一、研究的背景与问题

2005年以前，国产的工程机械只有低端的起重机和挖掘机，高技术含量、高附加值、高可靠性、大吨位“三高一大”等高端产品的全球市场占有率非常有限，大型机械均需进口。随着我国“一带一路”政策的逐步实施，中大型、超大型施工项目不断增加，工程机械装备需求井喷式增长。近年来，我国工程机械行业虽然取得了长足进步，但基础薄弱，产品主要集中在中低端市场，在核心技术和关键材料方面落后于国际先进水平。

2005年，工程机械用材国产化开始起步。我国工程机械用管材料存在性能偏低、焊接性能差、材料缺陷多、使用寿命短等问题，且不能生产高强高韧、高尺寸稳定性的中大型、超大型工程机械用特殊无缝钢管材料，导致这些高端长期依赖进口，进口钢管周期长、成本高，国之重器受制于人。

近年来，以起重机械为代表的工程机械开发逐渐向着大吨位、超大吨位和适用极寒地区的超低温等恶劣环境方向发展。采用超高强度、超高低温冲击韧性和良好焊接性能的钢管不仅可以大幅降低工程机械自重，提高工作效率，而且能保证极寒地区的超低温恶劣环境作业安全。

国外先进钢铁企业如JFE、新日铁住金、SSAB、蒂森克虏伯和VM开发的工程机械用高强钢品种全、质量好，具有高强度、高韧性、高寿命、高可靠性等优点。国内工程机械用高强钢管的开发起步较晚，强度级别和品种质量都与国外存在一定的差距。衡钢率先于2005年实现了450级别起重机臂架用无缝钢管的批量生产，并准备向更高级别的臂架钢管开发；旋挖钻杆和油缸管也在起步中。此时宝钢、大冶、天津大无缝等国内无缝钢管生产企业亦加快国内同类高端品种的开发进程，但尚处于起步摸索阶段。

自2005年开始，为了应对当时国内高强度无缝钢管的空缺，满足市场对高品质无缝钢管的需求，实现工程机械用系列无缝钢管的国产化，衡阳钢管系统地开展了工程机械用无缝钢管及关键技术的研究，开发了不同应用场景下使用的系列高强起重机臂架用管、旋挖钻杆管及高强度油缸管等高端工程机械用管产品。

二、解决问题的思路与技术方案

1、总体思路

本项目针对高端工程机械用高性能无缝钢管的应用需求，与用户、质量评价单位和高校联合攻关，围绕不同复杂恶劣使用工况的高端工程机械用管成分设计、洁净钢冶炼技术、高精度轧制技术及高强度钢管焊接工艺等方面开展系统研究。总体思路如图1所示。

 图1 总体思路图

本项目系统地开展工程机械用钢管制造过程中各元素组分与组织、性能以及可焊接性之间规律性研究，为不同应用场景的工程机械钢管材料成分优化设计奠定了理论基础。最终实现高性能大吨位工程机械用管系列化、高端化、轻量化及低碳绿色智能制造，满足多种苛刻使用工况的要求。

2、技术方案

（1）高性能大吨位工程机械用钢成分设计

根据工程机械用管服役性能的要求，提出了按产品用途和钢级差异化进行成分设计的思路，得到面向多种应用场景的系列钢管成分配方。基于钢中合金元素对钢的淬透性、偏析倾向、碳化物形成、裂纹敏感性、强韧性、耐腐蚀性、焊接性影响的深入研究，充分发挥合金元素之间的协调作用，通过细晶强化、析出强化、弥散强化及组织强化等原理，确定合金元素的组成，再通过大数据筛选和回归分析确定初选配方，并采用热力学计算软件进行模拟分析和小批量试制试验，最终得到不同强度级别的高端机械工程用管优选配方，并进一步研究优选材料对焊接性、回火稳定性、组织、淬透性及钢材成本的影响。

（2） 冶炼关键技术研究

①高纯净钢冶炼技术

钢中低残余有害元素控制技术：实现了钢中[As]≤0.010%、[Sn]≤0.008%，As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.025%。

电炉终点碳控制技术：开发了电弧炉冶炼供氧指导与合金配料优化模型，成功将电炉终点碳控制在0.10%以上，钢中初始氧含量降低250ppm以下。

精炼深脱硫及夹杂物控制技术：设计了高效深脱硫精炼渣系，新渣系能够保证精炼后钢液中的硫含量稳定在25ppm，部分甚至能达到10ppm以下的极低水平，平均脱硫率能达98%以上。

建立了精准钙处理模型，HSM890S钢中夹杂物的单位面积夹杂物个数均在10个/mm²左右（未采用该软件时80个/mm²），夹杂物的尺寸70%-80%分布在＜5μm的区间。

中间包流场控制技术：对导流板导流孔孔径，角度以及位置进行优化设计：中间包导流孔采用单孔模式，孔径114mm，倾角15°，开口位置420mm，最优方案死区比例为8.79%。相对于原中包死区比例23.46%降低了约2/3。

