CN113025904B - 一种热轧无缝钢管及其形变相变一体化组织调控方法 - Google Patents

一种热轧无缝钢管及其形变相变一体化组织调控方法 Download PDF

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Abstract

一种热轧无缝钢管及其形变相变一体化组织调控方法，属于热轧无缝钢管生产领域。该热轧无缝钢管包括的元素为：C：0.04～0.4％，Si：0.1～0.8％，Mn：0.3～2.5％，P：0.001～0.03％，S：0.001～0.03％，Al：0.001～0.05％，Ti：0.003～0.03％，Mg+Ca+Zr+B：0.001～0.01％，O：0.001～0.008％，N：0.003～0.012％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。其调控方法是通过对钢管化学成分和夹杂物分布进行优化设计，通过冶炼、轧制和冷却工艺的合理控制，利用特殊夹杂物颗粒发挥组织细化作用，消除粗大的晶界铁素体、魏氏组织和侧板条铁素体等不利组织，获得细晶粒组织，改善了管材的强韧性能。

Description

一种热轧无缝钢管及其形变相变一体化组织调控方法
技术领域
本发明属于热轧无缝钢管生产技术领域，特别涉及一种热轧无缝钢管及其形变相变一体化组织调控方法。
背景技术
热轧无缝钢管是国民基础建设和工业制造等领域不可或缺的重要热轧门类，对推动经济社会快速发展具有重要的作用，广泛应用在石油、核电、锅炉、桥梁和汽车等海洋设备及工程机械领域。但是随着工业制造技术提高，对热轧无缝钢管组织调控手段提出更高的要求。众所周知，对于热轧无缝钢管而言，因为截面属于异形断面，这就需要高温变形来减弱其变形抗力。一般而言，热轧无缝钢管变形工序集中在1000℃左右或以上来完成，并且后续多采用自然冷却空冷的方式。在高温变形状态下，钢管晶粒尺寸不能显著细化，非常容易产生不均匀的带状组织及尺寸粗大的轧后异常组织，特别是魏氏组织，导致力学性能恶化而无法满足产品预期要求。另外，部分产品水冷后也容易得到上贝氏体、侧板条铁素体，同样损害管材的低温韧性。对此，为了消除钢管高温热轧及无法有效控冷而形成的异常组织及其造成的性能下降，常采用离线热处理或在线热处理方法改善钢管显微组织和性能，这无疑增加了生产成本。
专利文件CN110408862A一种无缝钢管、制造方法及其应用。该方法在连铸过程中采用电磁搅拌工序，然后对坯料进行轧制，后续进行强制冷却、淬火及回火处理得到无缝钢管。为了减少后续生产过程轧制缺陷和为后续制造晶粒细小、均匀的成品管坯，在连铸中的附加的电磁搅拌设备。增加了一道电磁搅拌工序，增加了制造成本，另外附加了淬火及回火处理，增加能源消耗不利于行业可持续发展。
专利CN102373324A公开了一种热轧钢管的热处理工艺，为了消除经轧制后钢管残余的魏氏组织、提高其组织结构均匀性，将钢管再次加热至830～845℃，保温30～35min，然后空冷。此方法采用离线热处理工艺，虽有效地消除了管材中的魏氏组织结构，但增加了一道加热工序，造成了能源消耗，不利于钢管行业节能减排和绿色化制造。
专利CN102581555A公开了一种P91无缝钢管及其制备方法，该制备方法将坯料进行高温扩散退火或低温等温退火；然后经过均热后对坯料进行热轧穿孔，定径，冷却；以及将钢管加热到1040～1080℃，进行正火，保温后冷却，然后加热到750～800℃进行回火，保温后冷却，制得内部组织致密的无缝钢管。此方法额外增加了坯料高温退火工艺，另外后续附加正火和回火等工序，工序繁多，能源消耗大。
专利CN104388653A公开了一种热轧12Cr1MoV无缝钢管后处理工艺及其所得钢管，对所述热轧无缝钢管进行正火热处理，得到正火后钢管后，接着进行矫直处理，最后进行回火热处理。有效消除了残余应力和性质不稳定的问题，但是正火及后续回火工艺同样增加了制造成本及能源消耗。
专利CN103194681A公开了一种含稀土核电用无缝钢管的制备方法，在冶炼过程中添加钒元素和微量稀土元素镧和铈，轧管后续配合890～940℃正火处理，实现了细化晶粒和改善韧性的目的，然而钒、镧和铈均属于稀有贵重元素，同时附加再加热正火处理，生产成本显著提高。
从上述现有技术来看，在热轧无缝钢管固有的高温轧制工艺条件下，目前主要通过离线热处理手段来改善或消除轧后异常组织，降低对钢管性能的危害。但这些手段存在生产效率低、资源能源消耗大以及增加污染排放等显著问题，不符合钢铁行业绿色化转型发展需求。为此，需要开发新的工艺手段，提高生产效率，降低资源能源消耗，有效改善热轧无缝钢管轧后组织，提高力学性能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种热轧无缝钢管及其形变相变一体化组织调控方法，对钢管化学成分和夹杂物分布进行优化设计，通过冶炼、轧制和冷却工艺的合理控制，利用特殊夹杂物颗粒发挥组织细化作用，消除粗大的晶界铁素体、魏氏组织和侧板条铁素体等不利组织，获得细晶粒组织，改善了管材的强韧性能。本发明解决了目前热轧无缝钢管生产中容易产生尺寸粗大的轧后异常组织而导致力学性能恶化的问题，减少了贵重合金加入量，避免了后续热处理工序，在低生产成本和高生产效率的条件下有效改善热轧无缝钢管的轧态显微组织，提高了钢管的力学性能。
