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熱軋無縫鋼管被譽為“工業(yè)的血管”，廣泛應(yīng)用于核電火電、油氣鉆采、裝備制造等領(lǐng)域，是不可替代的高安全性基礎(chǔ)原材料。在常規(guī)熱軋無縫鋼管生產(chǎn)過程中，管坯成形歷經(jīng)高溫穿孔、軋制以及定徑等工藝。其生產(chǎn)過程具有兩個典型特征，一是管坯穿孔軋制過程變形阻力大，通常需要在比其他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，無法實現(xiàn)有效的冷卻路徑控制。這導(dǎo)致熱軋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)品合格率低（以20#鋼為例，30mm以上壁厚產(chǎn)品軋態(tài)性能合格率往往不足50%），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，產(chǎn)品生產(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。

控制軋制與控制冷卻工藝可綜合利用細晶強化、析出強化和相變強化等強化機制，是有效調(diào)控?zé)彳堜摬慕M織、顯著提升材料性能的重要手段，經(jīng)四十余年快速發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于熱軋板帶鋼、型鋼、棒線材等領(lǐng)域。然而，熱軋無縫鋼管有別于熱軋板帶鋼等產(chǎn)品，其高溫穿軋的生產(chǎn)工藝條件使得控制軋制技術(shù)的應(yīng)用受到極大限制，環(huán)形斷面的形狀特點使得控制冷卻技術(shù)的開發(fā)難度很大，嚴重制約了基于控軋控冷的在線組織性能調(diào)控技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。因此，實現(xiàn)熱軋無縫鋼管的成形和成形過程的在線組織性能調(diào)控，是熱軋無縫鋼管領(lǐng)域長期以來的重點攻關(guān)方向之一。

在國家自然科學(xué)基金委鋼鐵聯(lián)合研究基金重點項目“熱軋無縫鋼管在線控制冷卻機制及形變/相變一體化在線組織調(diào)控”（項目號：U1860201）支持下，圍繞鋼管的高均勻化冷卻及組織性能在線調(diào)控開展了相關(guān)的基礎(chǔ)研究工作。項目采用有限元熱/流耦合模擬分析與射流沖擊冷卻試驗相結(jié)合的方法，揭示環(huán)形斷面下鋼管表面的流體流變特性，闡明流場與溫度場耦合作用下的微觀換熱機制，獲得了多束流非對稱流場下的均勻化冷卻方法。在此基礎(chǔ)上，進一步引入促進鐵素體晶內(nèi)形核的高熱穩(wěn)定性復(fù)合第二相粒子，依據(jù)“第二相控制＋高溫?zé)彳垼刂评鋮s”的在線組織調(diào)控思路，深入研究變形-冷卻-相變的協(xié)同控制機制，實現(xiàn)典型鋼管產(chǎn)品的形變/相變一體化在線組織調(diào)控。

1）針對管材環(huán)形斷面特點，采用數(shù)值模擬和試驗研究方法，系統(tǒng)分析了環(huán)形斷面高溫管材水冷過程的表面流體流場特征、換熱機制、換熱系數(shù)變化規(guī)律等，首次闡明了高溫管材流場分布與換熱的非對稱特性。

研究表明，冷卻水射流沖擊到高溫鋼管外表面，流場結(jié)構(gòu)可分為五個區(qū)域：自由射流區(qū)、滯止區(qū)、壁面射流區(qū)、干涉區(qū)、液滴飛濺區(qū)；外表面冷卻換熱區(qū)域可分為：單相強制對流換熱區(qū)、壁面射流換熱區(qū)。針對鋼管內(nèi)壁，冷卻水在管內(nèi)沉積，一方面冷卻水與鋼管內(nèi)壁接觸，形成壁面對流換熱，另一方面，冷卻水與高溫壁面間形成蒸汽膜，實現(xiàn)膜態(tài)沸騰換熱。鋼管外壁表面流場特性表現(xiàn)為沖擊射流特性，內(nèi)壁流場呈層流特性；在換熱機制上，外壁以單向強制對流和壁面對流換熱為主，內(nèi)壁以膜態(tài)沸騰換熱為主，并輔以低強度的壁面對流換熱。鋼管在冷卻過程中，內(nèi)外壁流場特性及換熱機制存在顯著差異，冷卻換熱過程具有非對稱性。在鋼管表面的冷卻介質(zhì)沖擊區(qū)域，隨著距沖擊駐點的距離逐漸增大，鋼管表面軸向與周向方向的湍流動能分布差異逐漸增大。進一步采用試驗方法，研究了單束射流沖擊至鋼管表面的流場、高溫潤濕區(qū)情況。在射流沖擊落點附近，隨著冷卻時間的延長，高溫管材外壁沖擊駐點附近冷卻后潤濕區(qū)呈橢圓形分布，表明沿管材軸向和周向冷卻特性不同。采用試驗和數(shù)值模擬方法研究分析了多束射流冷卻下鋼管表面流場特性和換熱特性，計算了周向不同位置的換熱系數(shù)。在射流均勻分布條件下，不同象限位置熱交換系數(shù)差異顯著，一、二象限區(qū)域熱交換強度顯著大于三、四象限區(qū)域，外壁換熱具有顯著的象限特征。管材外壁水冷過程流場各向異性，不同象限位置熱交換強度差異顯著。

