一、研究的背景與問題

2005年以前，國產的工程機械只有低端的起重機和挖掘機，高技術含量、高附加值、高可靠性、大噸位“三高一大”等高端產品的全球市場占有率非常有限，大型機械均需進口。隨著我國“一帶一路”政策的逐步實施，中大型、超大型施工項目不斷增加，工程機械裝備需求井噴式增長。近年來，我國工程機械行業(yè)雖然取得了長足進步，但基礎薄弱，產品主要集中在中低端市場，在核心技術和關鍵材料方面落后于國際先進水平。

2005年，工程機械用材國產化開始起步。我國工程機械用管材料存在性能偏低、焊接性能差、材料缺陷多、使用壽命短等問題，且不能生產高強高韌、高尺寸穩(wěn)定性的中大型、超大型工程機械用特殊無縫鋼管材料，導致這些高端長期依賴進口，進口鋼管周期長、成本高，國之重器受制于人。

近年來，以起重機械為代表的工程機械開發(fā)逐漸向著大噸位、超大噸位和適用極寒地區(qū)的超低溫等惡劣環(huán)境方向發(fā)展。采用超高強度、超高低溫沖擊韌性和良好焊接性能的鋼管不僅可以大幅降低工程機械自重，提高工作效率，而且能保證極寒地區(qū)的超低溫惡劣環(huán)境作業(yè)安全。

國外先進鋼鐵企業(yè)如JFE、新日鐵住金、SSAB、蒂森克虜伯和VM開發(fā)的工程機械用高強鋼品種全、質量好，具有高強度、高韌性、高壽命、高可靠性等優(yōu)點。國內工程機械用高強鋼管的開發(fā)起步較晚，強度級別和品種質量都與國外存在一定的差距。衡鋼率先于2005年實現(xiàn)了450級別起重機臂架用無縫鋼管的批量生產，并準備向更高級別的臂架鋼管開發(fā)；旋挖鉆桿和油缸管也在起步中。此時寶鋼、大冶、天津大無縫等國內無縫鋼管生產企業(yè)亦加快國內同類高端品種的開發(fā)進程，但尚處于起步摸索階段。

自2005年開始，為了應對當時國內高強度無縫鋼管的空缺，滿足市場對高品質無縫鋼管的需求，實現(xiàn)工程機械用系列無縫鋼管的國產化，衡陽鋼管系統(tǒng)地開展了工程機械用無縫鋼管及關鍵技術的研究，開發(fā)了不同應用場景下使用的系列高強起重機臂架用管、旋挖鉆桿管及高強度油缸管等高端工程機械用管產品。

二、解決問題的思路與技術方案

1、總體思路

本項目針對高端工程機械用高性能無縫鋼管的應用需求，與用戶、質量評價單位和高校聯(lián)合攻關，圍繞不同復雜惡劣使用工況的高端工程機械用管成分設計、潔凈鋼冶煉技術、高精度軋制技術及高強度鋼管焊接工藝等方面開展系統(tǒng)研究?？傮w思路如圖1所示。

 圖1 總體思路圖

本項目系統(tǒng)地開展工程機械用鋼管制造過程中各元素組分與組織、性能以及可焊接性之間規(guī)律性研究，為不同應用場景的工程機械鋼管材料成分優(yōu)化設計奠定了理論基礎。最終實現(xiàn)高性能大噸位工程機械用管系列化、高端化、輕量化及低碳綠色智能制造，滿足多種苛刻使用工況的要求。

2、技術方案

（1）高性能大噸位工程機械用鋼成分設計

根據(jù)工程機械用管服役性能的要求，提出了按產品用途和鋼級差異化進行成分設計的思路，得到面向多種應用場景的系列鋼管成分配方?；阡撝泻辖鹪貙︿摰拇阃感浴⑵鰞A向、碳化物形成、裂紋敏感性、強韌性、耐腐蝕性、焊接性影響的深入研究，充分發(fā)揮合金元素之間的協(xié)調作用，通過細晶強化、析出強化、彌散強化及組織強化等原理，確定合金元素的組成，再通過大數(shù)據(jù)篩選和回歸分析確定初選配方，并采用熱力學計算軟件進行模擬分析和小批量試制試驗，最終得到不同強度級別的高端機械工程用管優(yōu)選配方，并進一步研究優(yōu)選材料對焊接性、回火穩(wěn)定性、組織、淬透性及鋼材成本的影響。

