在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，熱軋無縫鋼管是一類重要的鋼材門類，更是油氣鉆采、裝備制造等關(guān)鍵領(lǐng)域不可替代的高安全性基礎(chǔ)原材料。熱軋無縫鋼管生產(chǎn)過程具有兩個典型特征，一是實(shí)心管坯穿孔軋制過程變形阻力大，通常需要在比其它熱軋鋼材更高的變形溫度下完成成形過程；二是軋后鋼管在空氣中冷卻，缺乏有效的冷卻路徑控制。這導(dǎo)致熱軋無縫鋼管長期以來缺乏有效的在線組織性能調(diào)控手段，熱軋態(tài)產(chǎn)品強(qiáng)度低、韌性差，合格率低（以最為基礎(chǔ)的Q235鋼為例，30mm以上壁厚產(chǎn)品軋態(tài)性能合格率不足60%），產(chǎn)品性能提升只能依靠添加更多的合金元素及后續(xù)離線熱處理（如圖1所示），管材產(chǎn)品同比合金元素、噸鋼能耗明顯高于其他鋼材門類，生產(chǎn)成本高、能源消耗量大、生產(chǎn)周期長，特別是在進(jìn)一步提高強(qiáng)度、韌性以及焊接性能方面極為受限，成為制約熱軋無縫鋼管產(chǎn)品性能全面提升的瓶頸。

圖1 熱軋無縫鋼管的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程

　　控軋控冷在線組織調(diào)控作為提升鋼材強(qiáng)韌性能和使用性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和必要手段，自1980年代起，就已在熱軋板帶鋼領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其工藝優(yōu)勢也早已得到鋼管行業(yè)廣泛共識，并多次列入行業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要。但截至本項(xiàng)目實(shí)施前，熱軋鋼管領(lǐng)域始終未能開發(fā)成功。關(guān)鍵技術(shù)難題和研發(fā)概況為：

　?。?）熱軋無縫鋼管環(huán)形斷面特點(diǎn)決定其冷卻過程的流場和換熱特點(diǎn)與板材存在根本區(qū)別。熱軋鋼管環(huán)形斷面冷卻過程，外壁流場結(jié)構(gòu)各向異性，不同圓周曲面位置熱交換強(qiáng)度差異顯著，導(dǎo)致管材外表面周向冷卻存在非對稱性；內(nèi)壁難以實(shí)現(xiàn)與其匹配的冷卻方法，內(nèi)外壁冷卻過程差異顯著。從而導(dǎo)致高溫鋼管水冷過程不均勻傾向大大增加，易于彎管，完全不同于板材冷卻。

　?。?）國內(nèi)外相繼開展了大量的無縫鋼管控制冷卻技術(shù)攻關(guān)工作，但幾無成功先例。管材控制冷卻的大型成套工業(yè)化裝備研制沒有先例可循。自20世紀(jì)七八十年代起，以國內(nèi)外鋼管企業(yè)以及一相關(guān)科研機(jī)構(gòu)相繼開展了研究探索和技術(shù)嘗試，但由于冷卻均勻性難題一直沒有得到有效突破，大型工業(yè)化裝備一直未能開發(fā)成功，成為熱軋鋼管領(lǐng)域國際性工藝技術(shù)難題。在本項(xiàng)目實(shí)施前，一些產(chǎn)線軋后僅配置有非常簡易的冷卻裝置，長度1～2米，溫降能力只有20～30℃。冷卻能力和冷卻效果十分有限；或?qū)㈦x線淬火機(jī)或淬火水槽布置在軋后，用于短尺寸單倍尺（12米）鋼管的直接淬火冷卻，但長尺寸2～3倍尺管材直接淬火以及精準(zhǔn)控溫冷卻無法實(shí)現(xiàn)。

　　（3）基于熱軋板帶鋼的低溫控軋細(xì)晶機(jī)制與工藝不適用于熱軋管材生產(chǎn)。熱軋鋼管需要在相對高的溫度區(qū)域完成穿孔和軋制過程（終軋950～1100℃，板材終軋780~860℃），難以通過低溫軋制工藝細(xì)化奧氏體組織。管坯高溫變形奧氏體晶粒粗大，易于形成大量魏氏組織，惡化力學(xué)性能?，F(xiàn)有的釩微合金化+二次加熱工藝，通過VN析出誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體形核細(xì)化組織，但該工藝方法需要增加昂貴的釩元素，且能耗高、效率低。