②炼钢窄成分控制技术

建立合金元素收得率动态库，提高合金加入量的准确性。系统可实现PLC一键加料操作，钢水合金元素的波动可以控制在很小的范围。

③连铸坯无缺陷、均质化控制技术

优化保护渣设计,解决了包晶钢由于相变体积收缩严重，铸坯易出现凹陷和纵向裂纹的难题,满足了铸坯高速生产及表面无缺陷的要求。

通过对连铸圆坯凝固过程进行计算和实验模拟，获得了二冷区最佳冷却工艺制度，保证铸坯进拉矫温度≥970℃；加入0.015%-0.025%的Ti，发挥TiN高温优先析出的固氮作用，降低裂纹敏感度。

（3）组织性能一体化控制

开发了“低温大减径变形+轧后控冷+超快冷淬火+高温回火”一体化控形控性技术，通过低温大减径变形获得强流变的加工组织，轧后控冷获得细晶原始组织，采用超快冷淬火技术获得高比例的马氏体淬火组织，经过高温回火得到低位错密度的均匀回火组织和沿晶界及晶内弥散析出的碳氮化物，解决高强度高韧性匹配的难题。同时，通过高强度工程机械用管产品热处理工艺的攻关，高强度工程机械用管的产品性能波动性较少，性能一致性较好。

①控轧控冷工艺

研究高强高韧钢管生产全过程，并对其每一过程进行温度控制和轧制变形设计，尽可能降低轧制温度并提高终轧变形量和轧后冷却速度，改善热轧后组织并细化晶粒，为下一步热处理做组织准备。

创新地设计了轧后超快冷冷却设备。经过控冷钢管的组织与原工艺相比，组织中异常粗大组织得到明显改善，晶粒度细化在1.5级以上。

②热处理工艺控制和设备研发

结合钢的成分设计，系统地研究了工程机械用管材料的CCT曲线和多个特征温度点并运用JmatPro软件模拟钢管的组织转变和性能。通过热处理过程的温度场模拟、相变的分析优化，设计了专用的热处理设备，针对工程机械用管的不同产品和规格的较大差别，设计了三种不同的热处理工艺：

中频热处理调质处理：中频热处理和常规热处理对比：中频处理的屈服强度和抗拉强度均比常规处理高，韧性更好。

    超快冷热处理：中口径钢管采用超快冷热处理，开发水淬过程的外淋内喷超快冷淬火技术，提高钢管的冷却速度和冷却均匀性，实现了冷却的同时性和均一性，解决了厚壁钢管全长范围内性能的波动和水淬过程中的变形问题。

淬火+回火+定径的热处理：采用淬火+回火+3~4机架定减径工艺，以减轻钢管淬火加热后椭圆度变大和外表变形问题，然后再进行水淬和回火工序，钢管的椭圆度从原来的1.0%缩小到0.4%，并极大地减轻或消除了钢管外表变形问题，满足了工程机械行业对高精度高强大口径薄壁钢管的需求。

（4）高精密轧制技术及轻量化方向研究

系列地考虑了大口径薄壁以及厚壁高强高韧工程机械用管的生产工艺，充分利用精密轧制技术，合理分配各工序的变形量并利用大轧比的轧制技术充分破碎晶粒，不仅保证了工程机械用管较高的尺寸精度，且钢管内组织细小，具有较优异的强韧性匹配。

①连轧机中心线校准

采用新技术ADS-B系统对连轧机中心线空间位置精确定位，重新调整中心后再次测量偏差控制在0.08mm以内。

②轧管机削尖轧制技术的应用

采用削尖轧制技术可在连轧管机上对荒管的头尾壁厚进行预先“轧薄”,即“削尖”，从而减少钢管的切头尾长度，提高钢管成材率。

③张减机/脱管机自由孔型的应用

优化设计了三辊自由孔型参数，孔型加工改为在原来孔型加工直径不变的情况下变成两次加工（孔型曲线A-M-E-N-C）。通过减少孔型椭圆度，减少横向变形不均。

优化后，钢管壁厚偏差缩小近4%，椭圆度缩小近0.4%。通过实施高精度轧制技术，可以将工程机械用管的椭圆度控制在0.4%以内，壁厚公差控制在±5%以内。因此通过尺寸精度的提高，在最小壁厚不变的情况下钢管的平均壁厚降低9%，平均重量降低9%，实现了设备轻量化。

（5）直线度及表面质量研究

针对超高强度无缝钢管直线度难控制的问题，通过热处理工艺和设备优化，保证水淬后钢管的管端直线度≤2.5mm/m，并开发了高温淬火+低温回火+高温回火工艺，在保证性能合格的前提下提高超高强度工程机械用管的直线度。

