一、研究的背景與問(wèn)題

2005年以前，國(guó)產(chǎn)的工程機(jī)械只有低端的起重機(jī)和挖掘機(jī)，高技術(shù)含量、高附加值、高可靠性、大噸位“三高一大”等高端產(chǎn)品的全球市場(chǎng)占有率非常有限，大型機(jī)械均需進(jìn)口。隨著我國(guó)“一帶一路”政策的逐步實(shí)施，中大型、超大型施工項(xiàng)目不斷增加，工程機(jī)械裝備需求井噴式增長(zhǎng)。近年來(lái)，我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)雖然取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但基礎(chǔ)薄弱，產(chǎn)品主要集中在中低端市場(chǎng)，在核心技術(shù)和關(guān)鍵材料方面落后于國(guó)際先進(jìn)水平。

2005年，工程機(jī)械用材國(guó)產(chǎn)化開(kāi)始起步。我國(guó)工程機(jī)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(wèn)題，且不能生產(chǎn)高強(qiáng)高韌、高尺寸穩(wěn)定性的中大型、超大型工程機(jī)械用特殊無(wú)縫鋼管材料，導(dǎo)致這些高端長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，進(jìn)口鋼管周期長(zhǎng)、成本高，國(guó)之重器受制于人。

近年來(lái)，以起重機(jī)械為代表的工程機(jī)械開(kāi)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(qiáng)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(jī)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(guó)外先進(jìn)鋼鐵企業(yè)如JFE、新日鐵住金、SSAB、蒂森克虜伯和VM開(kāi)發(fā)的工程機(jī)械用高強(qiáng)鋼品種全、質(zhì)量好，具有高強(qiáng)度、高韌性、高壽命、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)工程機(jī)械用高強(qiáng)鋼管的開(kāi)發(fā)起步較晚，強(qiáng)度級(jí)別和品種質(zhì)量都與國(guó)外存在一定的差距。衡鋼率先于2005年實(shí)現(xiàn)了450級(jí)別起重機(jī)臂架用無(wú)縫鋼管的批量生產(chǎn)，并準(zhǔn)備向更高級(jí)別的臂架鋼管開(kāi)發(fā)；旋挖鉆桿和油缸管也在起步中。此時(shí)寶鋼、大冶、天津大無(wú)縫等國(guó)內(nèi)無(wú)縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)亦加快國(guó)內(nèi)同類高端品種的開(kāi)發(fā)進(jìn)程，但尚處于起步摸索階段。

自2005年開(kāi)始，為了應(yīng)對(duì)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)高強(qiáng)度無(wú)縫鋼管的空缺，滿足市場(chǎng)對(duì)高品質(zhì)無(wú)縫鋼管的需求，實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械用系列無(wú)縫鋼管的國(guó)產(chǎn)化，衡陽(yáng)鋼管系統(tǒng)地開(kāi)展了工程機(jī)械用無(wú)縫鋼管及關(guān)鍵技術(shù)的研究，開(kāi)發(fā)了不同應(yīng)用場(chǎng)景下使用的系列高強(qiáng)起重機(jī)臂架用管、旋挖鉆桿管及高強(qiáng)度油缸管等高端工程機(jī)械用管產(chǎn)品。

二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案

1、總體思路

本項(xiàng)目針對(duì)高端工程機(jī)械用高性能無(wú)縫鋼管的應(yīng)用需求，與用戶、質(zhì)量評(píng)價(jià)單位和高校聯(lián)合攻關(guān)，圍繞不同復(fù)雜惡劣使用工況的高端工程機(jī)械用管成分設(shè)計(jì)、潔凈鋼冶煉技術(shù)、高精度軋制技術(shù)及高強(qiáng)度鋼管焊接工藝等方面開(kāi)展系統(tǒng)研究?？傮w思路如圖1所示。

 圖1 總體思路圖

本項(xiàng)目系統(tǒng)地開(kāi)展工程機(jī)械用鋼管制造過(guò)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(yīng)用場(chǎng)景的工程機(jī)械鋼管材料成分優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。最終實(shí)現(xiàn)高性能大噸位工程機(jī)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(shù)方案