　?。?）適合熱軋無縫鋼管高溫成形特點(diǎn)的在線組織調(diào)控平臺技術(shù)有待研發(fā)建立。熱軋鋼管傳統(tǒng)依賴添加更多合金元素和離線熱處理的強(qiáng)化機(jī)制和生產(chǎn)工藝，無縫鋼管相對較高的碳當(dāng)量成分設(shè)計(jì)與約束性環(huán)狀結(jié)構(gòu)冷卻工藝匹配困難。管材環(huán)形封閉約束斷面冷卻過程應(yīng)力大，易彎曲、易開裂。構(gòu)建全新的在線組織調(diào)控平臺技術(shù)，需要結(jié)合管材高溫成形特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)成分-軋制工藝-冷卻路徑的一體化協(xié)同控制；且管材在品種、規(guī)格變量（壁厚、外徑）、工藝參數(shù)體系以及產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限制上更為復(fù)雜。

　　寶鋼股份自2000年起，依托140機(jī)組就曾開展過熱軋無縫鋼管控制冷卻的探索研究。2010年后，為提升高端產(chǎn)品開發(fā)能力與熱處理產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)中低端管材短流程、高品質(zhì)制造，突破中高端管材工藝開發(fā)瓶頸，寶鋼多次將開發(fā)熱軋鋼管在線組織調(diào)控技術(shù)納入戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃。東北大學(xué)面向這一行業(yè)共性技術(shù)難題，自2006年起投入科研力量開展研究工作。在重新審視熱軋鋼管在線組織調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步明確了其關(guān)鍵科學(xué)問題，為項(xiàng)目開展奠定了理論基礎(chǔ)。十二五至十三五期間，寶鋼股份再次將鋼管控制冷卻技術(shù)列為集團(tuán)平臺性、領(lǐng)域性、戰(zhàn)略性重大課題進(jìn)行攻關(guān)。2013年，寶鋼股份與東北大學(xué)產(chǎn)學(xué)研合作，協(xié)同創(chuàng)新，發(fā)揮高校基礎(chǔ)研究理論創(chuàng)新優(yōu)勢與企業(yè)產(chǎn)線裝備及工程技術(shù)優(yōu)勢，聯(lián)合開展本項(xiàng)目科研攻關(guān)工作。

　　本項(xiàng)目從實(shí)現(xiàn)熱軋無縫鋼管在線組織性能調(diào)控技術(shù)目標(biāo)出發(fā)，針對前面提到的關(guān)鍵技術(shù)難題，我們提煉出環(huán)形斷面均勻化冷卻機(jī)制、約束斷面溫控-相變耦合與協(xié)調(diào)機(jī)制、高溫形變細(xì)晶組織調(diào)控機(jī)制等三大科學(xué)問題，聚焦控冷技術(shù)裝備與自動控制系統(tǒng)、在線組織調(diào)控工藝方法與技術(shù)、短流程系列無縫鋼管產(chǎn)品等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，通過理論與實(shí)踐相結(jié)合，形成了三個主要創(chuàng)新點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了理論、裝備、工藝、產(chǎn)品的一體化創(chuàng)新，并取得了很好的應(yīng)用實(shí)施效果。

　?。?）率先開發(fā)出具有內(nèi)外壁快速均勻冷卻和直接淬火功能的熱軋無縫鋼管在線控制冷卻技術(shù)與裝備，并在國際上首次實(shí)現(xiàn)工業(yè)化穩(wěn)定應(yīng)用（圖2）。實(shí)現(xiàn)了PQF460機(jī)組鋼管軋后全長規(guī)格（1～3倍尺，10～36m長度）的控制冷卻及直接淬火工藝。

