热轧无缝钢管被誉为“工业的血管”，广泛应用于核电火电、油气钻采、装备制造等领域，是不可替代的高安全性基础原材料。在常规热轧无缝钢管生产过程中，管坯成形历经高温穿孔、轧制以及定径等工艺。其生产过程具有两个典型特征，一是管坯穿孔轧制过程变形阻力大，通常需要在比其他热轧钢材更高的变形温度下完成成形过程；二是轧后钢管在空气中冷却，无法实现有效的冷却路径控制。这导致热轧钢管长期以来缺乏有效的在线组织性能调控手段，热轧态产品合格率低（以20#钢为例，30mm以上壁厚产品轧态性能合格率往往不足50%），产品性能提升只能依靠添加更多的合金元素及后续离线热处理，产品生产成本高、能源消耗量大、生产周期长，特别是在进一步提高强度、韧性以及焊接性能方面极为受限，成为制约热轧无缝钢管产品性能全面提升的瓶颈。

控制轧制与控制冷却工艺可综合利用细晶强化、析出强化和相变强化等强化机制，是有效调控热轧钢材组织、显著提升材料性能的重要手段，经四十余年快速发展，已广泛应用于热轧板带钢、型钢、棒线材等领域。然而，热轧无缝钢管有别于热轧板带钢等产品，其高温穿轧的生产工艺条件使得控制轧制技术的应用受到极大限制，环形断面的形状特点使得控制冷却技术的开发难度很大，严重制约了基于控轧控冷的在线组织性能调控技术在该领域的应用和发展。因此，实现热轧无缝钢管的成形和成形过程的在线组织性能调控，是热轧无缝钢管领域长期以来的重点攻关方向之一。

在国家自然科学基金委钢铁联合研究基金重点项目“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”（项目号：U1860201）支持下，围绕钢管的高均匀化冷却及组织性能在线调控开展了相关的基础研究工作。项目采用有限元热/流耦合模拟分析与射流冲击冷却试验相结合的方法，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，获得了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，实现典型钢管产品的形变/相变一体化在线组织调控。

1）针对管材环形断面特点，采用数值模拟和试验研究方法，系统分析了环形断面高温管材水冷过程的表面流体流场特征、换热机制、换热系数变化规律等，首次阐明了高温管材流场分布与换热的非对称特性。

研究表明，冷却水射流冲击到高温钢管外表面，流场结构可分为五个区域：自由射流区、滞止区、壁面射流区、干涉区、液滴飞溅区；外表面冷却换热区域可分为：单相强制对流换热区、壁面射流换热区。针对钢管内壁，冷却水在管内沉积，一方面冷却水与钢管内壁接触，形成壁面对流换热，另一方面，冷却水与高温壁面间形成蒸汽膜，实现膜态沸腾换热。钢管外壁表面流场特性表现为冲击射流特性，内壁流场呈层流特性；在换热机制上，外壁以单向强制对流和壁面对流换热为主，内壁以膜态沸腾换热为主，并辅以低强度的壁面对流换热。钢管在冷却过程中，内外壁流场特性及换热机制存在显著差异，冷却换热过程具有非对称性。在钢管表面的冷却介质冲击区域，随着距冲击驻点的距离逐渐增大，钢管表面轴向与周向方向的湍流动能分布差异逐渐增大。进一步采用试验方法，研究了单束射流冲击至钢管表面的流场、高温润湿区情况。在射流冲击落点附近，随着冷却时间的延长，高温管材外壁冲击驻点附近冷却后润湿区呈椭圆形分布，表明沿管材轴向和周向冷却特性不同。采用试验和数值模拟方法研究分析了多束射流冷却下钢管表面流场特性和换热特性，计算了周向不同位置的换热系数。在射流均匀分布条件下，不同象限位置热交换系数差异显著，一、二象限区域热交换强度显著大于三、四象限区域，外壁换热具有显著的象限特征。管材外壁水冷过程流场各向异性，不同象限位置热交换强度差异显著。

2）模拟高温环形炉加热工序，阐明了改进钢中有效第二相粒子在1000-1250℃高温奥氏体温度和1-60min保温时间条件下诱导针状铁素体的形核作用。揭示了适当地提高奥氏体化温度并延长保温时间有助于微细互锁的晶内铁素体形核与长大行为。模拟管坯高温变形工艺，结果表明：终轧温度在1000℃以上有利于微细晶内针状铁素体的生成，揭示了高温轧制变形对改进钢组织细化的有效作用，符合热轧无缝钢管需要高温轧制的实际工况需求。模拟管坯轧后控制冷却工艺，揭示了高温热变形（＞1000℃）+控冷条件（冷速0.15-50℃/s）对热轧管材的组织演变规律的影响，明确了获得占主导的微细针状铁素体组织的冷却工艺窗口。

通过OM、SEM、EPMA、EBSD和CLSM等检测设备对管材的显微组织演变和第二相粒子属性特征进行了系统地表征与分析。阐明了有效第二相粒子诱导针状铁素体的长大行为和相变规律，揭示了Ti-M型脱氧粒子的有效类别、尺寸范围等属性特征，并对有效第二相粒子诱导形核机制进行分析与讨论。图1为典型有效第二相粒子诱导铁素体形核及高温变形下的显微组织。通过系统分析表明，有效第二相粒子诱导形成的微细针状铁素体具有不同的晶体取向、较高的位错密度和大角度晶界取向差等特征，可以有效地阻碍裂纹快速扩展，提高管材的强韧性能。与传统Al-Ca脱氧钢相比，引入有效钛系复合脱氧工艺可有效地细化管材的组织结构，有助于获得组织及性能优异的晶内针状铁素体组织。

3）进一步提出采用TiN钉扎奥氏体晶界协同细化组织路线。研究结合电炉流程的管坯冶炼条件，进行了TiN析出行为的试验研究，揭示了获得最佳TiN析出相分布的Ti与N比例。在此基础上，以典型铁素体珠光体型Q345钢为对象开展了组织性能调控研究。研究结果表明：铸态、缓冷态、控冷态组织均有明显细化效果，其中结合控冷的组织细化效果最明显。TiN阻碍高温下奥氏体晶粒长大，对铁素体珠光体组织具有显著细化效果。提出了氮、氧化物协同控制路线，经过对电炉冶炼脱氧、微合金化等环节特殊控制，形成了稳定的冶炼工艺，应用于90t级电炉流程圆管坯的生产和不同产品的开发。

以量大面广的Q345钢管为例，阐述了氮氧化物析出相对不同类型组织调控作用的有效性。依托宝钢PQF460机组生产线进行了工业应用，轧制后分别进行了控冷及在线淬火工艺，结果表明，改进工艺钢的低温冲击韧性显著高于常规工艺钢，同比分别提升了52%和24%。