熱軋無縫鋼管在線組織性能調(diào)控關鍵技術、裝備開發(fā)及應用

一、研究的背景與問題在國民經(jīng)濟建設中，熱軋無縫鋼管是一類重要的鋼材門類，更是油氣鉆采、裝備制造等關鍵領域不可替代的高安全性基礎原材料。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)品強度低、韌性差，合格率低（以最為基礎的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，特別是在進一步提高強度、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)控作為提升鋼材強韌性能和使用性能的關鍵環(huán)節(jié)和必要手段，自1980年代起，就已在熱軋板帶鋼領域廣泛應用，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。但截至本項目實施前，熱軋鋼管領域始終未能開發(fā)成功。關鍵技術問題和研發(fā)概況為：1、熱軋無縫鋼管環(huán)形斷面特點決定其冷卻過程的流場和換熱特點與板材存在根本區(qū)別。熱軋鋼管環(huán)形斷面冷卻過程，外壁流場結構各向異性，不同圓周曲面位置熱交換強度差異顯著，導致管材外表面周向冷卻存在非對稱性；內(nèi)壁難以實現(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。2、國內(nèi)外相繼開展了大量的無縫鋼管控制冷卻技術攻關工作，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世紀七八十年代起，以國內(nèi)外鋼管企業(yè)以及相關科研機構相繼開展了研究探索和技術嘗試，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，成為熱軋鋼管領域國際性工藝技術難題。在本項目實施前，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控溫冷卻無法實現(xiàn)。3、基于熱軋板帶鋼的低溫控軋細晶機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，惡化力學性能?，F(xiàn)有的釩微合金化+二次加熱工藝，通過VN析出誘導晶內(nèi)鐵素體形核細化組織，但該工藝方法需要增加昂貴的釩元素，且能耗高、效率低。4、適合熱軋無縫鋼管高溫成形特點的在線組織調(diào)控平臺技術有待研發(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化機制和生產(chǎn)工藝，無縫鋼管相對較高的碳當量成分設計與約束性環(huán)狀結構冷卻工藝匹配困難。管材環(huán)形封閉約束斷面冷卻過程應力大，易彎曲、易開裂。構建全新的在線組織調(diào)控平臺技術，需要結合管材高溫成形特點實現(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)品相關標準限制上更為復雜。寶鋼股份自2000年起，依托140機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)控技術納入戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃。東北大學面向這一行業(yè)共性技術難題，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)控關鍵技術與裝備研發(fā)難點的基礎上，進一步明確了其關鍵科學問題，為項目開展奠定了理論基礎。十二五至十三五期間，寶鋼股份再次將鋼管控制冷卻技術列為集團平臺性、領域性、戰(zhàn)略性重大課題進行攻關。二、解決問題的技術思路與方案寶鋼股份與東北大學通過產(chǎn)學研的緊密合作，協(xié)同創(chuàng)新，發(fā)揮高?；A研究理論創(chuàng)新優(yōu)勢與企業(yè)產(chǎn)線裝備及工程技術優(yōu)勢，聯(lián)合開展本項目科研攻關工作。重點針對三大技術難題，提煉出環(huán)形斷面均勻化冷卻機制、約束斷面溫控-相變耦合與協(xié)調(diào)機制、高溫形變細晶組織調(diào)控機制等三大科學問題，聚焦包括熱軋無縫鋼管控制冷卻裝備等在內(nèi)的六大關鍵技術瓶頸，通過理論與實踐相結合，率先取得“適于環(huán)形斷面鋼管的非對稱冷卻機制”等五大創(chuàng)新與技術突破，并最終實現(xiàn)理論、裝備、工藝、產(chǎn)品的一體化創(chuàng)新。研究思路示意圖如圖2所示。圖2本項目的研究思路示意圖三、主要創(chuàng)新性成果本項目從實現(xiàn)熱軋無縫鋼管在線組織性能調(diào)控技術目標出發(fā)，針對關鍵技術難題，提煉出環(huán)形斷面均勻化冷卻機制等三大科學問題，聚焦控冷技術裝備與自動控制系統(tǒng)、在線組織調(diào)控工藝方法與技術、短流程系列無縫鋼管產(chǎn)品等關鍵技術瓶頸，通過理論與實踐相結合，形成了三個主要創(chuàng)新成果，實現(xiàn)了理論、裝備、工藝、產(chǎn)品的一體化創(chuàng)新，并取得了很好的應用實施效果。1、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與裝備，并在國際上首次實現(xiàn)工業(yè)化穩(wěn)定應用（圖3）。實現(xiàn)了PQF460機組鋼管軋后全長規(guī)格（1～3倍尺，10～36m長度）的控制冷卻及直接淬火工藝。