（2） 冶煉關鍵技術研究

①高純凈鋼冶煉技術

鋼中低殘余有害元素控制技術：實現(xiàn)了鋼中[As]≤0.010%、[Sn]≤0.008%，As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.025%。

電爐終點碳控制技術：開發(fā)了電弧爐冶煉供氧指導與合金配料優(yōu)化模型，成功將電爐終點碳控制在0.10%以上，鋼中初始氧含量降低250ppm以下。

精煉深脫硫及夾雜物控制技術：設計了高效深脫硫精煉渣系，新渣系能夠保證精煉后鋼液中的硫含量穩(wěn)定在25ppm，部分甚至能達到10ppm以下的極低水平，平均脫硫率能達98%以上。

建立了精準鈣處理模型，HSM890S鋼中夾雜物的單位面積夾雜物個數(shù)均在10個/mm2左右（未采用該軟件時80個/mm2），夾雜物的尺寸70%-80%分布在＜5μm的區(qū)間。

中間包流場控制技術：對導流板導流孔孔徑，角度以及位置進行優(yōu)化設計：中間包導流孔采用單孔模式，孔徑114mm，傾角15°，開口位置420mm，最優(yōu)方案死區(qū)比例為8.79%。相對于原中包死區(qū)比例23.46%降低了約2/3。

②煉鋼窄成分控制技術

建立合金元素收得率動態(tài)庫，提高合金加入量的準確性。系統(tǒng)可實現(xiàn)PLC一鍵加料操作，鋼水合金元素的波動可以控制在很小的范圍。

③連鑄坯無缺陷、均質化控制技術

優(yōu)化保護渣設計,解決了包晶鋼由于相變體積收縮嚴重，鑄坯易出現(xiàn)凹陷和縱向裂紋的難題,滿足了鑄坯高速生產及表面無缺陷的要求。

通過對連鑄圓坯凝固過程進行計算和實驗模擬，獲得了二冷區(qū)最佳冷卻工藝制度，保證鑄坯進拉矯溫度≥970℃；加入0.015%-0.025%的Ti，發(fā)揮TiN高溫優(yōu)先析出的固氮作用，降低裂紋敏感度。

（3）組織性能一體化控制

開發(fā)了“低溫大減徑變形+軋后控冷+超快冷淬火+高溫回火”一體化控形控性技術，通過低溫大減徑變形獲得強流變的加工組織，軋后控冷獲得細晶原始組織，采用超快冷淬火技術獲得高比例的馬氏體淬火組織，經過高溫回火得到低位錯密度的均勻回火組織和沿晶界及晶內彌散析出的碳氮化物，解決高強度高韌性匹配的難題。同時，通過高強度工程機械用管產品熱處理工藝的攻關，高強度工程機械用管的產品性能波動性較少，性能一致性較好。

①控軋控冷工藝

研究高強高韌鋼管生產全過程，并對其每一過程進行溫度控制和軋制變形設計，盡可能降低軋制溫度并提高終軋變形量和軋后冷卻速度，改善熱軋后組織并細化晶粒，為下一步熱處理做組織準備。

創(chuàng)新地設計了軋后超快冷冷卻設備。經過控冷鋼管的組織與原工藝相比，組織中異常粗大組織得到明顯改善，晶粒度細化在1.5級以上。

②熱處理工藝控制和設備研發(fā)

結合鋼的成分設計，系統(tǒng)地研究了工程機械用管材料的CCT曲線和多個特征溫度點并運用JmatPro軟件模擬鋼管的組織轉變和性能。通過熱處理過程的溫度場模擬、相變的分析優(yōu)化，設計了專用的熱處理設備，針對工程機械用管的不同產品和規(guī)格的較大差別，設計了三種不同的熱處理工藝：

