热轧无缝钢管在线控制冷却机制及形变/相变一体化在线组织调控

Hot-rolled seamless steel pipe is regarded as “blood vessel of industry”, which is an important irreplaceable steel material. For a long time, the improvement of comprehensive properties has been suffering a bottleneck because of lacking in on-line microstructure-property control methods. Aiming at controlled cooling mechanism and on-line microstructure-property control of hot-rolled seamless pipe, this project will carry out heat/flux coupled finite element simulation by ANSYS in combination with jet impinging cooling experiment to reveal the surface rheological characteristics of annular-sectioned steel pipe and to clarify the heat transfer mechanism under the condition of flow/temperature coupled fields. In addition, the uniform cooling method of asymmetric streams will be obtained. On this basis, composite secondary phase with high thermal stability is introduced to promote the intragranular ferrite nucleation. According to the “secondary phase control + high temperature rolling + controlled cooling” on-line microstructural control route, in-depth study on the synergetic control mechanism of deformation–cooling–transformation will be carried out. The deformation/transformation integration on-line microstructural control mechanism will be illustrated. The deformation/transformation integration on-line microstructural control of typical steel pipe products will be realized. This project will provide theoretical basis for establishing on-line microstructure-property control process of hot-rolled seamless pipe, which has important significance for establishing a new hot-rolled seamless pipe microstructure-property control platform and method based on controlled cooling process.

热轧无缝钢管被誉为“工业的血管”，是不可替代的重要钢铁材料。长期以来，由于缺乏有效的组织性能在线调控手段，其综合性能的全面提升面临瓶颈。本项目拟围绕热轧无缝钢管控制冷却机制及在线组织性能调控，采用ANSYS有限元热/流耦合模拟分析与射流冲击冷却实验相结合的方法，揭示环形断面下钢管表面的流体流变特性，阐明流场与温度场耦合作用下的微观换热机制，获得多束流非对称流场下的均匀化冷却方法；在此基础上，进一步引入促进铁素体晶内形核的高热稳定性复合第二相粒子，依据“第二相控制+高温热轧+控制冷却”的在线组织调控思路，深入研究变形—冷却—相变的协同控制机制，阐明形变/相变一体化在线组织调控机理，实现典型钢管产品的形变/相变一体化在线组织调控。本项目的实施将为热轧无缝钢管在线组织性能调控工艺的建立提供理论基础，对于构建基于在线控制冷却工艺的全新热轧无缝钢管组织性能调控平台和方法具有重要的意义。

热轧无缝钢管是能源、化工等领域不可替代的基础原材料，由于高温热轧和环形断面原因，缺乏有效的组织性能在线调控手段，性能提升只能依赖添加合金元素和离线热处理，基于在线控制冷却的组织调控技术亟待开发。本项目围绕热轧无缝钢管控制冷却机制及在线组织性能调控开展研究。研究了钢管内外壁冷却过程流场分布特点与温度场变化规律，阐明了钢管内外壁换热机制和非对称冷却特性。通过控制变量法研究了射流数目、射流速度、不同位置射流倾角、水温对钢管冷却特性的影响。确定了钢管轴向运行周向旋转最佳工艺参数范围为：轴向运行速度0.5m/s，旋转速度为30~45rpm，间距75~100mm。计算了各元素脱氧反应热力学并进行了铸态组织和第二相表征，Ti-Ca/Zr/Mg脱氧后形成的粒径≤2μm小尺寸氧化物占主导，有利于发挥其诱导形核作用，并促进了MnS相的分散析出。针对钢管高温成形条件，研究了系列脱氧钢在高温奥氏体化+高温变形+控制冷却工艺下的组织演变规律。1250~1300℃加热温度下适度粗化奥氏体为针状铁素体AF提供更多有效形核空间，1050℃以上终轧温度有助于微细AF的形成。进一步，高温变形条件下施加控制冷却能有效促进AF组织形成。Ti-Mg-Mn-O夹杂物具有面心立方结构，晶格常数为8.602Å。针状铁素体与Ti-Mg-Mn-O之间存在N-W取向关系，而MnS与Ti-Mg-Mn-O之间存在着(-11-1)MnS║(11-1)oxide, [-112]MnS║[011]oxide取向关系。基于实验室研究结果，开展了氮氧化物粒子协同控制的工业化技术研究，揭示了冶炼全流程节点处第二相粒子的演变规律。在Ti-Mg-Ca复合脱氧冶炼过程中，优先形成的SiO2、MnO、Al2O3粒子逐步转变为以Ti-Mg-Ca-Al-O氧化物粒子为核心，外围附着TiN或MnS析出相的复合第二相粒子。工业试制钢在线淬火冷却条件下，Ti-Mg-Ca系氧化物诱导AF相变，将奥氏体分割成若干区域，后形成的马氏体被限制在微区内，组织得到显著细化，工业生产钢管0℃冲击功为110 J，相比常规管材提升了28%。基于在线控制冷却工艺，开展了系列产品的工业化研发和生产，应用于超深井油气钻采等重大工程，体现出重要的科学价值和实际意义。