摘要：热机械控制轧制（TMCP）是一种将控制轧制与控制冷却相结合的材料加工技术，在大口径耐热钢无缝管制造过程中应用广泛。该技术与皮尔格锻轧工艺相结合，可通过精准调控加热温度、轧制变形量、冷却速率等关键参数，实现Φ1016~1422mm超大口径管材的稳定生产。热机械控制轧制（TMCP）工艺的优化能够有效调控奥氏体再结晶行为、碳氮化物纳米析出相演化以及马氏体相变过程，借助微量元素Nb和Ti的协同作用形成细化晶粒和高密度位错组织。同时，冷却速率的提升显著促进了马氏体板条的细化，从而实现强度与韧性的良好平衡匹配。该技术体系建立工艺—组织—性能定量关系模型，为LNG储运设施和超超临界机组等高端能源装备提供可靠的材料技术保障。

　　关键词：大口径无缝管；耐热钢；TMCP工艺；皮尔格锻轧；微观组织控制

　　能源工业向高参数方向发展对大口径耐热钢无缝管的性能提出更加严格的技术要求，传统制造工艺在生产超大规格厚壁管材时存在几何精度控制困难、组织性能不均匀等技术瓶颈。现代轧制工艺技术的发展为解决这些问题提供新的技术途径，特别是控制轧制控制冷却技术与特殊成形工艺结合应用，为实现微观组织精确调控创造有利条件。微量合金化学元素科学配置结合工艺参数优化设计，能够有效调节材料相变行为和强化机制以获得优异综合性能。深入探讨轧制工艺参数对微观组织演变规律的影响机理，对推动大口径耐热钢无缝管制造技术进步具有重要意义。

　　1大口径耐热钢无缝管轧制工艺

　　大口径耐热钢无缝管轧制工艺是集成环形加热炉控温加热、锥形穿孔、多道次轧管、控温减径定径以及在线淬火回火等多个工序的复杂制造技术体系，如图1所示。

　　该工艺技术以TMCP控制轧制控制冷却作为核心，采用皮尔格锻轧三向压应力成形原理，精确调控加热温度稳定处于1140~1180℃、轧制变形量达到70%以上、冷却速率为60℃/s，进而实现Φ1016~1422mm规格超大口径管材的稳定制造。与传统热连轧技术相比，皮尔格锻轧工艺能够在三向压应力状态下完成大减径大减壁成形，有效提高材料致密性，并且减少内部缺陷的产生［1］。

　　2大口径无缝管轧制工艺关键技术

　　2.1环形加热炉控温加热与管坯预处理

　　环形加热炉控温加热技术利用分段控温的方式来实现管坯温度场的精确调节，通过预热段、加热段、均热段这三个温控区域协调配合，确保管坯内外温差被控制在±15℃,加热温度为1140~1180℃区间。同时，为有效避免管坯内部产生热应力集中现象，可对加热速率进行计算，如式（1）：

　　管坯预处理工序包含车光、打通孔、高压水除鳞等具体步骤。车光处理把管坯外表面粗糙度控制在Ra≤12.5μm标准范围内，打通孔工序确保管坯中心孔径与壁厚比例满足穿孔工艺要求［2］。高压水除鳞运用压力为15~25MPa的高压水射流清除管坯表面氧化皮，且除鳞率达到98%以上，为后续穿孔工艺提供清洁的管坯表面状态。

　　2.2锥形穿孔工艺参数优化与缺陷控制

　　锥形穿孔工艺采用锥形顶头与轧辊的协同作用实现管坯中心穿孔成形。穿孔过程中的金属流动理论上遵循体积不变原理。穿孔工艺的关键参数包括轧辊转速设定为80~120r/min、进给角控制在8°~12°范围内、顶头前伸量按照管坯直径的0.8~1.2倍确定。穿孔力计算公式为式（2）：

　　皮尔格轧机工作特点是芯棒跟轧辊交替接触，靠周期性前进、轧制、返回动作完成管材逐步减径减壁过程。此成形技术可显著提高材料致密性，能有效消除内部微观缺陷，并改善金属流线分布状态。

　　2.4控温减径定径与在线淬火冷却控制

　　控温减径定径工艺采用三辊回转定径机实现管材最终尺寸精度控制，定径温度设定在850～950℃范围内，以确保材料具有良好的塑性变形能力。定径过程中的径向压缩应力计算公式为式（6）：

　　将微量元素Nb的添加量控制在0.03%~0.05%时，通过Nb（C，N）析出相的钉扎作用能有效抑制高温变形过程中的再结晶行为，扩大未再结晶区范围可为后续TMCP工艺创造有利条件。Ti元素的加入能够抑制加热过程中奥氏体晶粒的长大趋势，通过形成稳定的TiN析出相可在晶界处发挥阻碍作用。当Ti含量控制在适宜范围内时，轧制后的奥氏体平均晶粒尺寸能够控制在20~50μm区间内。