中頻熱處理調質處理：中頻熱處理和常規(guī)熱處理對比：中頻處理的屈服強度和抗拉強度均比常規(guī)處理高，韌性更好。

    超快冷熱處理：中口徑鋼管采用超快冷熱處理，開發(fā)水淬過程的外淋內噴超快冷淬火技術，提高鋼管的冷卻速度和冷卻均勻性，實現(xiàn)了冷卻的同時性和均一性，解決了厚壁鋼管全長范圍內性能的波動和水淬過程中的變形問題。

淬火+回火+定徑的熱處理：采用淬火+回火+3~4機架定減徑工藝，以減輕鋼管淬火加熱后橢圓度變大和外表變形問題，然后再進行水淬和回火工序，鋼管的橢圓度從原來的1.0%縮小到0.4%，并極大地減輕或消除了鋼管外表變形問題，滿足了工程機械行業(yè)對高精度高強大口徑薄壁鋼管的需求。

（4）高精密軋制技術及輕量化方向研究

系列地考慮了大口徑薄壁以及厚壁高強高韌工程機械用管的生產工藝，充分利用精密軋制技術，合理分配各工序的變形量并利用大軋比的軋制技術充分破碎晶粒，不僅保證了工程機械用管較高的尺寸精度，且鋼管內組織細小，具有較優(yōu)異的強韌性匹配。

①連軋機中心線校準

采用新技術ADS-B系統(tǒng)對連軋機中心線空間位置精確定位，重新調整中心后再次測量偏差控制在0.08mm以內。

②軋管機削尖軋制技術的應用

采用削尖軋制技術可在連軋管機上對荒管的頭尾壁厚進行預先“軋薄”,即“削尖”，從而減少鋼管的切頭尾長度，提高鋼管成材率。

③張減機/脫管機自由孔型的應用

優(yōu)化設計了三輥自由孔型參數(shù)，孔型加工改為在原來孔型加工直徑不變的情況下變成兩次加工（孔型曲線A-M-E-N-C）。通過減少孔型橢圓度，減少橫向變形不均。

優(yōu)化后，鋼管壁厚偏差縮小近4%，橢圓度縮小近0.4%。通過實施高精度軋制技術，可以將工程機械用管的橢圓度控制在0.4%以內，壁厚公差控制在±5%以內。因此通過尺寸精度的提高，在最小壁厚不變的情況下鋼管的平均壁厚降低9%，平均重量降低9%，實現(xiàn)了設備輕量化。

（5）直線度及表面質量研究

針對超高強度無縫鋼管直線度難控制的問題，通過熱處理工藝和設備優(yōu)化，保證水淬后鋼管的管端直線度≤2.5mm/m，并開發(fā)了高溫淬火+低溫回火+高溫回火工藝，在保證性能合格的前提下提高超高強度工程機械用管的直線度。

（6）焊接性能研究

采用焊絲2、WPS-3和WPS-4焊接工藝進行HSM960超高強臂架管的焊接，能夠通過適當?shù)暮覆暮秃附庸に嚢l(fā)揮HSM960超高強臂架管的強度優(yōu)勢，保證HSM960臂架管應用于大噸位、超大噸位履帶式起重機的承重桁架，并實現(xiàn)承重桁架的輕量化。

三、主要創(chuàng)新性成果

1、根據(jù)工程機械用管的“共性特點+特殊特點”，系統(tǒng)開展工程鋼制造過程中各元素組分與組織、性能以及可焊接性之間規(guī)律性研究，建立了“碳當量上限+多元合金元素+組織調控”的系列工程機械用管成分體系，控制碳當量上限，滿足工程機械用管共同苛刻的焊接性要求，并發(fā)明了高強韌、高剛度、抗極寒溫度、抗大扭矩變形、耐酸性腐蝕等面向差異化場景的工程機械用管系列化產品牌號。

2、基于超純凈鋼冶煉技術研究，構建鋼的冶煉全流程中非金屬夾雜物及氣體含量控制技術平臺，穩(wěn)定實現(xiàn)鋼的非金屬夾雜物及氣體含量達到國際先進水平。研發(fā)了新型高堿度精煉渣、開發(fā)了精準鈣處理模型、優(yōu)化了中間包流場等冶煉夾雜物控制關鍵技術；通過自主研發(fā)組合式連鑄電磁攪拌技術實現(xiàn)了低合金大拉速條件下連鑄坯工藝參數(shù)集成制造，保證鑄坯成分、組織及性能均勻穩(wěn)定，內部質量達到國際先進水平。實現(xiàn)鋼中全氧含量≤10ppm，80%夾雜物的尺寸≤5μm，連鑄坯橫截面碳極差≤0.03%。

