一、項目背景
在國民經(jīng)濟建設中，熱軋無(wú)縫鋼管是一類(lèi)重要的鋼材門(mén)類(lèi)，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原材料。熱軋無(wú)縫鋼管生產(chǎn)過(guò)程具有兩個(gè)典型特征，一是實(shí)心管坯穿孔軋制過(guò)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(guò)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(wú)縫鋼管長(cháng)期以來(lái)缺乏有效的在線(xiàn)組織性能調控手段，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離線(xiàn)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(mén)類(lèi)，生產(chǎn)成本高、能源消耗量大、生產(chǎn)周期長(cháng)，特別是在進(jìn)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(wú)縫鋼管產(chǎn)品性能全面提升的瓶頸。
圖1 熱軋無(wú)縫鋼管的傳統生產(chǎn)工藝流程
控軋控冷在線(xiàn)組織調控作為提升鋼材強韌性能和使用性能的關(guān)鍵環(huán)節和必要手段，自1980年代起，就已在熱軋板帶鋼領(lǐng)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)展規劃綱要。但截至本項目實(shí)施前，熱軋鋼管領(lǐng)域始終未能開(kāi)發(fā)成功。關(guān)鍵技術(shù)難題和研發(fā)概況為：
?。?）熱軋無(wú)縫鋼管環(huán)形斷面特點(diǎn)決定其冷卻過(guò)程的流場(chǎng)和換熱特點(diǎn)與板材存在根本區別。熱軋鋼管環(huán)形斷面冷卻過(guò)程，外壁流場(chǎng)結構各向異性，不同圓周曲面位置熱交換強度差異顯著(zhù)，導致管材外表面周向冷卻存在非對稱(chēng)性；內壁難以實(shí)現與其匹配的冷卻方法，內外壁冷卻過(guò)程差異顯著(zhù)。從而導致高溫鋼管水冷過(guò)程不均勻傾向大大增加，易于彎管，完全不同于板材冷卻。
?。?）國內外相繼開(kāi)展了大量的無(wú)縫鋼管控制冷卻技術(shù)攻關(guān)工作，但幾無(wú)成功先例。管材控制冷卻的大型成套工業(yè)化裝備研制沒(méi)有先例可循。自20世紀七八十年代起，以國內外鋼管企業(yè)以及一相關(guān)科研機構相繼開(kāi)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(méi)有得到有效突破，大型工業(yè)化裝備一直未能開(kāi)發(fā)成功，成為熱軋鋼管領(lǐng)域國際性工藝技術(shù)難題。在本項目實(shí)施前，一些產(chǎn)線(xiàn)軋后僅配置有非常簡(jiǎn)易的冷卻裝置，長(cháng)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；或將離線(xiàn)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(cháng)尺寸2～3倍尺管材直接淬火以及精準控溫冷卻無(wú)法實(shí)現。
?。?）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域完成穿孔和軋制過(guò)程（終軋950～1100℃，板材終軋780~860℃），難以通過(guò)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(xué)性能?，F有的釩微合金化+二次加熱工藝，通過(guò)VN析出誘導晶內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。
?。?）適合熱軋無(wú)縫鋼管高溫成形特點(diǎn)的在線(xiàn)組織調控平臺技術(shù)有待研發(fā)建立。熱軋鋼管傳統依賴(lài)添加更多合金元素和離線(xiàn)熱處理的強化機制和生產(chǎn)工藝，無(wú)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(guò)程應力大，易彎曲、易開(kāi)裂。構建全新的在線(xiàn)組織調控平臺技術(shù)，需要結合管材高溫成形特點(diǎn)實(shí)現成分-軋制工藝-冷卻路徑的一體化協(xié)同控制；且管材在品種、規格變量（壁厚、外徑）、工藝參數體系以及產(chǎn)品相關(guān)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(kāi)展過(guò)熱軋無(wú)縫鋼管控制冷卻的探索研究。2010年后，為提升高端產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力與熱處理產(chǎn)能，實(shí)現中低端管材短流程、高品質(zhì)制造，突破中高端管材工藝開(kāi)發(fā)瓶頸，寶鋼多次將開(kāi)發(fā)熱軋鋼管在線(xiàn)組織調控技術(shù)納入戰略發(fā)展規劃。