圖2 開發(fā)的國際首套熱軋鋼管控制冷卻工業(yè)化裝備及應(yīng)用

　　針對鋼管圓形表面與板材平面表面條件下存在的冷卻介質(zhì)流場及溫度場不同的特征，提出適于熱軋無縫鋼管環(huán)形斷面特點(diǎn)的非對稱射流沖擊冷卻機(jī)制，開發(fā)出高速率與高均勻性控制冷卻技術(shù)，并開發(fā)研制出可實(shí)現(xiàn)內(nèi)壁冷卻與外壁射流沖擊冷卻的核心環(huán)形冷卻噴環(huán)結(jié)構(gòu)，終冷溫度控制范圍為800℃~室溫，滿足控溫冷卻和直接淬火工藝要求，實(shí)現(xiàn)了國際首創(chuàng)。同時，針對熱軋無縫鋼管生產(chǎn)工藝流程特點(diǎn)，建立了熱軋鋼管冷卻過程的內(nèi)外壁冷卻數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了基于水流量、冷卻時間、換熱強(qiáng)度的均勻化冷卻熱交換評價(jià)方法。開發(fā)出基于全流程工業(yè)數(shù)據(jù)的熱軋鋼管冷卻動態(tài)自適應(yīng)算法、冷卻水介質(zhì)壓力與流量無級可調(diào)的高精度控制技術(shù)，以及管材柔性化的冷卻路徑和多流程工藝控制策略。實(shí)現(xiàn)了高效（匹配最快40s熱軋節(jié)奏）、均勻（全長/周向控溫精度±20℃）穩(wěn)定生產(chǎn)，管形及直度良好（橢圓度＜1%D，直度＜5mm/m），滿足了多品種多規(guī)格熱軋無縫鋼管產(chǎn)品的生產(chǎn)需求?？乩溲b備的開發(fā)成功，同比板材控制冷卻，彌補(bǔ)了近40年的技術(shù)差距，填補(bǔ)了領(lǐng)域國際空白。

　?。?）建立了熱軋無縫鋼管在線組織調(diào)控工藝方法，開發(fā)出基于高溫變形條件和控制冷卻的鋼管一體化在線組織控制技術(shù)，為熱軋無縫鋼管生產(chǎn)提供全新的工藝手段。

　　以在線冷卻組織調(diào)控為核心，圍繞熱軋無縫鋼管高溫穿軋成形的工藝特點(diǎn)，通過冷卻路徑的合理控制，構(gòu)建了F、B、M等三大類目標(biāo)組織控制的在線調(diào)控工藝技術(shù)體系，目前依托該工藝技術(shù)的產(chǎn)品強(qiáng)度級別，已達(dá)到了GPa級以上，并實(shí)現(xiàn)了批量穩(wěn)定生產(chǎn)。如圖3所示。進(jìn)而在熱軋無縫鋼管領(lǐng)域，基于新成分體系設(shè)計(jì)，形成了細(xì)晶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、析出強(qiáng)化的綜合強(qiáng)化機(jī)制。同時，針對鋼管高溫變形條件（終軋950～1100℃），將鈦微合金化技術(shù)引入熱軋無縫鋼管領(lǐng)域，并結(jié)合在線冷卻工藝，實(shí)現(xiàn)了典型品種“成分-高溫變形-控制冷卻”的協(xié)同調(diào)控，最終獲得了高溫終軋條件下類同于“控軋控冷”的組織細(xì)化效果，顯著改善了低溫韌性，為高性能先進(jìn)管材產(chǎn)品的開發(fā)生產(chǎn)提供了全新的技術(shù)手段。總體上看，我們建立的以控制冷卻為核心的在線組織調(diào)控方法，，徹底扭轉(zhuǎn)了無縫鋼管以往過度依賴于合金化和離線熱處理的被動局面，突破了傳統(tǒng)工藝瓶頸，開辟了鋼管高質(zhì)高效制造新工藝新方法。

圖3 熱軋無縫鋼管在線控制冷卻工藝

　?。?）率先開發(fā)出高等級油套管、管線管、結(jié)構(gòu)管等熱軋無縫鋼管基于在線控制冷卻和淬火的全新成分體系及工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了熱軋無縫鋼管系列產(chǎn)品的短流程生產(chǎn)。

　　在產(chǎn)品方面，首先圍繞量大面廣的結(jié)構(gòu)管和低鋼級管線管產(chǎn)品，通過差異化的在線控冷工藝，解決了熱軋態(tài)組織粗大和不均勻的工藝難題，省去了離線正火工序，實(shí)現(xiàn)了工藝減量化。其次是針對中高鋼級的管線管產(chǎn)品，開發(fā)了低碳當(dāng)量和低合金成本的全新鋼種，并通過在線淬火工藝替代了離線淬火處理，同時實(shí)現(xiàn)了工藝和合金的減量化。第三類產(chǎn)品是圍繞高強(qiáng)度無縫鋼管產(chǎn)品，在量大面廣的API套管方面，通過在線淬火替代離線淬火，不僅縮短了工藝流程，而且強(qiáng)度得到了明顯提升。特別是我們開發(fā)的高端抗硫套管產(chǎn)品，通過實(shí)施在線控冷以后，110ksi級抗硫管產(chǎn)品不僅省去了一道離線的調(diào)質(zhì)處理，而且抗硫性能等關(guān)鍵指標(biāo)還提升了10%，達(dá)到30MPa?m1/2以上，真正實(shí)現(xiàn)了工藝減量化和產(chǎn)品的性能高質(zhì)化。從而，在總體上實(shí)現(xiàn)了典型無縫管產(chǎn)品基于在線組織調(diào)控的短流程生產(chǎn)及流程再造。

