2021年冶金科学技能奖特等奖（宝武集团）：热轧无缝钢管在线安排功用调控要害技能、配备开发及使用

　　在国民经济建设中，热轧无缝钢管是一类重要的钢材类别，更是油气钻采、配备制作等要害范畴不行代替的高安全性根底原材料。热轧无缝钢管出产进程具有两个典型特征，一是实心管坯穿孔轧制进程变形阻力大，一般需求在比其它热轧钢材更高的变形温度下完结成形进程；二是轧后钢管在空气中冷却，缺少有用的冷却途径操控。这导致热轧无缝钢管长期以来缺少有用的在线安排功用调控手法，热轧态产品强度低、耐性差，合格率低（以最为根底的Q235钢为例，30mm以上壁厚产品轧态功用合格率缺乏60%），产品功用进步只能依托增加更多的合金元素及后续离线所示），管材产品同比合金元素、吨钢能耗显着高于其他钢材类别，出产本钱高、能源消耗量大、出产周期长，特别是在进一步进步强度、耐性以及焊接功用方面极为受限，成为束缚热轧无缝钢管产品功用全面进步的瓶颈。

　　控轧控冷在线安排调控作为进步钢材强韧功用和使用功用的要害环节和必要手法，自1980年代起，就已在热轧板带钢范畴广泛使用，其工艺优势也早已得到钢管职业广泛共同，并屡次列入职业开展规划大纲。但到本项目施行前，热轧钢管范畴一向未能开发成功。要害技能难题和研制概略为：

　　（1）热轧无缝钢管环形断面特征决议其冷却进程的流场和换热特征与板材存在底子差异。热轧钢管环形断面冷却进程，外壁流场结构各向异性，不同圆周曲面方位热交换强度差异显着，导致管材外外表周向冷却存在非对称性；内壁难以完结与其匹配的冷却办法，内外壁冷却进程差异显着。然后导致高温钢管水冷进程不均匀倾向大大增加，易于弯管，完全不同于板材冷却。

　　（2）国内外相继展开了很多的无缝钢管操控冷却技能攻关作业，但几无成功先例。管材操控冷却的大型成套工业化配备研制没有先例可循。自20世纪七八十年代起，以国内外钢管企业以及一相关科研机构相继展开了研讨探究和技能测验，但因为冷却均匀性难题一向没有得到有用打破，

　　，成为热轧钢管范畴世界性工艺技能难题。在本项目施行前，一些产线轧后仅配备有非常简易的冷却设备，长度1～2米，温降才能只要20～30℃。冷却才能和冷却效果非常有限；或将离线淬火机或淬火水槽安置在轧后，用于短尺度单倍尺（12米）钢管的直接淬火冷却，但长尺度2～3倍尺管材直接淬火以及精准控温冷却无法完结。

　　（3）根据热轧板带钢的低温控轧细晶机制与工艺不适用于热轧管材出产。热轧钢管需求在相对高的温度区域完结穿孔和轧制进程（终轧950～1100℃，板材终轧780~860℃），难以经过低温轧制工艺细化奥氏体安排。管坯高温变形奥氏体晶粒粗大，易于构成很多魏氏安排，恶化力学功用。现有的钒微合金化+二次加热工艺，经过VN分出诱导晶内铁素体形核细化安排，但该工艺办法需求增加贵重的钒元素，且能耗高、功率低。

　　（4）合适热轧无缝钢管高温成形特征的在线安排调控渠道技能有待研制树立。热轧钢管传统依靠增加更多合金元素和离线热处理的强化机制和出产工艺，无缝钢管相对较高的碳当量成分规划与束缚性环状结构冷却工艺匹配困难。管材环形关闭束缚断面冷却进程应力大，易曲折、易开裂。构建全新的在线安排调控渠道技能，需求结合管材高温成形特征完结成分-轧制工艺-冷却途径的一体化协同操控；且管材在种类、规范变量（壁厚、外径）、工艺参数系统以及产品相关规范束缚上更为杂乱。

　　宝钢股份自2000年起，依托140机组就曾展开过热轧无缝钢管操控冷却的探究研讨。2010年后，为进步高端产品开发才能与热处理产能，完结中低端管材短流程、高品质制作，打破中高端管材工艺开发瓶颈，宝钢屡次将开发热轧钢管在线安排调控技能归入战略开展规划。东北大学面向这一职业共性技能难题，自2006年起投入科研力气展开研讨作业。在从头审视热轧钢管在线安排调控要害技能与配备研制难点的根底上，进一步清晰了其要害科学问题，为项目展开奠定了理论根底。十二五至十三五期间，宝钢股份再次将钢管操控冷却技能列为集团渠道性、范畴性、战略性严重课题进行攻关。2013年，宝钢股份与东北大学产学研协作，协同立异，发挥高校根底研讨理论立异优势与企业产线配备及工程技能优势，联合展开本项目科研攻关作业。