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(kāi)展研究工作。在重新審視熱軋鋼管在線(xiàn)組織調控關(guān)鍵技術(shù)與裝備研發(fā)難點(diǎn)的基礎上，進(jìn)一步明確了其關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，為項目開(kāi)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(shù)列為集團平臺性、領(lǐng)域性、戰略性重大課題進(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?；A研究理論創(chuàng )新優(yōu)勢與企業(yè)產(chǎn)線(xiàn)裝備及工程技術(shù)優(yōu)勢，聯(lián)合開(kāi)展本項目科研攻關(guān)工作。
二、主要技術(shù)內容與創(chuàng )新點(diǎn)
本項目從實(shí)現熱軋無(wú)縫鋼管在線(xiàn)組織性能調控技術(shù)目標出發(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制、約束斷面溫控-相變耦合與協(xié)調機制、高溫形變細晶組織調控機制等三大科學(xué)問(wèn)題，聚焦控冷技術(shù)裝備與自動(dòng)控制系統、在線(xiàn)組織調控工藝方法與技術(shù)、短流程系列無(wú)縫鋼管產(chǎn)品等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，通過(guò)理論與實(shí)踐相結合，形成了三個(gè)主要創(chuàng )新點(diǎn)，實(shí)現了理論、裝備、工藝、產(chǎn)品的一體化創(chuàng )新，并取得了很好的應用實(shí)施效果。
?。?）率先開(kāi)發(fā)出具有內外壁快速均勻冷卻和直接淬火功能的熱軋無(wú)縫鋼管在線(xiàn)控制冷卻技術(shù)與裝備，并在國際上首次實(shí)現工業(yè)化穩定應用（圖2）。實(shí)現了PQF460機組鋼管軋后全長(cháng)規格（1～3倍尺，10～36m長(cháng)度）的控制冷卻及直接淬火工藝。
圖2 開(kāi)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(chǎng)及溫度場(chǎng)不同的特征，提出適于熱軋無(wú)縫鋼管環(huán)形斷面特點(diǎn)的非對稱(chēng)射流沖擊冷卻機制，開(kāi)發(fā)出高速率與高均勻性控制冷卻技術(shù)，并開(kāi)發(fā)研制出可實(shí)現內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(mǎn)足控溫冷卻和直接淬火工藝要求，實(shí)現了國際首創(chuàng )。同時(shí)，針對熱軋無(wú)縫鋼管生產(chǎn)工藝流程特點(diǎn)，建立了熱軋鋼管冷卻過(guò)程的內外壁冷卻數學(xué)模型，構建了基于水流量、冷卻時(shí)間、換熱強度的均勻化冷卻熱交換評價(jià)方法。開(kāi)發(fā)出基于全流程工業(yè)數據的熱軋鋼管冷卻動(dòng)態(tài)自適應算法、冷卻水介質(zhì)壓力與流量無(wú)級可調的高精度控制技術(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)現了高效（匹配最快40s熱軋節奏）、均勻（全長(cháng)/周向控溫精度±20℃）穩定生產(chǎn)，管形及直度良好（橢圓度＜1%D，直度＜5mm/m），滿(mǎn)足了多品種多規格熱軋無(wú)縫鋼管產(chǎn)品的生產(chǎn)需求?？乩溲b備的開(kāi)發(fā)成功，同比板材控制冷卻，彌補了近40年的技術(shù)差距，填補了領(lǐng)域國際空白。
?。?）建立了熱軋無(wú)縫鋼管在線(xiàn)組織調控工藝方法，開(kāi)發(fā)出基于高溫變形條件和控制冷卻的鋼管一體化在線(xiàn)組織控制技術(shù)，為熱軋無(wú)縫鋼管生產(chǎn)提供全新的工藝手段。
以在線(xiàn)冷卻組織調控為核心，圍繞熱軋無(wú)縫鋼管高溫穿軋成形的工藝特點(diǎn)，通過(guò)冷卻路徑的合理控制，構建了F、B、M等三大類(lèi)目標組織控制的在線(xiàn)調控工藝技術(shù)體系，目前依托該工藝技術(shù)的產(chǎn)品強度級別，已達到了GPa級以上，并實(shí)現了批量穩定生產(chǎn)。如圖3所示。進(jìn)而在熱軋無(wú)縫鋼管領(lǐng)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(shí)，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(wú)縫鋼管領(lǐng)域，并結合在線(xiàn)冷卻工藝，實(shí)現了典型品種“成分-高溫變形-控制冷卻”的協(xié)同調控，最終獲得了高溫終軋條件下類(lèi)同于“控軋控冷”的組織細化效果，顯著(zhù)改善了低溫韌性，為高性能先進(jìn)管材產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)提供了全新的技術(shù)手段?？傮w上看，我們建立的以控制冷卻為核心的在線(xiàn)組織調控方法，，徹底扭轉了無(wú)縫鋼管以往過(guò)度依賴(lài)于合金化和離線(xiàn)熱處理的被動(dòng)局面，突破了傳統工藝瓶頸，開(kāi)辟了鋼管高質(zhì)高效制造新工藝新方法。