本发明采取如下技术方案：
一种热轧无缝钢管形变相变一体化组织调控方法，包括以下步骤：
步骤1：冶炼和制坯
(1)冶炼
将铁水和/或废钢料熔炼得到钢水；当钢水温度为1600～1700℃并且钢水中碳质量分数为0.03～0.15％、磷质量分数为0.001～0.03％、硫质量分数为0.005～0.04％时出钢，出钢过程中加入脱氧剂进行脱氧合金化，控制炉后钢水溶解氧质量分数0.001～0.015％，得到炉后钢水；
(2)精炼
采用LF炉对炉后钢水进行精炼，精炼时间为15～75min，精炼过程中升温至1550～1650℃，进行造渣脱硫并调整钢水成分达到各个元素的质量分数为：碳0.04～0.4％、硅0.1～0.8％、锰0.3～2.5％、磷0.001～0.03％、硫0.001～0.03％、铝0.001～0.05％、氮0.003～0.012％；
精炼过程中钢水中的溶解氧质量分数为0.0001～0.01％时，喂入钛基包芯线，然后软吹2～20min，进行均匀化处理，软吹后的钢水中钛质量分数为0.003～0.03％、镁、钙、锆、硼的质量分数之和为0.001～0.01％、总氧质量分数为0.001～0.008％、溶解氧质量分数为0.0001～0.0025％；
(3)制坯
调整钢水中各个元素含量达到钢管化学成分要求，进行连铸，得到连铸管坯，或者钢水浇铸成铸锭后再进行热轧或热锻成管坯；
步骤2：加热和轧制
(1)将管坯加热至1200～1300℃，加热时间30～300min，得到加热后的管坯；
(2)将加热后的管坯出炉后进行高压水除鳞，再进行穿孔，得到穿孔毛管；
(3)将穿孔毛管进入连轧管机组进行连续轧制，得到荒管，连轧机出口温度1000～1200℃；
(4)荒管经过定减径轧制，得到符合尺寸要求的轧后钢管，其中，定减径轧制出口温度为950～1150℃；
步骤3：冷却
将轧后钢管通过以下方式中的一种进行冷却：
第一种：将轧后钢管在空气中自然冷却至室温；
第二种：将轧后钢管送入冷却机组，以5～50℃/s的冷速加速冷却至500～750℃，然后至于冷床空冷。
在步骤1的(1)中，熔炼在转炉或电炉中进行。
在步骤1的(1)中，脱氧剂为硅、锰、铝中的一种或多种，或炼钢常用脱氧剂。
在步骤1的(2)中，钛基包芯线为含有钛并含有镁、钙、锆、硼中的至少一种的合金粉末的包芯线，其中，所述的合金粉末的粒径小于3mm，所述的合金粉末含有的化学成分及各个成分的质量百分比为：Ti：18～60％，Mg+Ca+Zr+B：10～50％，Si：0.1～50％，Mn：0.1～50％，O：0.1～15％，Al：0.1～15％，余量为铁和不可避免的杂质元素。
在步骤1的(2)中，钛基包芯线的外径为8～13mm，喂线速度为80～240m/min。
在步骤1的(2)中，LF炉精炼后，采用RH或VD精炼进行钢水脱气去夹杂处理，使得钢中尺寸在5μm以上的夹杂物的数量＜100个/mm3，在采用RH或VD精炼时，钛基包芯线的喂入位置为LF工位或RH/VD工位中的一处或两处。
在步骤1的(3)中，管坯中夹杂物成分中含有氧化钛的夹杂物的数量为100～2000个/mm2，管坯的显微组织类型为铁素体珠光体组织和/或针状铁素体组织。
在步骤2的(1)中，将管坯采用热送热装或冷坯装炉二次加热方式，采用的管坯加热炉为环形加热炉或步进式加热炉。
在步骤2的(2)中，穿孔温度为1150～1280℃。
在步骤3中，加速冷却方式采用在轧后钢管外表面喷水或喷雾冷却，或轧后钢管内外表面同时喷水或喷雾冷却，冷却过程中，伴随轧后钢管持续旋转运动。
采用上述热轧无缝钢管形变相变一体化组织调控方法，制备的热轧无缝钢管，钢管壁厚为10～50mm，外径为80～450mm。
采用上述热轧无缝钢管形变相变一体化组织调控方法，制备的热轧无缝钢管，其包括的化学元素及各个化学元素的质量百分含量为：C：0.04～0.4％，Si：0.1～0.8％，Mn：0.3～2.5％，P：0.001～0.03％，S：0.001～0.03％，Al：0.001～0.05％，Ti：0.003～0.03％，Mg+Ca+Zr+B：0.001～0.01％，O：0.001～0.008％，N：0.003～0.012％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
所述的热轧无缝钢管，其还可以包括以下化学元素中的一种或多种，各个化学元素的质量百分含量为：Cr：0.01～1％，Mo：0.01～1％，Ni：0.01～1％，Cu：0.01～1％，Nb：0.01～0.2％，V：0.01～0.2％。
所述的热轧无缝钢管，其钢中尺寸为0.05～0.5μm的夹杂物的数量为500～2000个/mm2，尺寸在＞0.5～5μm的夹杂物的数量为300～1500个/mm2；尺寸在0.05～5μm的夹杂物中，按夹杂物颗粒数量计，成分中含有氧化钛、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氮化钛、氮化硼、碳硼化铁、硫化锰中的两种或两种以上物质的复合夹杂物的数量占10～90％，并且这些复合夹杂物的平均间距＜100μm。
所述的热轧无缝钢管，其显微组织类型为铁素体珠光体和/或贝氏体组织，其中铁素体为多边形状、准多边形状、粒状或针状中的一种或多种，贝氏体为粒状、针状或板条状中的一种或多种，并且，侧板条铁素体体积分数含量<10％。
