一、項目背景
在國民經濟建設中，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控手段，熱軋態產品強度低、韌性差，合格率低（以最為基礎的Q235鋼為例，30mm以上壁厚產品軋態性能合格率不足60%），產品性能提升只能依靠添加更多的合金元素及后續離線熱處理（如圖1所示），管材產品同比合金元素、噸鋼能耗明顯高于其他鋼材門類，生產成本高、能源消耗量大、生產周期長，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品性能全面提升的瓶頸。
圖1 熱軋無縫鋼管的傳統生產工藝流程
控軋控冷在線組織調控作為提升鋼材強韌性能和使用性能的關鍵環節和必要手段，自1980年代起，就已在熱軋板帶鋼領域廣泛應用，其工藝優勢也早已得到鋼管行業廣泛共識，并多次列入行業發展規劃綱要。但截至本項目實施前，熱軋鋼管領域始終未能開發成功。關鍵技術難題和研發概況為：
（1）熱軋無縫鋼管環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別。熱軋鋼管環形斷面冷卻過程，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；內壁難以實現與其匹配的冷卻方法，內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化裝備研制沒有先例可循。自20世紀七八十年代起，以國內外鋼管企業以及一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，大型工業化裝備一直未能開發成功，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；或將離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。
（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。熱軋鋼管需要在相對高的溫度區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。現有的釩微合金化+二次加熱工藝，通過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。
（4）適合熱軋無縫鋼管高溫成形特點的在線組織調控平臺技術有待研發建立。熱軋鋼管傳統依賴添加更多合金元素和離線熱處理的強化機制和生產工藝，無縫鋼管相對較高的碳當量成分設計與約束性環狀結構冷卻工藝匹配困難。管材環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控平臺技術，需要結合管材高溫成形特點實現成分-軋制工藝-冷卻路徑的一體化協同控制；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，為提升高端產品開發能力與熱處理產能，實現中低端管材短流程、高品質制造，突破中高端管材工藝開發瓶頸，寶鋼多次將開發熱軋鋼管在線組織調控技術納入戰略發展規劃。東北大學面向這一行業共性技術難題，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控關鍵技術與裝備研發難點的基礎上，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、戰略性重大課題進行攻關。2013年，寶鋼股份與東北大學產學研合作，協同創新，發揮高校基礎研究理論創新優勢與企業產線裝備及工程技術優勢，聯合開展本項目科研攻關工作。
二、主要技術內容與創新點
本項目從實現熱軋無縫鋼管在線組織性能調控技術目標出發，針對前面提到的關鍵技術難題，我們提煉出環形斷面均勻化冷卻機制、約束斷面溫控-相變耦合與協調機制、高溫形變細晶組織調控機制等三大科學問題，聚焦控冷技術裝備與自動控制系統、在線組織調控工藝方法與技術、短流程系列無縫鋼管產品等關鍵技術瓶頸，通過理論與實踐相結合，形成了三個主要創新點，實現了理論、裝備、工藝、產品的一體化創新，并取得了很好的應用實施效果。
（1）率先開發出具有內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工業化穩定應用（圖2）。實現了PQF460機組鋼管軋后全長規格（1～3倍尺，10～36m長度）的控制冷卻及直接淬火工藝。
圖2 開發的國際首套熱軋鋼管控制冷卻工業化裝備及應用
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流場及溫度場不同的特征，提出適于熱軋無縫鋼管環形斷面特點的非對稱射流沖擊冷卻機制，開發出高速率與高均勻性控制冷卻技術，并開發研制出可實現內壁冷卻與外壁射流沖擊冷卻的核心環形冷卻噴環結構，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，實現了國際首創。同時，針對熱軋無縫鋼管生產工藝流程特點，建立了熱軋鋼管冷卻過程的內外壁冷卻數學模型，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。開發出基于全流程工業數據的熱軋鋼管冷卻動態自適應算法、冷卻水介質壓力與流量無級可調的高精度控制技術，以及管材柔性化的冷卻路徑和多流程工藝控制策略。實現了高效（匹配最快40s熱軋節奏）、均勻（全長/周向控溫精度±20℃）穩定生產，管形及直度良好（橢圓度＜1%D，直度＜5mm/m），滿足了多品種多規格熱軋無縫鋼管產品的生產需求。控冷裝備的開發成功，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控工藝方法，開發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提供全新的工藝手段。
以在線冷卻組織調控為核心，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控工藝技術體系，目前依托該工藝技術的產品強度級別，已達到了GPa級以上，并實現了批量穩定生產。如圖3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，實現了典型品種“成分-高溫變形-控制冷卻”的協同調控，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品的開發生產提供了全新的技術手段。總體上看，我們建立的以控制冷卻為核心的在線組織調控方法，，徹底扭轉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，突破了傳統工藝瓶頸，開辟了鋼管高質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