圖3 熱軋無(wú)縫鋼管在線(xiàn)控制冷卻工藝
?。?）率先開(kāi)發(fā)出高等級油套管、管線(xiàn)管、結構管等熱軋無(wú)縫鋼管基于在線(xiàn)控制冷卻和淬火的全新成分體系及工藝技術(shù)，實(shí)現了熱軋無(wú)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(xiàn)管產(chǎn)品，通過(guò)差異化的在線(xiàn)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(xiàn)正火工序，實(shí)現了工藝減量化。其次是針對中高鋼級的管線(xiàn)管產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)了低碳當量和低合金成本的全新鋼種，并通過(guò)在線(xiàn)淬火工藝替代了離線(xiàn)淬火處理，同時(shí)實(shí)現了工藝和合金的減量化。第三類(lèi)產(chǎn)品是圍繞高強度無(wú)縫鋼管產(chǎn)品，在量大面廣的API套管方面，通過(guò)在線(xiàn)淬火替代離線(xiàn)淬火，不僅縮短了工藝流程，而且強度得到了明顯提升。特別是我們開(kāi)發(fā)的高端抗硫套管產(chǎn)品，通過(guò)實(shí)施在線(xiàn)控冷以后，110ksi級抗硫管產(chǎn)品不僅省去了一道離線(xiàn)的調質(zhì)處理，而且抗硫性能等關(guān)鍵指標還提升了10%，達到30MPa?m1/2以上，真正實(shí)現了工藝減量化和產(chǎn)品的性能高質(zhì)化。從而，在總體上實(shí)現了典型無(wú)縫管產(chǎn)品基于在線(xiàn)組織調控的短流程生產(chǎn)及流程再造。
三、項目應用實(shí)施效果及先進(jìn)性
本項目聚焦熱軋無(wú)縫鋼管領(lǐng)域關(guān)鍵共性工藝技術(shù)難題，歷經(jīng)基礎研究、中試試驗、技術(shù)開(kāi)發(fā)與工程應用，實(shí)現熱軋無(wú)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(wú)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(kāi)發(fā)提供了在線(xiàn)組織調控平臺性技術(shù)。應用實(shí)施后達到的相關(guān)技術(shù)指標如表1所示。
表1 項目成果達到的主要技術(shù)指標
項目自2016年4月在寶鋼PQF460產(chǎn)線(xiàn)工業(yè)化應用以來(lái)，取得顯著(zhù)的經(jīng)濟和社會(huì )效益。截至2020年12月，基于在線(xiàn)組織調控技術(shù)，已開(kāi)發(fā)出石油套管（N80-P110）、抗硫管（110ksi）、管線(xiàn)管（X52-X70）和結構管（Q355-Q460、20#）等為代表的系列熱軋無(wú)縫鋼管產(chǎn)品工藝技術(shù)。累計生產(chǎn)量達87.0255萬(wàn)噸，累計增收45741萬(wàn)元，其中近三年增收達3.2億元以上，起到了很好的技術(shù)創(chuàng )新與應用示范，實(shí)施效果成效顯著(zhù)。
采用在線(xiàn)組織性能調控技術(shù)，開(kāi)發(fā)的高質(zhì)特色化產(chǎn)品已在部分下游重點(diǎn)用戶(hù)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極少的超深井工程中，支撐了國家油氣資源的安全開(kāi)發(fā)。采用控冷工藝替代離線(xiàn)調質(zhì)工藝，首次開(kāi)發(fā)出非調質(zhì)態(tài)高強度、硬度及韌性匹配的油缸活塞桿專(zhuān)用高強管，通過(guò)用戶(hù)綜合評估，完全滿(mǎn)足用戶(hù)需求。同時(shí)，開(kāi)發(fā)的管線(xiàn)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(diǎn)工程和重大裝備制造領(lǐng)域。
“無(wú)縫油井管在線(xiàn)控冷技術(shù)用于套管生產(chǎn)”的提案已通過(guò)美國石油協(xié)會(huì )（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。