采用本发明的热轧无缝钢管形变相变一体化组织调控方法，制备的热轧无缝钢管屈服强度300～800MPa，0℃冲击韧性≥50J。
本发明技术方案的设计思想为：
热轧无缝钢管生产具有以下特点：由于钢管属于异型断面结构，从钢坯到成品形状变化复杂，难以通过奥氏体低温再结晶区变形或未再结晶区变形实现组织细化。因此，钢管轧制变形在很高的温度下完成，这就导致了晶粒异常粗大，轧管在水冷后非常容易形成粗大的侧板条铁素体如魏氏组织，尤其在冷却过快条件下形成粗大上贝氏体组织。钢管材料洁净度要求较高，需要脱氧脱硫处理，但是夹杂物无法根除，而特意根除夹杂物也会增加冶炼成本。为了消除损害韧性的异常粗大显微组织，当前主要利用后续热处理来改善组织均匀性，消除异常的粗大组织结构。本发明针对热轧钢管生产中的冶炼和轧制冷却过程进行优化控制，利用特殊夹杂物钉扎和诱导细晶等联合机制，将不利因素转化为有利条件实现高温细晶的强化效果。一方面省却了离线热处理等生产环节。另一方面，显著地降低了侧板条铁素体组织如魏氏组织、上贝氏体组织的含量，有效地减弱了这些组织对管材韧性的损害，获得有利的目标组织，进而实现形变相变的一体化在线组织调控。
为了实现这一目标，本发明对热轧无缝钢管材料的化学成分和夹杂物进行了优化设计：一方面，提高较廉价的C、Si、Mn固溶强化元素含量，减少了较贵重元素含量；另一方面，利用优化冶炼工艺及钛基包芯线进行夹杂物的特殊控制，以生成所预期类型、数量和尺寸的夹杂物在钢中弥散均匀分布。本发明通过研究发现，在满足本发明方案所规定的夹杂物分布形态时，在钢管高温热轧及控制冷却过程中，能够钉扎奥氏体晶界并能促进细晶组织转变，在高温奥氏体变形条件下抑制轧后异常组织诸如魏氏组织的形成，具有明显的强韧化效果。并且热轧无缝钢管的高温轧制变形及后续冷却满足了一体化设计，摆脱了离线热处理工艺带来的低效率、高能耗和高成本的问题。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明充分利用管材中有效夹杂物特点，通过成分和工艺控制将无用的夹杂物转变成有益的组织细化粒子，通过钉扎晶界及诱导相变作用，从而有效抑制粗大的异常相变组织，改善钢管组织性能；
2、本发明采用高温轧制变形，符合热轧无缝钢管的轧制工艺特点，降低了生产操作难度，并且省却了离线热处理工序，可提高生产效率，节约能源消耗，降低生产成本，实现在线一体化调控，有利于技术的推广应用；
3、本发明方案克服了现有技术在实施过程中经常出现的成分难控、浇铸不顺、铸坯质量缺陷、轧制负荷高、管形不良等问题，具有生产稳定易控的优点。
4、本发明采用具有丰富储量的价格较低廉的合金元素，充分发挥其组织性能调控作用，降低了生产成本，减少了贵重合金资源的消耗，有利于可持续发展。
附图说明
图1为本发明实施例1热轧无缝钢管的光学显微组织图。
图2为本发明对比例1热轧无缝钢管的光学显微组织图。
图3为本发明实施例2热轧无缝钢管的光学显微组织图。
图4为本发明实施例4热轧无缝钢管的光学显微组织图。
具体实施方式
下面通过实施例详细介绍本发明方案的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于实施例。
实施例1
一种热轧无缝钢管形变相变一体化组织调控方法，包括以下步骤：
步骤1：冶炼和制坯
采用转炉将铁水熔炼成钢水，当钢水温度为1660℃并且钢水中碳质量分数为0.05％、磷质量分数为0.02％、硫质量分数为0.03％时出钢，出钢过程中加入硅脱氧合金化，钢水溶解氧质量分数0.005％，得到炉后钢水；
进行LF精炼，造渣脱硫并调整钢水成分，精炼时间25min，升温至1550℃；精炼过程中钢水溶解氧质量分数为0.001％时，以120m/min喂入钛基包芯线，钛基包芯线由钢带和粒径小于3mm的合金粉末制成，外径为10mm，合金粉末的化学成分质量百分比为：Ti：25％，Mg：45％，Si：0.5％，Mn：12％，O：2％，Al：6％，余量为铁和不可避免的杂质元素；喂线后然后软吹5min，进行均匀化处理，软吹后钢水中钛质量分数为0.008％、镁的质量分数为0.006％、总氧质量分数为0.002％、溶解氧质量分数为0.0005％；
调整钢水元素含量达到钢管化学成分要求，进行连铸，得到连铸管坯；连铸管坯所含夹杂物中，内部含有氧化钛的夹杂物的数量为1540个/mm2，管坯的显微组织类型为铁素体珠光体组织；
步骤2：加热和轧制
连铸管坯热送热装至环形加热炉加热，加热温度1220℃，加热时间60min，得到加热后的管坯；管坯出炉后进行高压水除鳞，再进行穿孔，穿孔温度为1200℃，得到穿孔毛管；将穿孔毛管进入连轧管机组进行连续轧制，连轧机出口温度1020℃，得到荒管；荒管经过定减径轧制，定减径轧制出口温度为980℃，得到符合尺寸要求的轧后钢管；
步骤3：冷却
将轧后钢管在空气中自然冷却至室温；
制备的热轧无缝钢管，钢管壁厚为10mm，外径为80mm；
制备的热轧无缝钢管，其包括的化学元素及各个化学元素的质量百分含量为：C：0.06％，Si：0.13％，Mn：1.2％，P：0.02％，S：0.01％，Al：0.006％，Ti：0.008％，Mg：0.006％，O：0.002％，N：0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质元素；
