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熱軋無縫鋼管被譽為“工業的血管”，廣泛應用于核電火電、油氣鉆采、裝備制造等領域，是不可替代的高安全性基礎原材料。在常規熱軋無縫鋼管生產過程中，管坯成形歷經高溫穿孔、軋制以及定徑等工藝。其生產過程具有兩個典型特征，一是管坯穿孔軋制過程變形阻力大，通常需要在比其他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，無法實現有效的冷卻路徑控制。這導致熱軋鋼管長期以來缺乏有效的在線組織性能調控手段，熱軋態產品合格率低（以20#鋼為例，30mm以上壁厚產品軋態性能合格率往往不足50%），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，產品生產成本高、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。

控制軋制與控制冷卻工藝可綜合利用細晶強化、析出強化和相變強化等強化機制，是有效調控熱軋鋼材組織、顯著提升材料性能的重要手段，經四十余年快速發展，已廣泛應用于熱軋板帶鋼、型鋼、棒線材等領域。然而，熱軋無縫鋼管有別于熱軋板帶鋼等產品，其高溫穿軋的生產工藝條件使得控制軋制技術的應用受到極大限制，環形斷面的形狀特點使得控制冷卻技術的開發難度很大，嚴重制約了基于控軋控冷的在線組織性能調控技術在該領域的應用和發展。因此，實現熱軋無縫鋼管的成形和成形過程的在線組織性能調控，是熱軋無縫鋼管領域長期以來的重點攻關方向之一。

在國家自然科學基金委鋼鐵聯合研究基金重點項目“熱軋無縫鋼管在線控制冷卻機制及形變/相變一體化在線組織調控”（項目號：U1860201）支持下，圍繞鋼管的高均勻化冷卻及組織性能在線調控開展了相關的基礎研究工作。項目采用有限元熱/流耦合模擬分析與射流沖擊冷卻試驗相結合的方法，揭示環形斷面下鋼管表面的流體流變特性，闡明流場與溫度場耦合作用下的微觀換熱機制，獲得了多束流非對稱流場下的均勻化冷卻方法。在此基礎上，進一步引入促進鐵素體晶內形核的高熱穩定性復合第二相粒子，依據“第二相控制＋高溫熱軋＋控制冷卻”的在線組織調控思路，深入研究變形-冷卻-相變的協同控制機制，實現典型鋼管產品的形變/相變一體化在線組織調控。

1）針對管材環形斷面特點，采用數值模擬和試驗研究方法，系統分析了環形斷面高溫管材水冷過程的表面流體流場特征、換熱機制、換熱系數變化規律等，首次闡明了高溫管材流場分布與換熱的非對稱特性。

研究表明，冷卻水射流沖擊到高溫鋼管外表面，流場結構可分為五個區域：自由射流區、滯止區、壁面射流區、干涉區、液滴飛濺區；外表面冷卻換熱區域可分為：單相強制對流換熱區、壁面射流換熱區。針對鋼管內壁，冷卻水在管內沉積，一方面冷卻水與鋼管內壁接觸，形成壁面對流換熱，另一方面，冷卻水與高溫壁面間形成蒸汽膜，實現膜態沸騰換熱。鋼管外壁表面流場特性表現為沖擊射流特性，內壁流場呈層流特性；在換熱機制上，外壁以單向強制對流和壁面對流換熱為主，內壁以膜態沸騰換熱為主，并輔以低強度的壁面對流換熱。鋼管在冷卻過程中，內外壁流場特性及換熱機制存在顯著差異，冷卻換熱過程具有非對稱性。在鋼管表面的冷卻介質沖擊區域，隨著距沖擊駐點的距離逐漸增大，鋼管表面軸向與周向方向的湍流動能分布差異逐漸增大。進一步采用試驗方法，研究了單束射流沖擊至鋼管表面的流場、高溫潤濕區情況。在射流沖擊落點附近，隨著冷卻時間的延長，高溫管材外壁沖擊駐點附近冷卻后潤濕區呈橢圓形分布，表明沿管材軸向和周向冷卻特性不同。采用試驗和數值模擬方法研究分析了多束射流冷卻下鋼管表面流場特性和換熱特性，計算了周向不同位置的換熱系數。在射流均勻分布條件下，不同象限位置熱交換系數差異顯著，一、二象限區域熱交換強度顯著大于三、四象限區域，外壁換熱具有顯著的象限特征。管材外壁水冷過程流場各向異性，不同象限位置熱交換強度差異顯著。

2）模擬高溫環形爐加熱工序，闡明了改進鋼中有效第二相粒子在1000-1250℃高溫奧氏體溫度和1-60min保溫時間條件下誘導針狀鐵素體的形核作用。揭示了適當地提高奧氏體化溫度并延長保溫時間有助于微細互鎖的晶內鐵素體形核與長大行為。模擬管坯高溫變形工藝，結果表明：終軋溫度在1000℃以上有利于微細晶內針狀鐵素體的生成，揭示了高溫軋制變形對改進鋼組織細化的有效作用，符合熱軋無縫鋼管需要高溫軋制的實際工況需求。模擬管坯軋后控制冷卻工藝，揭示了高溫熱變形（＞1000℃）+控冷條件（冷速0.15-50℃/s）對熱軋管材的組織演變規律的影響，明確了獲得占主導的微細針狀鐵素體組織的冷卻工藝窗口。

通過OM、SEM、EPMA、EBSD和CLSM等檢測設備對管材的顯微組織演變和第二相粒子屬性特征進行了系統地表征與分析。闡明了有效第二相粒子誘導針狀鐵素體的長大行為和相變規律，揭示了Ti-M型脫氧粒子的有效類別、尺寸范圍等屬性特征，并對有效第二相粒子誘導形核機制進行分析與討論。圖1為典型有效第二相粒子誘導鐵素體形核及高溫變形下的顯微組織。通過系統分析表明，有效第二相粒子誘導形成的微細針狀鐵素體具有不同的晶體取向、較高的位錯密度和大角度晶界取向差等特征，可以有效地阻礙裂紋快速擴展，提高管材的強韌性能。與傳統Al-Ca脫氧鋼相比，引入有效鈦系復合脫氧工藝可有效地細化管材的組織結構，有助于獲得組織及性能優異的晶內針狀鐵素體組織。

3）進一步提出采用TiN釘扎奧氏體晶界協同細化組織路線。研究結合電爐流程的管坯冶煉條件，進行了TiN析出行為的試驗研究，揭示了獲得最佳TiN析出相分布的Ti與N比例。在此基礎上，以典型鐵素體珠光體型Q345鋼為對象開展了組織性能調控研究。研究結果表明：鑄態、緩冷態、控冷態組織均有明顯細化效果，其中結合控冷的組織細化效果最明顯。TiN阻礙高溫下奧氏體晶粒長大，對鐵素體珠光體組織具有顯著細化效果。提出了氮、氧化物協同控制路線，經過對電爐冶煉脫氧、微合金化等環節特殊控制，形成了穩定的冶煉工藝，應用于90t級電爐流程圓管坯的生產和不同產品的開發。

以量大面廣的Q345鋼管為例，闡述了氮氧化物析出相對不同類型組織調控作用的有效性。依托寶鋼PQF460機組生產線進行了工業應用，軋制后分別進行了控冷及在線淬火工藝，結果表明，改進工藝鋼的低溫沖擊韌性顯著高于常規工藝鋼，同比分別提升了52%和24%。