（6）焊接性能研究

采用焊丝2、WPS-3和WPS-4焊接工艺进行HSM960超高强臂架管的焊接，能够通过适当的焊材和焊接工艺发挥HSM960超高强臂架管的强度优势，保证HSM960臂架管应用于大吨位、超大吨位履带式起重机的承重桁架，并实现承重桁架的轻量化。

三、主要创新性成果

1、根据工程机械用管的“共性特点+特殊特点”，系统开展工程钢制造过程中各元素组分与组织、性能以及可焊接性之间规律性研究，建立了“碳当量上限+多元合金元素+组织调控”的系列工程机械用管成分体系，控制碳当量上限，满足工程机械用管共同苛刻的焊接性要求，并发明了高强韧、高刚度、抗极寒温度、抗大扭矩变形、耐酸性腐蚀等面向差异化场景的工程机械用管系列化产品牌号。

2、基于超纯净钢冶炼技术研究，构建钢的冶炼全流程中非金属夹杂物及气体含量控制技术平台，稳定实现钢的非金属夹杂物及气体含量达到国际先进水平。研发了新型高碱度精炼渣、开发了精准钙处理模型、优化了中间包流场等冶炼夹杂物控制关键技术；通过自主研发组合式连铸电磁搅拌技术实现了低合金大拉速条件下连铸坯工艺参数集成制造，保证铸坯成分、组织及性能均匀稳定，内部质量达到国际先进水平。实现钢中全氧含量≤10ppm，80%夹杂物的尺寸≤5μm，连铸坯横截面碳极差≤0.03%。

3、针对工程机械用管轻量化发展需求，自主研发了系列工程机械用管产品，实现了起重机臂架管从HSM450到HSM1020、旋挖钻杆管从HG550到HG850、高强油缸管从S460到S890的迭代升级；开发了基于ADS-B系统的连轧机中心线校准技术、应用液压小仓预压下的连轧管机削尖轧制技术、张减机/脱管机自由孔型设计技术，将椭圆度控制在0.4%以内，壁厚公差控制在±5%以内。生产的起重机承重桁架产品相比同行重量减轻9%，最大吊装能力从1200吨提高至4000吨。

4、研究了控轧控冷精密热处理技术，实现了全流程组织性能一体化精准控制。实现了1020钢级厚壁起重机臂架管、S890特厚壁油缸管等高性能大吨位工程机械用管在高强度低碳当量的条件下，-40℃低温冲击 达120J以上，强度波动小于30MPa，达到国际领先水平。

项目获授权专利20项，软件著作权2件，主持/参与制修订标准6项，发表论文14篇；设计了生产线8条，建立了洁净钢生产体系；创新设计了新型半浸入式热处理线，并在5家单位推广，形成了工程机械用管全流程的生产体系。

四、应用情况与效果

该项目成果从2006年开始在衡阳华菱钢管有限公司应用。2021-2023年累计实现销量48.06万吨，新增产值39.94亿元，新增利税13.74亿元，经济效益显著。

本项目开发的工程机械用管已广泛应用于工程机械制造企业的起重机承重桁架、旋挖钻机及液压支架等，客户覆盖了徐工机械、三一重工、中联重科、卡特彼勒、山河智能、柳工机械、郑煤机、抚顺挖掘机、郑州宇通重工、山东福田雷沃等一大批国内外知名企业，多次获得客户授予的优秀供应商称号。

衡钢起重机臂架管产品实现了全部替代国外同类产品，并实现了轮胎式起重机、履带式起重机和港口起重机三个臂架管市场领域的全辐射，应用于超大吨位和北极圈等极寒条件使用的起重机。起重机臂架管2020年、2022年先后应用于全球最大吨位4500吨履带式起重机、全球最大吨位2600吨全地面起重机。

衡钢旋挖钻杆管已向多家知名工程机械公司供货，成功取代了国外产品，结束了旋挖钻杆管完全依赖进口的历史，有力地支持了旋挖钻机行业的发展和国家基础建设。旋挖钻杆管2022年应用于全球最大的1600级别旋挖钻机，实现单次钻孔直径达7.5m、深度190m，刷新钻孔最大直径和最深深度记录。

衡钢研制的液压油缸管成功应用于郑煤机、中联和三一的液压支架或液压油缸，不仅满足了客户对高强油缸焊接性能的要求，还大大提高了工程零部件的安全性和使用寿命。高强度液压油缸管2022年应用于全球最大吨位2600吨全地面起重机使用的变幅油缸。

图2 衡钢HSM890起重机臂架管应用于世界最大吨位的4500吨级履带式起重机

图3 衡钢旋挖钻杆管应用于全球最大1600级别旋挖钻机

衡钢开发的工程机械用管客户反映良好，材料的表面质量、尺寸精度、力学性能等方面与进口材料基本相当，确保了使用安全，为用户节省了成本，解决了用户对高性能大吨位工程机械用管依赖进口的难题。