制备的热轧无缝钢管，其钢中尺寸为0.05～0.5μm的夹杂物的数量为1860个/mm2，尺寸在＞0.5～5μm的夹杂物的数量为450个/mm2；尺寸在0.05～5μm的夹杂物中，按夹杂物颗粒数量计，成分中含有氧化钛、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氮化钛、氮化硼、碳硼化铁、硫化锰中的两种或两种以上物质的复合夹杂物的数量占26％，并且这些复合夹杂物的平均间距40μm；
制备的热轧无缝钢管，其显微组织图见图1，通过图1可以看出其显微组织类型为铁素体珠光体组织，铁素体为多边形状和准多边形状，其中还有少量侧板条铁素体，但侧板条铁素体体积分数含量仅为5％；所制备钢管的组织得到均匀细化，有利于力学性能的稳定提高。
经过组织性能检测，该实施例制备的热轧无缝钢管屈服强度360MPa，0℃冲击韧性260J。
实施例2
一种热轧无缝钢管形变相变一体化组织调控方法，包括以下步骤：
步骤1：冶炼和制坯
采用转炉将铁水和废钢料(按质量比，铁水：废钢料＝5：1)熔炼成钢水，当钢水温度为1640℃并且钢水中碳质量分数为0.04％、磷质量分数为0.002％、硫质量分数为0.005％时出钢，出钢过程中加入锰进行脱氧合金化，钢水溶解氧质量分数0.015％，得到炉后钢水；
进行LF精炼，造渣脱硫并调整钢水成分，精炼时间45min，升温至1600℃；LF精炼后，进行RH脱气去夹杂处理，使得钢中尺寸在5μm以上的夹杂物的数量＜100个/mm3；LF精炼过程中钢水溶解氧质量分数为0.003％时，在LF工位处以200m/min喂入外径为8mm的钛基包芯线，钛基包芯线由钢带和粒径小于3mm的合金粉末制成，合金粉末的化学成分质量百分比为：Ti：60％，Ca：11％，Si：5％，Mn：8％，O：0.1％，Al：0.5％，余量为铁和不可避免的杂质元素；喂线后然后软吹20min，进行均匀化处理，软吹后钢水中钛质量分数为0.03％、钙的质量分数为0.001％、总氧质量分数为0.006％、溶解氧质量分数为0.001％；
调整钢水元素含量达到钢管化学成分要求，钢水浇铸成铸锭后再进行热轧成管坯；管坯所含夹杂物中，内部含有氧化钛的夹杂物的数量为860个/mm2，管坯的显微组织类型为针状铁素体组织；
步骤2：加热和轧制
管坯采用热送热装至步进式加热炉加热，加热温度1280℃，加热时间200min，得到加热后的管坯；管坯出炉后进行高压水除鳞，再进行穿孔，穿孔温度为1260℃，得到穿孔毛管；将穿孔毛管进入连轧管机组进行连续轧制，连轧机出口温度1180℃，得到荒管；荒管经过定减径轧制，定减径轧制出口温度为1100℃，得到符合尺寸要求的轧后钢管；
步骤3：冷却
将轧后钢管送入冷却机组，以20℃/s的冷速加速冷却至580℃，然后至于冷床空冷。加速冷却方式采用在轧后钢管外表面喷水，冷却过程中，伴随轧后钢管持续旋转运动；
制备的热轧无缝钢管，钢管壁厚为22mm，外径为180mm；
制备的热轧无缝钢管，其包括的化学元素及各个化学元素的质量百分含量为：C：0.15％，Si：0.54％，Mn：2.5％，P：0.003％，S：0.006％，Al：0.001％，Ti：0.03％，Ca：0.001％，O：0.006％，N：0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质元素；
制备的热轧无缝钢管，其钢中尺寸为0.05～0.5μm的夹杂物的数量为1270个/mm2，尺寸在＞0.5～5μm的夹杂物的数量为560个/mm2；尺寸在0.05～5μm的夹杂物中，按夹杂物颗粒数量计，成分中含有氧化钛、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氮化钛、氮化硼、碳硼化铁、硫化锰中的两种或两种以上物质的复合夹杂物的数量占40％，并且这些复合夹杂物的平均间距85μm；
制备的热轧无缝钢管，其显微组织图见图3，通过图3可以看出其显微组织类型为铁素体珠光体和贝氏体组织，其中铁素体为多边形状，贝氏体为针状和板条状，并且，侧板条铁素体体积分数含量1％；钢管屈服强度460MPa，0℃冲击韧性180J。
实施例3
一种热轧无缝钢管形变相变一体化组织调控方法，包括以下步骤：
步骤1：冶炼和制坯
采用电炉将废钢料熔炼成钢水，当钢水温度为1650℃并且钢水中碳质量分数为0.12％、磷质量分数为0.03％、硫质量分数为0.01％时出钢，出钢过程中加入铝进行脱氧合金化，钢水溶解氧质量分数0.001％，得到炉后钢水；
进行LF精炼，造渣脱硫并调整钢水成分，精炼时间75min，升温至1650℃；LF精炼后，进行VD脱气去夹杂处理，使得钢中尺寸在5μm以上的夹杂物的数量＜100个/mm3；VD精炼过程中钢水溶解氧质量分数为0.008％时，在VD工位处以80m/min喂入外径为13mm的钛基包芯线，钛基包芯线由钢带和粒径小于3mm的合金粉末制成，合金粉末的化学成分质量百分比为：Ti：35％，Zr：35％，Si：15％，Mn：6％，O：1％，Al：2％，余量为铁和不可避免的杂质元素；喂线后然后软吹2min，进行均匀化处理，软吹后钢水中钛质量分数为0.003％、锆的质量分数为0.005％、总氧质量分数为0.008％、溶解氧质量分数为0.0025％；
