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熱軋無縫鋼管被譽(yù)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(gè)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(shí)現(xiàn)有效的冷卻路徑控制。這導(dǎo)致熱軋鋼管長(zhǎng)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(zhǎng)，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。

控制軋制與控制冷卻工藝可綜合利用細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和相變強(qiáng)化等強(qiáng)化機(jī)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(diǎn)使得控制冷卻技術(shù)的開發(fā)難度很大，嚴(yán)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(shí)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(zhǎng)期以來的重點(diǎn)攻關(guān)方向之一。

在國(guó)家自然科學(xué)基金委鋼鐵聯(lián)合研究基金重點(diǎn)項(xiàng)目“熱軋無縫鋼管在線控制冷卻機(jī)制及形變/相變一體化在線組織調(diào)控”（項(xiàng)目號(hào)：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(xiàng)目采用有限元熱/流耦合模擬分析與射流沖擊冷卻試驗(yàn)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(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合作用下的微觀換熱機(jī)制，獲得了多束流非對(duì)稱流場(chǎng)下的均勻化冷卻方法。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入促進(jìn)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(jī)制，實(shí)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(duì)管材環(huán)形斷面特點(diǎn)，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)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(chǎng)特征、換熱機(jī)制、換熱系數(shù)變化規(guī)律等，首次闡明了高溫管材流場(chǎng)分布與換熱的非對(duì)稱特性。

研究表明，冷卻水射流沖擊到高溫鋼管外表面，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)可分為五個(gè)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：?jiǎn)蜗鄰?qiáng)制對(duì)流換熱區(qū)、壁面射流換熱區(qū)。針對(duì)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(duì)流換熱，另一方面，冷卻水與高溫壁面間形成蒸汽膜，實(shí)現(xiàn)膜態(tài)沸騰換熱。鋼管外壁表面流場(chǎng)特性表現(xiàn)為沖擊射流特性，內(nèi)壁流場(chǎng)呈層流特性；在換熱機(jī)制上，外壁以單向強(qiáng)制對(duì)流和壁面對(duì)流換熱為主，內(nèi)壁以膜態(tài)沸騰換熱為主，并輔以低強(qiáng)度的壁面對(duì)流換熱。鋼管在冷卻過程中，內(nèi)外壁流場(chǎng)特性及換熱機(jī)制存在顯著差異，冷卻換熱過程具有非對(duì)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(diǎn)的距離逐漸增大，鋼管表面軸向與周向方向的湍流動(dòng)能分布差異逐漸增大。進(jìn)一步采用試驗(yàn)方法，研究了單束射流沖擊至鋼管表面的流場(chǎng)、高溫潤(rùn)濕區(qū)情況。在射流沖擊落點(diǎn)附近，隨著冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，高溫管材外壁沖擊駐點(diǎn)附近冷卻后潤(rùn)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(yàn)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(chǎng)特性和換熱特性，計(jì)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(qiáng)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(chǎng)各向異性，不同象限位置熱交換強(qiáng)度差異顯著。

2）模擬高溫環(huán)形爐加熱工序，闡明了改進(jìn)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(shí)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(zhǎng)保溫時(shí)間有助于微細(xì)互鎖的晶內(nèi)鐵素體形核與長(zhǎng)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(xì)晶內(nèi)針狀鐵素體的生成，揭示了高溫軋制變形對(duì)改進(jìn)鋼組織細(xì)化的有效作用，符合熱軋無縫鋼管需要高溫軋制的實(shí)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(duì)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(xì)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(cè)設(shè)備對(duì)管材的顯微組織演變和第二相粒子屬性特征進(jìn)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(zhǎng)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(duì)有效第二相粒子誘導(dǎo)形核機(jī)制進(jìn)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(xì)針狀鐵素體具有不同的晶體取向、較高的位錯(cuò)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(kuò)展，提高管材的強(qiáng)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(xì)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(jìn)一步提出采用TiN釘扎奧氏體晶界協(xié)同細(xì)化組織路線。研究結(jié)合電爐流程的管坯冶煉條件，進(jìn)行了TiN析出行為的試驗(yàn)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(duì)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(xì)化效果，其中結(jié)合控冷的組織細(xì)化效果最明顯。TiN阻礙高溫下奧氏體晶粒長(zhǎng)大，對(duì)鐵素體珠光體組織具有顯著細(xì)化效果。提出了氮、氧化物協(xié)同控制路線，經(jīng)過對(duì)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(jí)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(duì)不同類型組織調(diào)控作用的有效性。依托寶鋼P(yáng)QF460機(jī)組生產(chǎn)線進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用，軋制后分別進(jìn)行了控冷及在線淬火工藝，結(jié)果表明，改進(jìn)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%。