　　本项目从完结热轧无缝钢管在线安排功用调控技能方针动身，针对前面说到的要害技能难题，咱们提炼出环形断面均匀化冷却机制、束缚断面温控-相变耦合与和谐机制、高温形变细晶安排调控机制等三大科学问题，聚集控冷技能配备与自动操控系统、在线安排调控工艺办法与技能、短流程系列无缝钢管产品等要害技能瓶颈，经过理论与实践相结合，构成了三个首要立异点，完结了理论、配备、工艺、产品的一体化立异，并获得了很好的使用施行效果。

　　（1）首要开宣布具有内外壁快速均匀冷却和直接淬火功用的热轧无缝钢管在线操控冷却技能与配备，并在世界上初次完结工业化安稳使用（图2）。完结了PQF460机组钢管轧后全长规范（1～3倍尺，10～36m长度）的操控冷却及直接淬火工艺。

　　针对钢管圆形外表与板材平面外表条件下存在的冷却介质流场及温度场不同的特征，提出适于热轧无缝钢管环形断面特征的非对称射流冲击冷却机制，开宣布高速率与高均匀性操控冷却技能，并开发研制出可完结内壁冷却与外壁射流冲击冷却的中心环形冷却喷环结构，终冷温度操控规模为800℃~室温，满意控温冷却和直接淬火工艺要求，完结了世界创始。一起，针对热轧无缝钢管出产工艺流程特征，树立了热轧钢管冷却进程的内外壁冷却数学模型，构建了根据水流量、冷却时刻、换热强度的均匀化冷却热交换点评办法。开宣布根据全流程工业数据的热轧钢管冷却动态自适应算法、冷却水介质压力与流量无级可调的高精度操控技能，以及管材柔性化的冷却途径和多流程工艺操控战略。完结了高效（匹配最快40s热轧节奏）、均匀（全长/周向控温精度±20℃）安稳出产，管形及直度杰出（椭圆度＜1%D，直度＜5mm/m），满意了多种类多规范热轧无缝钢管产品的出产需求。控冷配备的开发成功，同比板材操控冷却，弥补了近40年的技能距离，填补了范畴世界空白。

　　（2）树立了热轧无缝钢管在线安排调控工艺办法，开宣布根据高温变形条件和操控冷却的钢管一体化在线安排操控技能，为热轧无缝钢管出产供给全新的工艺手法。

　　以在线冷却安排调控为中心，环绕热轧无缝钢管高温穿轧成形的工艺特征，经过冷却途径的合理操控，构建了F、B、M等三大类方针安排操控的在线调控工艺技能系统，现在依托该工艺技能的产品强度等级，已到达了GPa级以上，并完结了批量安稳出产。如图3所示。进而在热轧无缝钢管范畴，根据新成分系统规划，构成了细晶强化、相变强化、分出强化的归纳强化机制。一起，针对钢管高温变形条件（终轧950～1100℃），将钛微合金化技能引进热轧无缝钢管范畴，并结合在线冷却工艺，完结了典型种类“成分-高温变形-操控冷却”的协同调控，终究获得了高温终轧条件下类同于“控轧控冷”的安排细化效果，显着改进了低温耐性，为高功用先进管材产品的开宣布产供给了全新的技能手法。整体上看，咱们树立的以操控冷却为中心的在线安排调控办法，，完全改变了无缝钢管以往过度依靠于合金化和离线热处理的被动局面，打破了传统工艺瓶颈，拓荒了钢管高质高效制作新工艺新办法。

　　图3 热轧无缝钢管在线）首要开宣布高等级油套管、管线管、结构管等热轧无缝钢管根据在线操控冷却和淬火的全新成分系统及工艺技能，完结了热轧无缝钢管系列产品的短流程出产。

　　在产品方面，首要环绕量大面广的结构管和低钢级管线管产品，经过差异化的在线控冷工艺，处理了热轧态安排粗大和不均匀的工艺难题，省去了离线正火工序，完结了工艺减量化。其次是针对中高钢级的管线管产品，开发了低碳当量和低合金本钱的全新钢种，并经过在线淬火工艺代替了离线淬火处理，一起完结了工艺和合金的减量化。第三类产品是环绕高强度无缝钢管产品，在量大面广的API套管方面，经过在线淬火代替离线淬火，不只缩短了工艺流程，并且强度得到了显着进步。特别是咱们开发的高端抗硫套管产品，经过施行在线ksi级抗硫管产品不只省去了一道离线的调质处理，并且抗硫功用等要害目标还进步了10%，到达30MPa∙m1/2以上，真实完结了工艺减量化和产品的功用高质化。然后，在整体上完结了典型无缝管产品根据在线安排调控的短流程出产及流程再造。

　　本项目聚集热轧无缝钢管范畴要害共性工艺技能难题，历经根底研讨、中试实验、技能开发与工程使用，完结热轧无缝钢管范畴操控冷却工业化技能与配备的世界创始，引领了热轧无缝钢管工艺技能研讨的跨越式开展，为热轧钢管产品开发供给了在线安排调控渠道性技能。使用施行后到达的相关技能目标如表1所示。