调整钢水元素含量达到钢管化学成分要求，钢水浇铸成铸锭后再进行热锻成管坯；管坯所含夹杂物中，内部含有氧化钛的夹杂物的数量为1435个/mm2，管坯的显微组织类型为铁素体珠光体和针状铁素体组织；
步骤2：加热和轧制
管坯冷却后装入环形加热炉加热，加热温度1300℃，加热时间120min，得到加热后的管坯；管坯出炉后进行高压水除鳞，再进行穿孔，穿孔温度为1280℃，得到穿孔毛管；将穿孔毛管进入连轧管机组进行连续轧制，连轧机出口温度1200℃，得到荒管；荒管经过定减径轧制，定减径轧制出口温度为1150℃，得到符合尺寸要求的轧后钢管；
步骤3：冷却
将轧后钢管送入冷却机组，以50℃/s的冷速加速冷却至750℃，然后至于冷床空冷。加速冷却方式采用钢管内外表面同时喷水冷却，冷却过程中，伴随轧后钢管持续旋转运动；
制备的热轧无缝钢管，钢管壁厚为15mm，外径为450mm；
制备的热轧无缝钢管，其包括的化学元素及各个化学元素的质量百分含量为：C：0.4％，Si：0.8％，Mn：0.3％，P：0.03％，S：0.008％，Al：0.02％，Ti：0.003％，Zr：0.005％，O：0.008％，N：0.012％，余量为Fe和不可避免的杂质元素；
制备的热轧无缝钢管，其钢中尺寸为0.05～0.5μm的夹杂物的数量为1720个/mm2，尺寸在＞0.5～5μm的夹杂物的数量为620个/mm2；尺寸在0.05～5μm的夹杂物中，按夹杂物颗粒数量计，成分中含有氧化钛、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氮化钛、氮化硼、碳硼化铁、硫化锰中的两种或两种以上物质的复合夹杂物的数量占35％，并且这些复合夹杂物的平均间距26μm；
制备的热轧无缝钢管，其显微组织类型为铁素体珠光体，其中铁素体为多边形状，并且，侧板条铁素体体积分数含量1％；钢管屈服强度580MPa，0℃冲击韧性67J。
实施例4
一种热轧无缝钢管形变相变一体化组织调控方法，包括以下步骤：
步骤1：冶炼和制坯
采用电炉将铁水和废钢料(质量比1：1)熔炼成钢水，当钢水温度为1620℃并且钢水中碳质量分数为0.03％、磷质量分数为0.01％、硫质量分数为0.01％时出钢，出钢过程中加入硅钙钡(按质量比，硅：钙：钡＝5：1：1)进行脱氧合金化，钢水溶解氧质量分数0.002％，得到炉后钢水；
进行LF精炼，造渣脱硫并调整钢水成分，精炼时间30min，升温至1620℃；LF精炼后，进行RH脱气去夹杂处理，使得钢中尺寸在5μm以上的夹杂物的数量＜100个/mm3；LF精炼过程中钢水溶解氧质量分数为0.008％时，在LF工位和RH工位两处以180m/min喂入外径为12mm钛基包芯线，钛基包芯线由钢带和粒径小于3mm的合金粉末制成，合金粉末的化学成分质量百分比为：Ti：18％，B：23％，Si：1％，Mn：15％，O：6％，Al：13％，余量为铁和不可避免的杂质元素；RH精炼过程中钢水溶解氧质量分数为0.0001％时，再次喂入所述钛基包芯线，喂线后然后软吹10min，进行均匀化处理，软吹后钢水中钛质量分数为0.012％、硼的质量分数为0.003％、总氧质量分数为0.004％、溶解氧质量分数为0.0001％；
调整钢水元素含量达到钢管化学成分要求，进行连铸，得到连铸管坯；管坯所含夹杂物中，内部含有氧化钛的夹杂物的数量为223个/mm2，管坯的显微组织类型为铁素体珠光体组织；
步骤2：加热和轧制
管坯冷却后装入步进式加热炉加热，加热温度1200℃，加热时间240min，得到加热后的管坯；加热后的管坯出炉后进行高压水除鳞，再进行穿孔，穿孔温度为1150℃，得到穿孔毛管；将穿孔毛管进入连轧管机组进行连续轧制，连轧机出口温度1000℃，得到荒管；荒管经过定减径轧制，定减径轧制出口温度为950℃，得到符合尺寸要求的轧后钢管；
步骤3：冷却
将轧后钢管送入冷却机组，以10℃/s的冷速加速冷却至500℃，然后至于冷床空冷。加速冷却方式采用在轧后钢管外表面喷雾冷却，冷却过程中，伴随轧后钢管持续旋转运动；
制备的热轧无缝钢管，钢管壁厚为50mm，外径为420mm；
制备的热轧无缝钢管，其包括的化学元素及各个化学元素的质量百分含量为：C：0.04％，Si：0.38％，Mn：2.1％，P：0.012％，S：0.001％，Al：0.05％，Ti：0.012％，B：0.003％，O：0.004％，N：0.006％，Cr：0.5％，Mo：0.1％，余量为Fe和不可避免的杂质元素；
制备的热轧无缝钢管，其钢中尺寸为0.05～0.5μm的夹杂物的数量为590个/mm2，尺寸在＞0.5～5μm的夹杂物的数量为430个/mm2；尺寸在0.05～5μm的夹杂物中，按夹杂物颗粒数量计，成分中含有氧化钛、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氮化钛、氮化硼、碳硼化铁、硫化锰中的两种或两种以上物质的复合夹杂物的数量占82％，并且这些复合夹杂物的平均间距94μm；
制备的热轧无缝钢管，其显微组织图见图4，图4显示其显微组织类型为贝氏体组织，贝氏体为粒状、针状和板条状，并且，侧板条铁素体体积分数含量3％；钢管屈服强度660MPa，0℃冲击韧性110J。
实施例5