3、針對工程機械用管輕量化發(fā)展需求，自主研發(fā)了系列工程機械用管產品，實現(xiàn)了起重機臂架管從HSM450到HSM1020、旋挖鉆桿管從HG550到HG850、高強油缸管從S460到S890的迭代升級；開發(fā)了基于ADS-B系統(tǒng)的連軋機中心線校準技術、應用液壓小倉預壓下的連軋管機削尖軋制技術、張減機/脫管機自由孔型設計技術，將橢圓度控制在0.4%以內，壁厚公差控制在±5%以內。生產的起重機承重桁架產品相比同行重量減輕9%，最大吊裝能力從1200噸提高至4000噸。

4、研究了控軋控冷精密熱處理技術，實現(xiàn)了全流程組織性能一體化精準控制。實現(xiàn)了1020鋼級厚壁起重機臂架管、S890特厚壁油缸管等高性能大噸位工程機械用管在高強度低碳當量的條件下，-40℃低溫沖擊 達120J以上，強度波動小于30MPa，達到國際領先水平。

項目獲授權專利20項，軟件著作權2件，主持/參與制修訂標準6項，發(fā)表論文14篇；設計了生產線8條，建立了潔凈鋼生產體系；創(chuàng)新設計了新型半浸入式熱處理線，并在5家單位推廣，形成了工程機械用管全流程的生產體系。

四、應用情況與效果

該項目成果從2006年開始在衡陽華菱鋼管有限公司應用。2021-2023年累計實現(xiàn)銷量48.06萬噸，新增產值39.94億元，新增利稅13.74億元，經濟效益顯著。

本項目開發(fā)的工程機械用管已廣泛應用于工程機械制造企業(yè)的起重機承重桁架、旋挖鉆機及液壓支架等，客戶覆蓋了徐工機械、三一重工、中聯(lián)重科、卡特彼勒、山河智能、柳工機械、鄭煤機、撫順挖掘機、鄭州宇通重工、山東福田雷沃等一大批國內外知名企業(yè)，多次獲得客戶授予的優(yōu)秀供應商稱號。

衡鋼起重機臂架管產品實現(xiàn)了全部替代國外同類產品，并實現(xiàn)了輪胎式起重機、履帶式起重機和港口起重機三個臂架管市場領域的全輻射，應用于超大噸位和北極圈等極寒條件使用的起重機。起重機臂架管2020年、2022年先后應用于全球最大噸位4500噸履帶式起重機、全球最大噸位2600噸全地面起重機。

衡鋼旋挖鉆桿管已向多家知名工程機械公司供貨，成功取代了國外產品，結束了旋挖鉆桿管完全依賴進口的歷史，有力地支持了旋挖鉆機行業(yè)的發(fā)展和國家基礎建設。旋挖鉆桿管2022年應用于全球最大的1600級別旋挖鉆機，實現(xiàn)單次鉆孔直徑達7.5m、深度190m，刷新鉆孔最大直徑和最深深度記錄。

衡鋼研制的液壓油缸管成功應用于鄭煤機、中聯(lián)和三一的液壓支架或液壓油缸，不僅滿足了客戶對高強油缸焊接性能的要求，還大大提高了工程零部件的安全性和使用壽命。高強度液壓油缸管2022年應用于全球最大噸位2600噸全地面起重機使用的變幅油缸。

圖2 衡鋼HSM890起重機臂架管應用于世界最大噸位的4500噸級履帶式起重機

圖3 衡鋼旋挖鉆桿管應用于全球最大1600級別旋挖鉆機

衡鋼開發(fā)的工程機械用管客戶反映良好，材料的表面質量、尺寸精度、力學性能等方面與進口材料基本相當，確保了使用安全，為用戶節(jié)省了成本，解決了用戶對高性能大噸位工程機械用管依賴進口的難題。