（1）高性能大噸位工程機(jī)械用鋼成分設(shè)計(jì)

根據(jù)工程機(jī)械用管服役性能的要求，提出了按產(chǎn)品用途和鋼級(jí)差異化進(jìn)行成分設(shè)計(jì)的思路，得到面向多種應(yīng)用場(chǎng)景的系列鋼管成分配方?；阡撝泻辖鹪貙?duì)鋼的淬透性、偏析傾向、碳化物形成、裂紋敏感性、強(qiáng)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(diào)作用，通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化及組織強(qiáng)化等原理，確定合金元素的組成，再通過(guò)大數(shù)據(jù)篩選和回歸分析確定初選配方，并采用熱力學(xué)計(jì)算軟件進(jìn)行模擬分析和小批量試制試驗(yàn)，最終得到不同強(qiáng)度級(jí)別的高端機(jī)械工程用管優(yōu)選配方，并進(jìn)一步研究?jī)?yōu)選材料對(duì)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(guān)鍵技術(shù)研究

①高純凈鋼冶煉技術(shù)

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

電爐終點(diǎn)碳控制技術(shù)：開(kāi)發(fā)了電弧爐冶煉供氧指導(dǎo)與合金配料優(yōu)化模型，成功將電爐終點(diǎn)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(shù)：設(shè)計(jì)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(dá)到10ppm以下的極低水平，平均脫硫率能達(dá)98%以上。

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

中間包流場(chǎng)控制技術(shù)：對(duì)導(dǎo)流板導(dǎo)流孔孔徑，角度以及位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：中間包導(dǎo)流孔采用單孔模式，孔徑114mm，傾角15°，開(kāi)口位置420mm，最優(yōu)方案死區(qū)比例為8.79%。相對(duì)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(shù)

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

③連鑄坯無(wú)缺陷、均質(zhì)化控制技術(shù)

優(yōu)化保護(hù)渣設(shè)計(jì),解決了包晶鋼由于相變體積收縮嚴(yán)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(chǎn)及表面無(wú)缺陷的要求。

通過(guò)對(duì)連鑄圓坯凝固過(guò)程進(jìn)行計(jì)算和實(shí)驗(yàn)?zāi)M，獲得了二冷區(qū)最佳冷卻工藝制度，保證鑄坯進(jìn)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(kāi)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(shù)，通過(guò)低溫大減徑變形獲得強(qiáng)流變的加工組織，軋后控冷獲得細(xì)晶原始組織，采用超快冷淬火技術(shù)獲得高比例的馬氏體淬火組織，經(jīng)過(guò)高溫回火得到低位錯(cuò)密度的均勻回火組織和沿晶界及晶內(nèi)彌散析出的碳氮化物，解決高強(qiáng)度高韌性匹配的難題。同時(shí)，通過(guò)高強(qiáng)度工程機(jī)械用管產(chǎn)品熱處理工藝的攻關(guān)，高強(qiáng)度工程機(jī)械用管的產(chǎn)品性能波動(dòng)性較少，性能一致性較好。

①控軋控冷工藝

研究高強(qiáng)高韌鋼管生產(chǎn)全過(guò)程，并對(duì)其每一過(guò)程進(jìn)行溫度控制和軋制變形設(shè)計(jì)，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(xì)化晶粒，為下一步熱處理做組織準(zhǔn)備。

創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了軋后超快冷冷卻設(shè)備。經(jīng)過(guò)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(xì)化在1.5級(jí)以上。

②熱處理工藝控制和設(shè)備研發(fā)

結(jié)合鋼的成分設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地研究了工程機(jī)械用管材料的CCT曲線和多個(gè)特征溫度點(diǎn)并運(yùn)用JmatPro軟件模擬鋼管的組織轉(zhuǎn)變和性能。通過(guò)熱處理過(guò)程的溫度場(chǎng)模擬、相變的分析優(yōu)化，設(shè)計(jì)了專用的熱處理設(shè)備，針對(duì)工程機(jī)械用管的不同產(chǎn)品和規(guī)格的較大差別，設(shè)計(jì)了三種不同的熱處理工藝：