一种热轧无缝钢管形变相变一体化组织调控方法，包括以下步骤：
步骤1：冶炼和制坯
采用转炉将铁水熔炼成钢水，当钢水温度为1700℃并且钢水中碳质量分数为0.03％、磷质量分数为0.005％、硫质量分数为0.005％时出钢，出钢过程中加入硅锰(按质量比，硅：锰＝1：2)进行脱氧合金化，钢水溶解氧质量分数0.01％，得到炉后钢水；
进行LF精炼，造渣脱硫并调整钢水成分，精炼时间50min，升温至1580℃；精炼过程中钢水溶解氧质量分数为0.007％时，以100m/min喂入直径为12mm的钛基包芯线，钛基包芯线由钢带和粒径小于3mm的合金粉末制成，合金粉末的化学成分质量百分比为：Ti：30％，Mg：22％，Ca：21％，Si：5％，Mn：6％，O：8％，Al：2％，余量为铁和不可避免的杂质元素；喂线后然后软吹8min，进行均匀化处理，软吹后钢水中钛质量分数为0.025％、镁的质量分数为0.004％、钙的质量分数为0.005％、总氧质量分数为0.002％、溶解氧质量分数为0.0005％；
调整钢水元素含量达到钢管化学成分要求，钢水浇铸成铸锭后再进行热轧成管坯；管坯所含夹杂物中，内部含有氧化钛的夹杂物的数量为1574个/mm2，管坯的显微组织类型为针状铁素体组织；
步骤2：加热和轧制
管坯热送热装至环形加热炉加热，加热温度1260℃，加热时间180min，得到加热后的管坯；管坯出炉后进行高压水除鳞，再进行穿孔，穿孔温度为1230℃，得到穿孔毛管；将穿孔毛管进入连轧管机组进行连续轧制，连轧机出口温度1080℃，得到荒管；荒管经过定减径轧制，定减径轧制出口温度为1000℃，得到符合尺寸要求的轧后钢管；
步骤3：冷却
将轧后钢管在空气中自然冷却至室温；
制备的热轧无缝钢管，钢管壁厚为30mm，外径为350mm；
制备的热轧无缝钢管，其包括的化学元素及各个化学元素的质量百分含量为：C：0.18％，Si：0.6％，Mn：1.5％，P：0.005％，S：0.006％，Al：0.04％，Ti：0.025％，Mg：0.004％，Ca：0.005％，O：0.002％，N：0.004％，Ni：0.5％，Cu：0.6％，余量为Fe和不可避免的杂质元素；
制备的热轧无缝钢管，其钢中尺寸为0.05～0.5μm的夹杂物的数量为1280个/mm2，尺寸在＞0.5～5μm的夹杂物的数量为790个/mm2；尺寸在0.05～5μm的夹杂物中，按夹杂物颗粒数量计，成分中含有氧化钛、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氮化钛、氮化硼、碳硼化铁、硫化锰中的两种或两种以上物质的复合夹杂物的数量占73％，并且这些复合夹杂物的平均间距24μm；
制备的热轧无缝钢管，其显微组织类型为铁素体珠光体和贝氏体组织，其中铁素体为粒状和针状，贝氏体为粒状，并且，侧板条铁素体体积分数含量5％；钢管屈服强度570MPa，0℃冲击韧性180J。
实施例6
一种热轧无缝钢管形变相变一体化组织调控方法，包括以下步骤：
步骤1：冶炼和制坯
采用电炉将废钢料熔炼成钢水，当钢水温度为1680℃并且钢水中碳质量分数为0.04％、磷质量分数为0.013％、硫质量分数为0.014％时出钢，出钢过程中加入铝钙(按质量比，铝：钙＝2：1)进行脱氧合金化，钢水溶解氧质量分数0.015％，得到炉后钢水；
进行LF精炼，造渣脱硫并调整钢水成分，精炼时间15min，升温至1600℃；LF精炼后，进行RH脱气去夹杂处理，使得钢中尺寸在5μm以上的夹杂物的数量＜100个/mm3；RH精炼过程中钢水溶解氧质量分数为0.006％时，在RH工位处以160m/min喂入外径为9mm的钛基包芯线，钛基包芯线由钢带和粒径小于3mm的合金粉末制成，合金粉末的化学成分质量百分比为：Ti：20％，Zr：35％，B：10％，Si：0.1％，Mn：0.1％，O：12％，Al：8％，余量为铁和不可避免的杂质元素；喂线后然后软吹15min，进行均匀化处理，软吹后钢水中钛质量分数为0.028％、锆的质量分数为0.004％、硼的质量分数为0.003％、总氧质量分数为0.007％、溶解氧质量分数为0.002％；
调整钢水元素含量达到钢管化学成分要求，进行连铸，得到连铸管坯；管坯所含夹杂物中，内部含有氧化钛的夹杂物的数量为1246个/mm2，管坯的显微组织类型为铁素体珠光体和针状铁素体组织；
步骤2：加热和轧制
管坯热送热装至步进式加热炉加热，加热温度1240℃，加热时间210min，得到加热后的管坯；管坯出炉后进行高压水除鳞，再进行穿孔，穿孔温度为1200℃，得到穿孔毛管；将穿孔毛管进入连轧管机组进行连续轧制，连轧机出口温度1100℃，得到荒管；荒管经过定减径轧制，定减径轧制出口温度为1020℃，得到符合尺寸要求的轧后钢管；
步骤3：冷却
将轧后钢管送入冷却机组，以5℃/s的冷速加速冷却至600℃，然后至于冷床空冷。加速冷却方式采用钢管内外表面喷雾冷却，冷却过程中，伴随轧后钢管持续旋转运动；
制备的热轧无缝钢管，钢管壁厚为18mm，外径为160mm；
制备的热轧无缝钢管，其包括的化学元素及各个化学元素的质量百分含量为：C：0.35％，Si：0.25％，Mn：0.8％，P：0.015％，S：0.002％，Al：0.003％，Ti：0.028％，Zr：0.004％，B：0.003％，O：0.007％，N：0.007％，Nb：0.06％，V：0.12％，余量为Fe和不可避免的杂质元素；
