高强塑积钢管制造工艺及其装备的研究开发

        随着国家产业发展战略对资源节约和可持续发展要求的提高，钢管生产行业越来越需要高性能、节约能源、成本低、生产效率高的钢管生产技术；随着冷弯异型管成形、内高压成形等管材二次成形技术的发展， 使“以空代实” 高强钢经济断面构件的减量化制造成为可能，为满足这些复杂变形工艺对原料钢管塑性的苛刻要求，高强塑积钢管制造工艺及其装备的研究开发引起业内的广泛关注。

图1管材在线连续热处理设备布局图

        东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室秉承理论指导生产，生产完善理论的理念，在高强塑积钢管的生产工艺开发和装备制造方面进行了长期的系统研究工作。以王国栋院士、朱伏先教授为核心的高强塑积钢管研发团队把先进高强钢(AHSS)概念和新一代TMCP技术引入到钢管生产中，将常规低碳钢无缝管或焊管通过在线热处理方式升级为具有复相组织的双相钢管和TRIP钢管，其强塑积分别可以达到20GPa•%和24GPa•%以上。以上成果是在我室自主开发制造的中频感应加热管材在线热处理试验机上研究开发成功的。另外，在我室长期研究并推广的超快冷技术基础上，骆宗安副教授成功研究开发了适于现场工程实施的管材在线连续热处理成套装备。期间，通过改进现有控冷系统冷却器的结构设计，解决了现场钢管冷速小及冷却不均匀等技术难题，将超快速冷却技术成功地应用于各类钢管的在线热处理。图1和图2分别是采用我室技术在宝鸡石油钢管厂国家石油天然气管材技术研究中心建成并投入使用的管材在线连续热处理系统布局和装备图，图3是喷水冷却形成水注圆孔的实物照片。

图2 管材连续热处理装置现场设备图                              图3 喷水冷却实物图（形成水注圆孔）

        该设备可用于不同材质不同规格（外径 Φ60.3~Φ219mm，壁厚4.0~13.72mm）石油用管材的热处理试验和工业生产。设备长56000mm，控制冷却系统（UFC）在900～1000℃温度区间冷却到500～600℃时，冷速为30～120℃/s；从500～600℃温度区间冷却至室温时，冷速≥20℃/s；水淬设备的冷却速度≥50℃/s。该设备的最大特点是将超快冷技术融入其中以实现钢管冷却过程的精确控制，自主研发的具有特殊结构设计的环形斜缝喷嘴，可以使冷却水形成水压较大的环形水孔，直径大于水孔直径的钢管通过冷却区时，钢管周向均匀接触到冷却水，达到实现快速均匀冷却的效果。该设备采用的自动控制系统，涵盖了中频感应加热、电阻炉加热保温、控制冷却、水淬等不同工艺环节，根据试验或生产需要可以进行淬火、正火、等温正火、分级正火、分级淬火、退火、回火、固溶及时效等多种热处理及其不同工艺间的自由组合。

图4 试制双相钢管冷弯成形的异型管截面形状

图5 试制TRIP钢管冷弯成形实例(a)及变形区P点的金相组织

        在高强塑积钢管制造工艺的研究方面，虽然双相钢和TRIP钢板材的连续热处理技术已较为成熟，但具体针对复相组织钢管的热处理 技术却仍未见研究报道。我室通过长期的试验研究，确立了由中频感应快速加热与新一代TMCP技术相结合的钢管热处理工艺窗口，深入研究了加热速率、缓冷制度、淬火速率、过时效制度和回火工艺等对双相钢管和TRIP钢管微观组织和力学性能的影响规律。通过控制实验钢管中各相组织的形态、硬度和体积分数配比，大幅度提高钢管的强塑积，优化了钢管的综合使用性能。以普通Q345钢化学成分为基础研究开发的双相钢管，抗拉强度可达980MPa，延伸率≥20%，具有很高的冷成形性能，1.5米长的钢管整个在线热处理时间≤30s，大幅缩短了工艺流程时间。采用试制的双相钢管经冷弯成形的复杂截面异形管如图4所示，解决了相同强度级别钢管过去根本无法冷成型的技术难题。另外，课题组以提高残余奥氏体的机械稳定性和消除屈服平台为研究目的，对TRIP钢管的化学组成和热处理工艺进行了系统试验研究。研究发现，采用近似于Q460化学成分的原料钢管通过调整两相区退火时奥氏体中的碳元素分布和贝氏体区等温制度，可以获得机械稳定性更高的残余奥氏体，并且组织中出现一定量的可动位错后，TRIP钢管拉伸曲线中的屈服平台完全消除，试制钢管的延伸率可达35%以上，将强度在700MPa左右的TRIP钢管应用于内高压成形时，三通管的胀形高度≥20mm，在复杂应力应变状态下，表现出了良好的冷成形性能。图5是试制的TRIP钢管经冷弯成形后的异形管截面示例，图5（b）是冷变形条件最为苛刻的P处显微组织，没发现裂纹和其他微观缺陷。由此可见，具有高强塑积的双相钢管和TRIP钢管均可以作为高强钢异型管和内高压成形零部件的原料钢管，还有望在抗大变形管线钢和钢结构建筑等领域中得到大面积推广应用。

        本课题实施过程中已培养博士研究生4名、硕士研究生多名，获得国家授权发明专利3项（①一种钢管的中频感应热处理装置及热处理方法： CN201110333420.8[P]；②一种钢管超快速冷却装置：CN201210345413.4[P]；③一种在线制造相变诱发塑性钢无缝管的方法： CN201110333429.9[P]），在国内外学术期刊上发表论文30余篇（其中被SCI和EI检录论文26篇）。说明本研究成果的创新性和学术价值已得到业内的认可和高度重视，具有很好的推广应用前景。