　　3.2变形量控制下碳氮化物纳米析出相演化

　　变形量控制时碳氮化物纳米析出相的演化过程遵循形核、长大、粗化基本规律。当轧制变形量达到70%以上时，剧烈塑性变形为析出相形核提供大量位错线和晶界等优先形核位置。应变诱导析出现象在大变形条件下表现得尤为显著，Nb（C，N）纳米析出相优先在位错线交汇处进行形核。析出相尺寸控制在5~20nm时，对基体可产生最佳的弥散强化效果。轧制过程中的累积应变能促进碳氮化物析出相的均匀分布，通过控制轧制道次间隙时间在30~60s范围内，确保析出相在适宜温度条件下完成形核长大过程而避免过度粗化。Mo和W等合金元素通过置换固溶强化机制提高基体强度，同时这些元素进入M23C6碳化物中形成复合碳化物相，有效抑制高温服役过程中碳化物的粗化速率［5］。

　　3.3冷却速率调节马氏体相变组织精准控制

　　在大口径耐热钢无缝管组织调控中，马氏体相变过程是关键环节。其相变动力学行为受冷却速率严格约束。当冷却速率超过临界值时，过冷奥氏体绕过扩散型相变区域，直接发生无扩散型马氏体相变，形成板条马氏体组织结构，如表2所示。

　　表2数据清晰揭示冷却速率提升对马氏体板条细化程度的显著促进作用。随着冷却速率从30℃/s增加至120℃/s，板条宽度呈现明显的递减趋势，而位错密度相应增大。

　　3.4工艺参数协同作用的组织性能关系建立

　　工艺参数协同作用下的组织性能关系建立需要综合考量轧制温度、变形量、冷却速率等多个因素对最终组织结构产生的影响，需要通过系统性的工艺试验来确定各参数的最优组合窗口。再结晶细化、形变诱导相变、织构控制等强化机制协同作用促使大口径无缝钢管在低温下的强韧性得到显著提升。当工艺参数控制在最优范围内时，产品的冲击韧性在-46℃温度下能达到177~255J的优异水平。通过定量金相分析和力学性能测试评估微观组织中晶粒细化、析出强化、固溶强化、位错强化等多种强化机制的贡献程度，进而建立工艺参数与组织性能之间的定量关系模型。热模拟试验结果显示，温度和压力变化对TMCP无缝钢管微观组织的影响规律符合热力耦合下的相变微观力学模型预测，借助有限元仿真平台可预测TMCP不同阶段无缝钢管的相组成分布。

　　4结语

　　综上所述，大口径耐热钢无缝管的制造工艺创新性地融合了热机械控制轧制（TMCP）技术与皮尔格锻轧工艺，通过精准调控加热温度、轧制变形量、冷却速率等关键参数，实现了Φ1016~1422mm超大口径管材的稳定生产，并借助微量元素Nb和Ti的协同作用，有效调控奥氏体再结晶行为、碳氮化物纳米析出相演化以及马氏体相变过程，最终形成细化晶粒和高密度位错组织，显著提升了管材的强度与韧性。随着清洁能源需求持续增长和火电机组参数不断提高，大口径耐热钢无缝管制造技术将向智能化、精密化方向发展。人工智能与工艺控制的深度融合、新型合金体系的开发应用、极端服役环境下的材料性能预测等前沿技术有望取得重大突破，为构建更高效清洁的能源体系提供强有力的技术支撑。

　参考文献

　　［1］车洪艳，孙嘉汐，孙东志，等.新型耐热钢G115大口径无缝管挤压模拟［J］.锻压技术，2025，50（3）：120-127.

　　［2］张浩泽，余堃，钟海，等.铸坯斜轧穿孔制备大口径TA31钛合金无缝管材［J］.兵器材料科学与工程，2022，45（3）：35-41.

　　［3］邓亚杰，黄海广，张浩泽，等.退火温度对TA31钛合金大口径无缝管组织与性能的影响［J］.金属热处理，2021，46（11）：161-166.

　　［4］李冲，石红杰，孙二举，等.退火温度对大口径Ti6321合金无缝管材组织和力学性能的影响［J］.稀有金属材料与工程，2025，54（4）：1002-1007.

　　［5］高虹，翟丽丽，何周苏秦，等.石化高压临氢装置用大口径厚壁不锈钢无缝管的试制生产［J］.现代冶金，2020，48（6）：45-49.