制备的热轧无缝钢管，其钢中尺寸为0.05～0.5μm的夹杂物的数量为1390个/mm2，尺寸在＞0.5～5μm的夹杂物的数量为730个/mm2；尺寸在0.05～5μm的夹杂物中，按夹杂物颗粒数量计，成分中含有氧化钛、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氮化钛、氮化硼、碳硼化铁、硫化锰中的两种或两种以上物质的复合夹杂物的数量占19％，并且这些复合夹杂物的平均间距28μm；
制备的热轧无缝钢管，其显微组织类型为铁素体珠光体和贝氏体组织，其中铁素体为多边形状和针状，贝氏体为粒状和板条状，并且，侧板条铁素体体积分数含量7％；钢管屈服强度680MPa，0℃冲击韧性80J。
对比例1
一种热轧无缝钢管组织调控方法，包括以下步骤：
步骤1：冶炼和制坯
采用转炉将铁水熔炼成钢水，当钢水温度为1650℃并且钢水中碳质量分数为0.04％、磷质量分数为0.01％、硫质量分数为0.01％时出钢，出钢过程中加入硅脱氧合金化，钢水溶解氧质量分数0.004％，得到炉后钢水；
进行LF精炼，造渣脱硫并调整钢水成分，精炼时间40min，升温至1580℃；调整钢水元素含量达到钢管化学成分要求，进行连铸，得到连铸管坯；
步骤2：加热和轧制
管坯热送热装至环形加热炉加热，加热温度1250℃，加热时间60min，得到加热后的管坯；管坯出炉后进行高压水除鳞，再进行穿孔，穿孔温度为1220℃，得到穿孔毛管；将穿孔毛管进入连轧管机组进行连续轧制，连轧机出口温度1050℃，得到荒管；荒管经过定减径轧制，定减径轧制出口温度为1000℃，得到符合尺寸要求的轧后钢管；
步骤3：冷却
将轧后钢管在空气中自然冷却至室温；
制备的热轧无缝钢管，钢管壁厚为12mm，外径为160mm；
制备的热轧无缝钢管，其包括的化学元素及各个化学元素的质量百分含量为：C：0.1％，Si：0.26％，Mn：1.35％，P：0.01％，S：0.006％，Al：0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质元素；
制备的热轧无缝钢管，其光学显微组织图见图2，通过图2可以看出其显微组织类型为魏氏组织和侧板条铁素体，严重损害了材料的力学性能。对本对比例制备的热轧无缝钢管进行性能测试，其屈服强度370MPa，0℃冲击韧性21J。
该对比例采用常规制备手段，没有优化组织调控方法，钢管组织和性能未得到有效改善。
对比例2
一种热轧无缝钢管组织调控方法，包括以下步骤：
步骤1：冶炼和制坯
采用转炉将铁水熔炼成钢水，当钢水温度为1660℃并且钢水中碳质量分数为0.05％、磷质量分数为0.01％、硫质量分数为0.01％时出钢，出钢过程中加入铝脱氧合金化，钢水溶解氧质量分数0.002％，得到炉后钢水；
进行LF精炼，造渣脱硫并调整钢水成分，精炼时间40min，升温至1580℃；LF精炼后进行RH精炼；调整钢水元素含量达到钢管化学成分要求，进行连铸，得到连铸管坯；
步骤2：加热和轧制
管坯热送热装至环形加热炉加热，加热温度1260℃，加热时间120min，得到加热后的管坯；管坯出炉后进行高压水除鳞，再进行穿孔，穿孔温度为1230℃，得到穿孔毛管；将穿孔毛管进入连轧管机组进行连续轧制，连轧机出口温度1100℃，得到荒管；荒管经过定减径轧制，定减径轧制出口温度为1050℃，得到符合尺寸要求的轧后钢管；
步骤3：冷却
将轧后钢管在空气中自然冷却至室温；
步骤4：热处理
冷却后的钢管进行正火热处理，加热温度900℃，加热时间30min，出炉后空冷至室温，得到热轧无缝钢管；
制备的热轧无缝钢管，钢管壁厚为15mm，外径为200mm；
制备的热轧无缝钢管，其包括的化学元素及各个化学元素的质量百分含量为：C：0.16％，Si：0.36％，Mn：1.55％，P：0.01％，S：0.005％，Al：0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质元素；
制备的热轧无缝钢管，其显微组织类型为多边形状铁素体珠光体；钢管屈服强度340MPa，0℃冲击韧性175J。
该对比例没有进行冶炼和轧制冷却的优化组织调控，只能采用离线热处理的手段获得性能的改善。

Claims (10)

1.一种热轧无缝钢管形变相变一体化组织调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：冶炼和制坯
(1)冶炼
将铁水和/或废钢料熔炼得到钢水；当钢水温度为1600～1700℃并且钢水中碳质量分数为0.03～0.15%、磷质量分数为0.001～0.03%、硫质量分数为0.005～0.04%时出钢，出钢过程中加入脱氧剂进行脱氧合金化，控制炉后钢水溶解氧质量分数0.001～0.015%，得到炉后钢水；
(2)精炼
采用LF炉对炉后钢水进行精炼，精炼时间为15～75min，精炼过程中升温至1550～1650℃，进行造渣脱硫并调整钢水成分达到各个元素的质量分数为：碳0.04～0.4%、硅0.1～0.8%、锰0.3～2.5%、磷0.001～0.03%、硫0.001～0.03%、铝0.001～0.05%、氮0.003～0.012%；