圖3開發(fā)的國際首套熱軋鋼管控制冷卻工業(yè)化裝備及應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)形斷面特點的非對稱射流沖擊冷卻機制，開發(fā)出高速率與高均勻性控制冷卻技術，并開發(fā)研制出可實現(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)結構，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，建立了熱軋鋼管冷卻過程的內(nèi)外壁冷卻數(shù)學模型，構建了基于水流量、冷卻時間、換熱強度的均勻化冷卻熱交換評價方法。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，以及管材柔性化的冷卻路徑和多流程工藝控制策略。實現(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，彌補了近40年的技術差距，填補了領域國際空白。2、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，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，通過冷卻路徑的合理控制，構建了F、B、M等三大類目標組織控制的在線調(diào)控工藝技術體系，目前依托該工藝技術的產(chǎn)品強度級別，已達到了GPa級以上，并實現(xiàn)了批量穩(wěn)定生產(chǎn)。如圖4所示。進而在熱軋無縫鋼管領域，基于新成分體系設計，形成了細晶強化、相變強化、析出強化的綜合強化機制。同時，針對鋼管高溫變形條件（終軋950～1100℃），將鈦微合金化技術引入熱軋無縫鋼管領域，并結合在線冷卻工藝，實現(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”的組織細化效果，顯著改善了低溫韌性，為高性能先進管材產(chǎn)品的開發(fā)生產(chǎn)提供了全新的技術手段。總體上看，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4熱軋無縫鋼管在線控制冷卻工藝3、率先開發(fā)出高等級油套管、管線管、結構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，實現(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構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，同時實現(xiàn)了工藝和合金的減量化。第三類產(chǎn)品是圍繞高強度無縫鋼管產(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，而且強度得到明顯提升。特別是開發(fā)的高端抗硫套管產(chǎn)品，通過實施在線控制冷卻工藝，110ksi級抗硫管產(chǎn)品不僅省去了一道離線的調(diào)質(zhì)處理，而且抗硫性能等關鍵指標還提升了10%，達到30MPa?m1/2以上，真正實現(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。四、應用情況與效果本項目聚焦熱軋無縫鋼管領域關鍵共性工藝技術難題，歷經(jīng)基礎研究、中試試驗、技術開發(fā)與工程應用，實現(xiàn)熱軋無縫鋼管領域控制冷卻工業(yè)化技術與裝備的國際首創(chuàng)，引領了熱軋無縫鋼管工藝技術研究的跨越式發(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。項目自2016年4月在寶鋼PQF460產(chǎn)線工業(yè)化應用以來，取得顯著的經(jīng)濟和社會效益?；谠诰€組織調(diào)控技術，已開發(fā)出石油套管、抗硫管、管線管和結構管等為代表的系列熱軋無縫鋼管產(chǎn)品工藝技術，起到了很好的技術創(chuàng)新與應用示范，實施效果成效顯著。開發(fā)的高質(zhì)特色化產(chǎn)品已在部分下游重點用戶企業(yè)推廣應用。寶鋼BG110S/SS、C110等高強度抗硫管產(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)高強度、硬度及韌性匹配的油缸活塞桿專用高強管，通過用戶綜合評估，完全滿足用戶需求。同時，開發(fā)的管線管和結構管等產(chǎn)品，也批量用于我國儲氣庫、海工等國家重點工程和重大裝備制造領域?！盁o縫油井管在線控冷技術用于套管生產(chǎn)”的提案已通過美國石油協(xié)會（API）納標申請并正式立項，這也是我國鋼管制造企業(yè)首次牽頭修訂API標準。本項目通過熱軋無縫鋼管在線組織性能調(diào)控關鍵技術、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)化技術與裝備，實現(xiàn)了熱軋無縫鋼管成性技術領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以來，首次在熱軋無縫鋼管領域重大工藝技術上留下了中國人的印跡，促進了我國熱軋無縫鋼管工藝技術的原始創(chuàng)新。本項目通過實現(xiàn)熱軋無縫鋼管工藝技術領域工藝-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)起到很好的技術創(chuàng)新引領示范作用，并榮獲2021年冶金科技進步特等獎。該技術通過實現(xiàn)熱軋無縫鋼管領域工藝減量化、合金減量化，節(jié)能減排效果明顯，生產(chǎn)效率顯著提高，促進了熱軋鋼管行業(yè)的高品質(zhì)綠色制造，實現(xiàn)了熱軋無縫鋼管綠色高效制造的技術引領示范。通過在線組