中頻熱處理調(diào)質(zhì)處理：中頻熱處理和常規(guī)熱處理對(duì)比：中頻處理的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(kāi)發(fā)水淬過(guò)程的外淋內(nèi)噴超快冷淬火技術(shù)，提高鋼管的冷卻速度和冷卻均勻性，實(shí)現(xiàn)了冷卻的同時(shí)性和均一性，解決了厚壁鋼管全長(zhǎng)范圍內(nèi)性能的波動(dòng)和水淬過(guò)程中的變形問(wèn)題。

淬火+回火+定徑的熱處理：采用淬火+回火+3~4機(jī)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(wèn)題，然后再進(jìn)行水淬和回火工序，鋼管的橢圓度從原來(lái)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(wèn)題，滿足了工程機(jī)械行業(yè)對(duì)高精度高強(qiáng)大口徑薄壁鋼管的需求。

（4）高精密軋制技術(shù)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(qiáng)高韌工程機(jī)械用管的生產(chǎn)工藝，充分利用精密軋制技術(shù)，合理分配各工序的變形量并利用大軋比的軋制技術(shù)充分破碎晶粒，不僅保證了工程機(jī)械用管較高的尺寸精度，且鋼管內(nèi)組織細(xì)小，具有較優(yōu)異的強(qiáng)韌性匹配。

①連軋機(jī)中心線校準(zhǔn)

采用新技術(shù)ADS-B系統(tǒng)對(duì)連軋機(jī)中心線空間位置精確定位，重新調(diào)整中心后再次測(cè)量偏差控制在0.08mm以內(nèi)。

②軋管機(jī)削尖軋制技術(shù)的應(yīng)用

采用削尖軋制技術(shù)可在連軋管機(jī)上對(duì)荒管的頭尾壁厚進(jìn)行預(yù)先“軋薄”,即“削尖”，從而減少鋼管的切頭尾長(zhǎng)度，提高鋼管成材率。

③張減機(jī)/脫管機(jī)自由孔型的應(yīng)用

優(yōu)化設(shè)計(jì)了三輥?zhàn)杂煽仔蛥?shù)，孔型加工改為在原來(lái)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(guò)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(guò)實(shí)施高精度軋制技術(shù)，可以將工程機(jī)械用管的橢圓度控制在0.4%以內(nèi)，壁厚公差控制在±5%以內(nèi)。因此通過(guò)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(shí)現(xiàn)了設(shè)備輕量化。

（5）直線度及表面質(zhì)量研究

針對(duì)超高強(qiáng)度無(wú)縫鋼管直線度難控制的問(wèn)題，通過(guò)熱處理工藝和設(shè)備優(yōu)化，保證水淬后鋼管的管端直線度≤2.5mm/m，并開(kāi)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(qiáng)度工程機(jī)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(jìn)行HSM960超高強(qiáng)臂架管的焊接，能夠通過(guò)適當(dāng)?shù)暮覆暮秃附庸に嚢l(fā)揮HSM960超高強(qiáng)臂架管的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，保證HSM960臂架管應(yīng)用于大噸位、超大噸位履帶式起重機(jī)的承重桁架，并實(shí)現(xiàn)承重桁架的輕量化。

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

1、根據(jù)工程機(jī)械用管的“共性特點(diǎn)+特殊特點(diǎn)”，系統(tǒng)開(kāi)展工程鋼制造過(guò)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(dāng)量上限+多元合金元素+組織調(diào)控”的系列工程機(jī)械用管成分體系，控制碳當(dāng)量上限，滿足工程機(jī)械用管共同苛刻的焊接性要求，并發(fā)明了高強(qiáng)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(chǎng)景的工程機(jī)械用管系列化產(chǎn)品牌號(hào)。