精炼过程中钢水中的溶解氧质量分数为0.0001～0.01%时，喂入钛基包芯线，然后软吹2~20min，进行均匀化处理，软吹后的钢水中钛质量分数为0.003～0.03%、镁、钙、锆、硼的质量分数之和为0.001～0.01%、总氧质量分数为0.001～0.008%、溶解氧质量分数为0.0001～0.0025%；
(3)制坯
调整钢水中各个元素含量达到钢管化学成分要求，进行连铸，得到连铸管坯，或者钢水浇铸成铸锭后再进行热轧或热锻成管坯；
钢管化学成分要求，包括的化学元素及各个化学元素的质量百分含量为：C：0.04～0.4％，Si：0.1～0.8％，Mn：0.3～2.5％，P：0.001～0.03％，S：0.001～0.03％，Al：0.001～0.05％，Ti：0.003～0.03％，Mg+Ca+Zr+B：0.001～0.01％，O：0.001～0.008％，N：0.003～0.012％，余量为Fe和不可避免的杂质元素；
步骤2：加热和轧制
(1)将管坯加热至1200~1300℃，加热时间30~300min，得到加热后的管坯；
(2)将加热后的管坯出炉后进行高压水除鳞，再进行穿孔，得到穿孔毛管；
(3)将穿孔毛管进入连轧管机组进行连续轧制，得到荒管，连轧机出口温度1000～1200℃；
(4)荒管经过定减径轧制，得到符合尺寸要求的轧后钢管，其中，定减径轧制出口温度为950～1150℃；
步骤3：冷却
将轧后钢管通过以下方式中的一种进行冷却：
第一种：将轧后钢管在空气中自然冷却至室温；
第二种：将轧后钢管送入冷却机组，以5～50℃/s的冷速加速冷却至500～750℃，然后置于冷床空冷。
2.根据权利要求1所述的热轧无缝钢管形变相变一体化组织调控方法，其特征在于，在步骤1的(2)中，钛基包芯线为含有钛并含有镁、钙、锆、硼中的至少一种的合金粉末的包芯线，其中，所述的合金粉末的粒径小于3mm，所述的合金粉末含有的化学成分及各个成分的质量百分比为：Ti：18～60%，Mg+Ca+Zr+B：10～50%，Si：0.1～50%，Mn：0.1～50%，O：0.1～15%，Al：0.1～15%，余量为铁和不可避免的杂质元素；钛基包芯线的外径为8～13mm，喂线速度为80～240m/min。
3.根据权利要求1所述的热轧无缝钢管形变相变一体化组织调控方法，其特征在于，在步骤1的(2)中，LF炉精炼后，采用RH或VD精炼进行钢水脱气去夹杂处理，使得钢中尺寸在5μm以上的夹杂物的数量＜100个/mm3，在采用RH或VD精炼时，钛基包芯线的喂入位置为LF工位或RH/VD工位中的一处或两处。
4.根据权利要求1所述的热轧无缝钢管形变相变一体化组织调控方法，其特征在于，在步骤1的(3)中，管坯中夹杂物成分中含有氧化钛的夹杂物的数量为100～2000个/mm2，管坯的显微组织类型为铁素体珠光体组织和/或针状铁素体组织。
5.根据权利要求1所述的热轧无缝钢管形变相变一体化组织调控方法，其特征在于，在步骤2中，将管坯采用热送热装或冷坯装炉二次加热方式，采用的管坯加热炉为环形加热炉或步进式加热炉；穿孔温度为1150~1280℃。
6.一种热轧无缝钢管，其特征在于，采用权利要求1-5任意一项所述的热轧无缝钢管形变相变一体化组织调控方法制得，制备的热轧无缝钢管，钢管壁厚为10～50mm，外径为80～450mm。
7.根据权利要求6所述的热轧无缝钢管，其特征在于，该热轧无缝钢管包括的化学元素及各个化学元素的质量百分含量为：C：0.04～0.4%，Si：0.1～0.8%，Mn：0.3～2.5%，P：0.001～0.03%，S：0.001～0.03%，Al：0.001～0.05%，Ti：0.003～0.03%，Mg+Ca+Zr+B：0.001～0.01%，O：0.001～0.008%，N：0.003～0.012%，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
8.根据权利要求6所述的热轧无缝钢管，其特征在于，所述的热轧无缝钢管还包括以下化学元素中的一种或多种，各个化学元素的质量百分含量为：Cr：0.01～1%，Mo：0.01～1%，Ni：0.01～1%，Cu：0.01～1%，Nb：0.01～0.2%，V：0.01～0.2%。
9.根据权利要求7或8所述的热轧无缝钢管，其特征在于，所述的热轧无缝钢管，其钢中尺寸为0.05～0.5μm的夹杂物的数量为500～2000个/mm2，尺寸在＞0.5～5μm的夹杂物的数量为300～1500个/mm2；尺寸在0.05～5μm的夹杂物中，按夹杂物颗粒数量计，成分中含有氧化钛、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氮化钛、氮化硼、碳硼化铁、硫化锰中的两种或两种以上物质的复合夹杂物的数量占10～90%，并且这些复合夹杂物的平均间距＜100μm。
10.根据权利要求6-8任意一项所述的热轧无缝钢管，其特征在于，所述的热轧无缝钢管，其显微组织类型为铁素体珠光体和/或贝氏体组织，其中铁素体为多边形状、准多边形状、粒状或针状中的一种或多种，贝氏体为粒状、针状或板条状中的一种或多种，并且，侧板条铁素体体积分数含量<10%；
所述的热轧无缝钢管屈服强度300～800MPa，0℃冲击韧性≥50J。
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