　　本項(xiàng)目聚焦熱軋無縫鋼管領(lǐng)域關(guān)鍵共性工藝技術(shù)難題，歷經(jīng)基礎(chǔ)研究、中試試驗(yàn)、技術(shù)開發(fā)與工程應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)熱軋無縫鋼管領(lǐng)域控制冷卻工業(yè)化技術(shù)與裝備的國際首創(chuàng)，引領(lǐng)了熱軋無縫鋼管工藝技術(shù)研究的跨越式發(fā)展，為熱軋鋼管產(chǎn)品開發(fā)提供了在線組織調(diào)控平臺性技術(shù)。應(yīng)用實(shí)施后達(dá)到的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 項(xiàng)目成果達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)

　　項(xiàng)目自2016年4月在寶鋼P(yáng)QF460產(chǎn)線工業(yè)化應(yīng)用以來，取得顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。截至2020年12月，基于在線組織調(diào)控技術(shù)，已開發(fā)出石油套管（N80-P110）、抗硫管（110ksi）、管線管（X52-X70）和結(jié)構(gòu)管（Q355-Q460、20#）等為代表的系列熱軋無縫鋼管產(chǎn)品工藝技術(shù)。累計(jì)生產(chǎn)量達(dá)87.0255萬噸，累計(jì)增收45741萬元，其中近三年增收達(dá)3.2億元以上，起到了很好的技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用示范，實(shí)施效果成效顯著。

　　采用在線組織性能調(diào)控技術(shù)，開發(fā)的高質(zhì)特色化產(chǎn)品已在部分下游重點(diǎn)用戶企業(yè)推廣應(yīng)用。寶鋼BG110S/SS、C110等高強(qiáng)度抗硫管產(chǎn)品已批量用于我國塔里木、中石化西北局等我國為數(shù)極少的超深井工程中，支撐了國家油氣資源的安全開發(fā)。采用控冷工藝替代離線調(diào)質(zhì)工藝，首次開發(fā)出非調(diào)質(zhì)態(tài)高強(qiáng)度、硬度及韌性匹配的油缸活塞桿專用高強(qiáng)管，通過用戶綜合評估，完全滿足用戶需求。同時，開發(fā)的管線管和結(jié)構(gòu)管等產(chǎn)品，也批量用于我國儲氣庫、海工等國家重點(diǎn)工程和重大裝備制造領(lǐng)域。

　　“無縫油井管在線控冷技術(shù)用于套管生產(chǎn)”的提案已通過美國石油協(xié)會（API）納標(biāo)申請并正式立項(xiàng)，這也是我國鋼管制造企業(yè)首次牽頭修訂API標(biāo)準(zhǔn)。

　　在技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)性方面，由于本項(xiàng)目涉及的裝備和工藝技術(shù)屬于國際首發(fā)，因此與傳統(tǒng)工藝進(jìn)行比較，在降本、減排、高效、提質(zhì)等四大方面，均全面領(lǐng)先國內(nèi)外先進(jìn)熱軋無縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)指標(biāo)水平，具體見表2所示。

表2 主要技術(shù)指標(biāo)的先進(jìn)性對比

　　本項(xiàng)目成果授權(quán)發(fā)明專利及軟件著作權(quán)共計(jì)22件，形成企業(yè)技術(shù)秘密9件，發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文19篇。該項(xiàng)技術(shù)成果已成為寶鋼無縫鋼管開發(fā)生產(chǎn)的平臺性技術(shù)。

