创新进展是东北大学与宝钢联合开展的“热轧无缝钢管显微组织与性能在线控制关键技术、装备开发与应用”项目的重要基础研究组成部分。该项目于2020年12月24日启动，中国钢铁工业协会组织专家对技术成果进行了评审，委员会认为成果总体达到国际领先水平。