2）模擬高溫環(huán)形爐加熱工序，闡明了改進鋼中有效第二相粒子在1000-1250℃高溫奧氏體溫度和1-60min保溫時間條件下誘導(dǎo)針狀鐵素體的形核作用。揭示了適當(dāng)?shù)靥岣邐W氏體化溫度并延長保溫時間有助于微細互鎖的晶內(nèi)鐵素體形核與長大行為。模擬管坯高溫變形工藝，結(jié)果表明：終軋溫度在1000℃以上有利于微細晶內(nèi)針狀鐵素體的生成，揭示了高溫軋制變形對改進鋼組織細化的有效作用，符合熱軋無縫鋼管需要高溫軋制的實際工況需求。模擬管坯軋后控制冷卻工藝，揭示了高溫?zé)嶙冃危ǎ?000℃）+控冷條件（冷速0.15-50℃/s）對熱軋管材的組織演變規(guī)律的影響，明確了獲得占主導(dǎo)的微細針狀鐵素體組織的冷卻工藝窗口。

通過OM、SEM、EPMA、EBSD和CLSM等檢測設(shè)備對管材的顯微組織演變和第二相粒子屬性特征進行了系統(tǒng)地表征與分析。闡明了有效第二相粒子誘導(dǎo)針狀鐵素體的長大行為和相變規(guī)律，揭示了Ti-M型脫氧粒子的有效類別、尺寸范圍等屬性特征，并對有效第二相粒子誘導(dǎo)形核機制進行分析與討論。圖1為典型有效第二相粒子誘導(dǎo)鐵素體形核及高溫變形下的顯微組織。通過系統(tǒng)分析表明，有效第二相粒子誘導(dǎo)形成的微細針狀鐵素體具有不同的晶體取向、較高的位錯密度和大角度晶界取向差等特征，可以有效地阻礙裂紋快速擴展，提高管材的強韌性能。與傳統(tǒng)Al-Ca脫氧鋼相比，引入有效鈦系復(fù)合脫氧工藝可有效地細化管材的組織結(jié)構(gòu)，有助于獲得組織及性能優(yōu)異的晶內(nèi)針狀鐵素體組織。

3）進一步提出采用TiN釘扎奧氏體晶界協(xié)同細化組織路線。研究結(jié)合電爐流程的管坯冶煉條件，進行了TiN析出行為的試驗研究，揭示了獲得最佳TiN析出相分布的Ti與N比例。在此基礎(chǔ)上，以典型鐵素體珠光體型Q345鋼為對象開展了組織性能調(diào)控研究。研究結(jié)果表明：鑄態(tài)、緩冷態(tài)、控冷態(tài)組織均有明顯細化效果，其中結(jié)合控冷的組織細化效果最明顯。TiN阻礙高溫下奧氏體晶粒長大，對鐵素體珠光體組織具有顯著細化效果。提出了氮、氧化物協(xié)同控制路線，經(jīng)過對電爐冶煉脫氧、微合金化等環(huán)節(jié)特殊控制，形成了穩(wěn)定的冶煉工藝，應(yīng)用于90t級電爐流程圓管坯的生產(chǎn)和不同產(chǎn)品的開發(fā)。

以量大面廣的Q345鋼管為例，闡述了氮氧化物析出相對不同類型組織調(diào)控作用的有效性。依托寶鋼PQF460機組生產(chǎn)線進行了工業(yè)應(yīng)用，軋制后分別進行了控冷及在線淬火工藝，結(jié)果表明，改進工藝鋼的低溫沖擊韌性顯著高于常規(guī)工藝鋼，同比分別提升了52%和24%。