　　2020年12月24日，中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會組織專家對本項(xiàng)目技術(shù)成果進(jìn)行了評價(jià)，評價(jià)委員會評價(jià)認(rèn)為，項(xiàng)目開發(fā)的設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品性能和直度等指標(biāo)滿足要求，節(jié)能減排效果明顯，生產(chǎn)效率顯著提高，在行業(yè)起到了示范作用，促進(jìn)了我國熱軋無縫鋼管技術(shù)的原始創(chuàng)新，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著，應(yīng)用前景廣闊。評價(jià)委員會一致認(rèn)為該成果總體上達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

　?。?）本項(xiàng)目成果之一的鋼管控制冷卻技術(shù)“Controlled cooling technology for online control of hot-rolled steel microstructure”入圍世界鋼鐵協(xié)會2018年第9屆“Steelie”年度創(chuàng)新獎。

　?。?）本項(xiàng)目成果之一的“無縫油井管在線控冷技術(shù)用于套管生產(chǎn)”的提案通過2019年美國石油協(xié)會（API）納標(biāo)申請，實(shí)現(xiàn)了我國鋼管制造企業(yè)牽頭修訂API標(biāo)準(zhǔn)的首次突破。

　?。?）國務(wù)院國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會發(fā)布新聞“寶鋼股份成為全球首家掌握熱軋無縫管在線控冷技術(shù)企業(yè)”。

　?。?）我國行業(yè)技術(shù)媒體《世界金屬導(dǎo)報(bào)》將“熱軋無縫管工業(yè)化在線控冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)國際首創(chuàng)”評選為2018年度世界鋼鐵工業(yè)十大技術(shù)要聞，并位列首位。

　　本項(xiàng)目通過熱軋無縫鋼管在線組織性能調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)、裝備及產(chǎn)品工藝的自主創(chuàng)新，特別是成功開發(fā)出熱軋無縫鋼管控制冷卻工業(yè)化技術(shù)與裝備，實(shí)現(xiàn)了熱軋無縫鋼管成性技術(shù)領(lǐng)域核心裝備的國際首創(chuàng)，徹底扭轉(zhuǎn)了熱軋無縫鋼管在產(chǎn)品工藝技術(shù)手段上過度依賴合金化和離線熱處理的局面，是自1885年德國曼內(nèi)斯曼發(fā)明無縫鋼管穿孔軋制技術(shù)以來，首次在熱軋無縫鋼管領(lǐng)域重大工藝技術(shù)上留下了中國人的印跡，促進(jìn)了我國熱軋無縫鋼管工藝技術(shù)的原始創(chuàng)新。本項(xiàng)目通過實(shí)現(xiàn)熱軋無縫鋼管工藝技術(shù)領(lǐng)域工藝-裝備-產(chǎn)品的一體化創(chuàng)新突破，大幅度變革了傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝方法和流程，實(shí)現(xiàn)了典型無縫管產(chǎn)品基于在線組織調(diào)控的流程再造。目前已快速在我國熱軋鋼管行業(yè)起到很好的技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)示范作用。

　　項(xiàng)目成果在節(jié)能、減排、高效制造等方面也效益顯著。項(xiàng)目成果通過實(shí)現(xiàn)熱軋無縫鋼管領(lǐng)域工藝減量化、合金減量化，節(jié)能減排效果明顯，生產(chǎn)效率顯著提高，促進(jìn)了熱軋鋼管行業(yè)的高品質(zhì)綠色制造，實(shí)現(xiàn)了熱軋無縫鋼管綠色高效制造的技術(shù)引領(lǐng)示范。通過在線組織性能調(diào)控，典型鋼種系列規(guī)格產(chǎn)品免除離線正火或再加熱淬火工序，在節(jié)省離線熱處理工序成本的同時，控冷產(chǎn)品的能耗平均降低20kgce/t以上，減少CO2排放量50kg/t，平均制造周期縮短3天以上。基于控制冷卻的熱軋無縫鋼管在線組織調(diào)控技術(shù)，以（較）低碳當(dāng)量實(shí)現(xiàn)同鋼級高性能管材生產(chǎn)、顯著改善使用性能和綜合性能，對于進(jìn)一步開發(fā)高強(qiáng)韌性易焊接特色化產(chǎn)品將起到重要支撐作用。項(xiàng)目成果可廣泛推廣應(yīng)用于我國鋼鐵企業(yè)絕大多數(shù)熱軋無縫鋼管機(jī)組產(chǎn)線，對于推動我國無縫鋼管企業(yè)增效提質(zhì)具有重大意義。