2、基于超純凈鋼冶煉技術(shù)研究，構(gòu)建鋼的冶煉全流程中非金屬夾雜物及氣體含量控制技術(shù)平臺(tái)，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)鋼的非金屬夾雜物及氣體含量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。研發(fā)了新型高堿度精煉渣、開(kāi)發(fā)了精準(zhǔn)鈣處理模型、優(yōu)化了中間包流場(chǎng)等冶煉夾雜物控制關(guān)鍵技術(shù)；通過(guò)自主研發(fā)組合式連鑄電磁攪拌技術(shù)實(shí)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(nèi)部質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。實(shí)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(duì)工程機(jī)械用管輕量化發(fā)展需求，自主研發(fā)了系列工程機(jī)械用管產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)臂架管從HSM450到HSM1020、旋挖鉆桿管從HG550到HG850、高強(qiáng)油缸管從S460到S890的迭代升級(jí)；開(kāi)發(fā)了基于ADS-B系統(tǒng)的連軋機(jī)中心線校準(zhǔn)技術(shù)、應(yīng)用液壓小倉(cāng)預(yù)壓下的連軋管機(jī)削尖軋制技術(shù)、張減機(jī)/脫管機(jī)自由孔型設(shè)計(jì)技術(shù)，將橢圓度控制在0.4%以內(nèi)，壁厚公差控制在±5%以內(nèi)。生產(chǎn)的起重機(jī)承重桁架產(chǎn)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(shù)，實(shí)現(xiàn)了全流程組織性能一體化精準(zhǔn)控制。實(shí)現(xiàn)了1020鋼級(jí)厚壁起重機(jī)臂架管、S890特厚壁油缸管等高性能大噸位工程機(jī)械用管在高強(qiáng)度低碳當(dāng)量的條件下，-40℃低溫沖擊 達(dá)120J以上，強(qiáng)度波動(dòng)小于30MPa，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

項(xiàng)目獲授權(quán)專利20項(xiàng)，軟件著作權(quán)2件，主持/參與制修訂標(biāo)準(zhǔn)6項(xiàng)，發(fā)表論文14篇；設(shè)計(jì)了生產(chǎn)線8條，建立了潔凈鋼生產(chǎn)體系；創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(jī)械用管全流程的生產(chǎn)體系。

四、應(yīng)用情況與效果

該項(xiàng)目成果從2006年開(kāi)始在衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司應(yīng)用。2021-2023年累計(jì)實(shí)現(xiàn)銷量48.06萬(wàn)噸，新增產(chǎn)值39.94億元，新增利稅13.74億元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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

衡鋼起重機(jī)臂架管產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了全部替代國(guó)外同類產(chǎn)品，并實(shí)現(xiàn)了輪胎式起重機(jī)、履帶式起重機(jī)和港口起重機(jī)三個(gè)臂架管市場(chǎng)領(lǐng)域的全輻射，應(yīng)用于超大噸位和北極圈等極寒條件使用的起重機(jī)。起重機(jī)臂架管2020年、2022年先后應(yīng)用于全球最大噸位4500噸履帶式起重機(jī)、全球最大噸位2600噸全地面起重機(jī)。

衡鋼旋挖鉆桿管已向多家知名工程機(jī)械公司供貨，成功取代了國(guó)外產(chǎn)品，結(jié)束了旋挖鉆桿管完全依賴進(jìn)口的歷史，有力地支持了旋挖鉆機(jī)行業(yè)的發(fā)展和國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)。旋挖鉆桿管2022年應(yīng)用于全球最大的1600級(jí)別旋挖鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)單次鉆孔直徑達(dá)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(yīng)用于鄭煤機(jī)、中聯(lián)和三一的液壓支架或液壓油缸，不僅滿足了客戶對(duì)高強(qiáng)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(qiáng)度液壓油缸管2022年應(yīng)用于全球最大噸位2600噸全地面起重機(jī)使用的變幅油缸。

圖2 衡鋼HSM890起重機(jī)臂架管應(yīng)用于世界最大噸位的4500噸級(jí)履帶式起重機(jī)

圖3 衡鋼旋挖鉆桿管應(yīng)用于全球最大1600級(jí)別旋挖鉆機(jī)

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