　　项目自2016年4月在宝钢PQF460产线工业化使用以来，获得显着的经济和社会效益。到2020年12月，根据在线安排调控技能，已开宣布石油套管（N80-P110）、抗硫管（110ksi）、管线#）等为代表的系列热轧无缝钢管产品工艺技能。累计出产量达87.0255万吨，累计增收45741万元，其间近三年增收达3.2亿元以上，起到了很好的技能立异与使用演示，施行效果成效显着。

　　选用在线安排功用调控技能，开发的高质特征化产品已在部分下流要点用户企业推行使用。宝钢BG110S/SS、C110等高强度抗硫管产品已批量用于我国塔里木、中石化西北局等我国为数很少的超深井工程中，支撑了国家油气资源的安全开发。选用控冷工艺代替离线调质工艺，初次开宣布非调质态高强度、硬度及耐性匹配的油缸活塞杆专用高强管，经过用户归纳点评，完全满意用户需求。一起，开发的管线管和结构管等产品，也批量用于我国储气库、海工等国家要点工程和严重配备制作范畴。

　　“无缝油井管在线控冷技能用于套管出产”的提案已经过美国石油协会（API）纳标请求并正式立项，这也是我国钢管制作企业初次牵头修订API规范。

　　在技能目标先进性方面，因为本项目触及的配备和工艺技能归于世界首发，因而与传统工艺进行比较，在降本、减排、高效、提质等四大方面，均全面抢先国内外先进热轧无缝钢管出产企业的技能目标水平，详细见表2所示。

　　本项目效果授权创造专利及软件著作权合计22件，构成企业技能秘密9件，宣布相关学术论文19篇。该项技能效果已成为宝钢无缝钢管开宣布产的渠道性技能。

　　2020年12月24日，我国钢铁工业协会安排专家对本项目技能效果进行了点评，点评委员会点评以为，项目开发的设备运转安稳，产品功用和直度等目标满意要求，节能减排效果显着，出产功率显着进步，在职业起到了演示效果，促进了我国热轧无缝钢管技能的原始立异，经济和社会效益显着，使用远景宽广。点评委员会共同以为该效果整体上到达了世界抢先水平。

　　（1）本项目效果之一的钢管操控冷却技能“Controlled cooling technology for online control of hot-rolled steel microstructure”入围世界钢铁协会2018年第9届“Steelie”年度立异奖。

　　（2）本项目效果之一的“无缝油井管在线控冷技能用于套管出产”的提案经过2019年美国石油协会（API）纳标请求，完结了我国钢管制作企业牵头修订API规范的初次打破。

　　（3）国务院国有资产监督管理委员会发布新闻“宝钢股份成为全球首家把握热轧无缝管在线控冷技能企业”。

　　（4）我国职业技能媒体《世界金属导报》将“热轧无缝管工业化在线控冷技能完结世界创始”评选为2018年度世界钢铁工业十大技能要闻，并位列首位。

　　本项目经过热轧无缝钢管在线安排功用调控要害技能、配备及产品工艺的自主立异，特别是成功开宣布热轧无缝钢管操控冷却工业化技能与配备，完结了热轧无缝钢管成性技能范畴中心配备的世界创始，完全改变了热轧无缝钢管在产品工艺技能手法上过度依靠合金化和离线年德国曼内斯曼创造无缝钢管穿孔轧制技能以来，初次在热轧无缝钢管范畴严重工艺技能上留下了我国人的印迹，促进了我国热轧无缝钢管工艺技能的原始立异。本项目经过完结热轧无缝钢管工艺技能范畴工艺-配备-产品的一体化立异打破，大幅度革新了传统出产工艺办法和流程，完结了典型无缝管产品根据在线安排调控的流程再造。现在已快速在我国热轧钢管职业起到很好的技能立异引领演示效果。

　　项目效果在节能、减排、高效制作等方面也效益显着。项目效果经过完结热轧无缝钢管范畴工艺减量化、合金减量化，节能减排效果显着，出产功率显着进步，促进了热轧钢管职业的高品质绿色制作，完结了热轧无缝钢管绿色高效制作的技能引领演示。经过在线安排功用调控，典型钢种系列规范产品革除离线正火或再加热淬火工序，在节约离线热处理工序本钱的一起，控冷产品的能耗均匀下降20kgce/t以上，削减CO2排放量50kg/t，均匀制作周期缩短3天以上。根据操控冷却的热轧无缝钢管在线安排调控技能，以（较）低碳当量完结同钢级高功用管材出产、显着改进使用功用和归纳功用，关于进一步开发高强耐性易焊接特征化产品将起到重要支撑效果。项目效果可广泛推行使用于我国钢铁企业绝大多数热轧无缝钢管机组产线，关于推进我国无缝钢管企业增效提质具有严重意义。

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