（3）率先開發出高等級油套管、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，實現了熱軋無縫鋼管系列產品的短流程生產。
在產品方面，首先圍繞量大面廣的結構管和低鋼級管線管產品，通過差異化的在線控冷工藝，解決了熱軋態組織粗大和不均勻的工藝難題，省去了離線正火工序，實現了工藝減量化。其次是針對中高鋼級的管線管產品，開發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，同時實現了工藝和合金的減量化。第三類產品是圍繞高強度無縫鋼管產品，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，而且強度得到了明顯提升。特別是我們開發的高端抗硫套管產品，通過實施在線控冷以后，110ksi級抗硫管產品不僅省去了一道離線的調質處理，而且抗硫性能等關鍵指標還提升了10%，達到30MPa?m1/2以上，真正實現了工藝減量化和產品的性能高質化。從而，在總體上實現了典型無縫管產品基于在線組織調控的短流程生產及流程再造。
三、項目應用實施效果及先進性
本項目聚焦熱軋無縫鋼管領域關鍵共性工藝技術難題，歷經基礎研究、中試試驗、技術開發與工程應用，實現熱軋無縫鋼管領域控制冷卻工業化技術與裝備的國際首創，引領了熱軋無縫鋼管工藝技術研究的跨越式發展，為熱軋鋼管產品開發提供了在線組織調控平臺性技術。應用實施后達到的相關技術指標如表1所示。
表1 項目成果達到的主要技術指標
項目自2016年4月在寶鋼PQF460產線工業化應用以來，取得顯著的經濟和社會效益。截至2020年12月，基于在線組織調控技術，已開發出石油套管（N80-P110）、抗硫管（110ksi）、管線管（X52-X70）和結構管（Q355-Q460、20#）等為代表的系列熱軋無縫鋼管產品工藝技術。累計生產量達87.0255萬噸，累計增收45741萬元，其中近三年增收達3.2億元以上，起到了很好的技術創新與應用示范，實施效果成效顯著。
采用在線組織性能調控技術，開發的高質特色化產品已在部分下游重點用戶企業推廣應用。寶鋼BG110S/SS、C110等高強度抗硫管產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發。采用控冷工藝替代離線調質工藝，首次開發出非調質態高強度、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，開發的管線管和結構管等產品，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。
“無縫油井管在線控冷技術用于套管生產”的提案已通過美國石油協會（API）納標申請并正式立項，這也是我國鋼管制造企業首次牽頭修訂API標準。
在技術指標先進性方面，由于本項目涉及的裝備和工藝技術屬于國際首發，因此與傳統工藝進行比較，在降本、減排、高效、提質等四大方面，均全面領先國內外先進熱軋無縫鋼管生產企業的技術指標水平，具體見表2所示。
表2 主要技術指標的先進性對比
本項目成果授權發明專利及軟件著作權共計22件，形成企業技術秘密9件，發表相關學術論文19篇。該項技術成果已成為寶鋼無縫鋼管開發生產的平臺性技術。
2020年12月24日，中國鋼鐵工業協會組織專家對本項目技術成果進行了評價，評價委員會評價認為，項目開發的設備運行穩定，產品性能和直度等指標滿足要求，節能減排效果明顯，生產效率顯著提高，在行業起到了示范作用，促進了我國熱軋無縫鋼管技術的原始創新，經濟和社會效益顯著，應用前景廣闊。評價委員會一致認為該成果總體上達到了國際領先水平。
四、項目成果的行業影響
（1）本項目成果之一的鋼管控制冷卻技術“Controlled cooling technology for online control of hot-rolled steel microstructure”入圍世界鋼鐵協會2018年第9屆“Steelie”年度創新獎。
（2）本項目成果之一的“無縫油井管在線控冷技術用于套管生產”的提案通過2019年美國石油協會（API）納標申請，實現了我國鋼管制造企業牽頭修訂API標準的首次突破。
（3）國務院國有資產監督管理委員會發布新聞“寶鋼股份成為全球首家掌握熱軋無縫管在線控冷技術企業”。
（4）我國行業技術媒體《世界金屬導報》將“熱軋無縫管工業化在線控冷技術實現國際首創”評選為2018年度世界鋼鐵工業十大技術要聞，并位列首位。
五、對行業的重要意義
本項目通過熱軋無縫鋼管在線組織性能調控關鍵技術、裝備及產品工藝的自主創新，特別是成功開發出熱軋無縫鋼管控制冷卻工業化技術與裝備，實現了熱軋無縫鋼管成性技術領域核心裝備的國際首創，徹底扭轉了熱軋無縫鋼管在產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年德國曼內斯曼發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新。本項目通過實現熱軋無縫鋼管工藝技術領域工藝-裝備-產品的一體化創新突破，大幅度變革了傳統生產工藝方法和流程，實現了典型無縫管產品基于在線組織調控的流程再造。目前已快速在我國熱軋鋼管行業起到很好的技術創新引領示范作用。
項目成果在節能、減排、高效制造等方面也效益顯著。項目成果通過實現熱軋無縫鋼管領域工藝減量化、合金減量化，節能減排效果明顯，生產效率顯著提高，促進了熱軋鋼管行業的高品質綠色制造，實現了熱軋無縫鋼管綠色高效制造的技術引領示范。通過在線組織性能調控，典型鋼種系列規格產品免除離線正火或再加熱淬火工序，在節省離線熱處理工序成本的同時，控冷產品的能耗平均降低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控技術，以（較）低碳當量實現同鋼級高性能管材生產、顯著改善使用性能和綜合性能，對于進一步開發高強韌性易焊接特色化產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絕大多數熱軋無縫鋼管機組產線，對于推動我國無縫鋼管企業增效提質具有重大意義。