在技術(shù)指標先進(jìn)性方面，由于本項目涉及的裝備和工藝技術(shù)屬于國際首發(fā)，因此與傳統工藝進(jìn)行比較，在降本、減排、高效、提質(zhì)等四大方面，均全面領(lǐng)先國內外先進(jìn)熱軋無(wú)縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)指標水平，具體見(jiàn)表2所示。
表2 主要技術(shù)指標的先進(jìn)性對比
本項目成果授權發(fā)明專(zhuān)利及軟件著(zhù)作權共計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。該項技術(shù)成果已成為寶鋼無(wú)縫鋼管開(kāi)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(huì )組織專(zhuān)家對本項目技術(shù)成果進(jìn)行了評價(jià)，評價(jià)委員會(huì )評價(jià)認為，項目開(kāi)發(fā)的設備運行穩定，產(chǎn)品性能和直度等指標滿(mǎn)足要求，節能減排效果明顯，生產(chǎn)效率顯著(zhù)提高，在行業(yè)起到了示范作用，促進(jìn)了我國熱軋無(wú)縫鋼管技術(shù)的原始創(chuàng )新，經(jīng)濟和社會(huì )效益顯著(zhù)，應用前景廣闊。評價(jià)委員會(huì )一致認為該成果總體上達到了國際領(lǐng)先水平。
四、項目成果的行業(yè)影響
?。?）本項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(huì )2018年第9屆“Steelie”年度創(chuàng )新獎。
?。?）本項目成果之一的“無(wú)縫油井管在線(xiàn)控冷技術(shù)用于套管生產(chǎn)”的提案通過(guò)2019年美國石油協(xié)會(huì )（API）納標申請，實(shí)現了我國鋼管制造企業(yè)牽頭修訂API標準的首次突破。
?。?）國務(wù)院國有資產(chǎn)監督管理委員會(huì )發(fā)布新聞“寶鋼股份成為全球首家掌握熱軋無(wú)縫管在線(xiàn)控冷技術(shù)企業(yè)”。
?。?）我國行業(yè)技術(shù)媒體《世界金屬導報》將“熱軋無(wú)縫管工業(yè)化在線(xiàn)控冷技術(shù)實(shí)現國際首創(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。
五、對行業(yè)的重要意義
本項目通過(guò)熱軋無(wú)縫鋼管在線(xiàn)組織性能調控關(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(kāi)發(fā)出熱軋無(wú)縫鋼管控制冷卻工業(yè)化技術(shù)與裝備，實(shí)現了熱軋無(wú)縫鋼管成性技術(shù)領(lǐng)域核心裝備的國際首創(chuàng )，徹底扭轉了熱軋無(wú)縫鋼管在產(chǎn)品工藝技術(shù)手段上過(guò)度依賴(lài)合金化和離線(xiàn)熱處理的局面，是自1885年德國曼內斯曼發(fā)明無(wú)縫鋼管穿孔軋制技術(shù)以來(lái)，首次在熱軋無(wú)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(wú)縫鋼管工藝技術(shù)的原始創(chuàng )新。本項目通過(guò)實(shí)現熱軋無(wú)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，大幅度變革了傳統生產(chǎn)工藝方法和流程，實(shí)現了典型無(wú)縫管產(chǎn)品基于在線(xiàn)組織調控的流程再造。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。
項目成果在節能、減排、高效制造等方面也效益顯著(zhù)。項目成果通過(guò)實(shí)現熱軋無(wú)縫鋼管領(lǐng)域工藝減量化、合金減量化，節能減排效果明顯，生產(chǎn)效率顯著(zhù)提高，促進(jìn)了熱軋鋼管行業(yè)的高品質(zhì)綠色制造，實(shí)現了熱軋無(wú)縫鋼管綠色高效制造的技術(shù)引領(lǐng)示范。通過(guò)在線(xiàn)組織性能調控，典型鋼種系列規格產(chǎn)品免除離線(xiàn)正火或再加熱淬火工序，在節省離線(xiàn)熱處理工序成本的同時(shí)，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?；诳刂评鋮s的熱軋無(wú)縫鋼管在線(xiàn)組織調控技術(shù)，以（較）低碳當量實(shí)現同鋼級高性能管材生產(chǎn)、顯著(zhù)改善使用性能和綜合性能，對于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高強韌性易焊接特色化產(chǎn)品將起到重要支撐作用。項目成果可廣泛推廣應用于我國鋼鐵企業(yè)絕大多數熱軋無(wú)縫鋼管機組產(chǎn)線(xiàn)，對于推動(dòng)我國無(wú)縫鋼管企業(yè)增效提質(zhì)具有重大意義。
