TMCP(Thermo-Mechanical Control Process)是一种将控制轧制与控制冷却相结合进行组织控制与优化的先进加工工艺,可以明显提升钢铁材料的性能。将TMCP应用于无缝钢管生产不仅能够获得高强韧的管材性能,同时也有助于实现资源节约型绿色生产。然而,因钢管的断面形状特殊、规格变化范围大,且生产中工艺调整窗口窄、轧制变形复杂和冷却不易控制,TMCP在无缝钢管生产中的实际应用还存在较多的制约因素。需要根据TMCP的特点和特定钢种产品的高温变形和冷却相变规律,对无缝钢管轧制变形和在线冷却过程中的微观组织变化进行必要的研究。在此基础上,利用和发掘在线调控的工艺资源,实现控制轧制与在线热处理。鉴于此,选用低合金钢30Mn Cr22和高合金钢P91作为研究材料,对两钢种的高温再结晶行为进行了研究,对两钢种无缝钢管TMCP进行了实验模拟,对无缝钢管控制冷却的传热和相变机理进行了分析,探讨了无缝钢管TMCP的微观组织演变规律及强韧化机制,提出了微观组织控制的策略。通过两钢种典型规格无缝钢管的在线试验,对无缝钢管TMCP的微观组织在线控制进行了详细阐述。用Gleeble-1500D热模拟试验机测定了30Mn Cr22钢和P91钢在单道次和双道次热压缩过程中的真应力-真应变曲线,回归了两种钢的高温流变应力-应变本构关系,分析了两种钢在穿孔、连轧和定(减)径过程中的动态、静态再结晶规律,提出了两种钢均应在穿孔采用动态再结晶型控制轧制、在连轧采用静态再结晶型控制轧制、在定(减)径采用未再结晶型控制轧制的控制轧制策略。基于PQF(Premium Quality Finishing)工艺,用Gleeble-1500D热模拟试验机的多道次热压缩实验对30Mn Cr22和P91无缝钢管TMCP的加热、轧制和冷却全过程进行模拟,研究了两钢种在TMCP中的组织变化。结果表明,TMCP中微观组织发生了再结晶细化、形变诱导相变和第二相弥散析出,且微观组织细化和形变、相变组织精细亚结构具有遗传性。穿孔和连轧时的高温大变形使管坯发生了充分的动态、静态再结晶,细化了管坯晶粒,细小的组织可保持到定(减)径之前;定(减)径时在低温未再结晶区的应变累积可实现形变奥氏体的强化,进而能够通过形变诱导相变并结合超快冷却(30Mn Cr22)或控制冷却(P91)细化相变组织,使细小的第二相弥散析出,可实现TMCP优秀微观组织的遗传,并达到细晶、形变、相变、析出多重强化机制协同作用的效果。对无缝钢管控制冷却过程中的传热机理、动态相变规律以及快速冷却相变强化机制进行了研究,以期通过控制冷却实现无缝钢管TMCP的最终组织细化和强化。在无缝钢管控制冷却传热物理模拟实验平台上,测得了30Mn Cr22钢管试样在不同控制冷却条件下的冷却曲线,利用反传热法计算获得了钢管气雾控制冷却条件下的热流密度和换热系数,分析发现影响钢管气雾冷却传热的关键因素是气水混合比,气水混合比的改变影响钢管的冷却速度以及钢管的相变组织。随着冷却水流量和压缩空气压力的增加,钢管的冷却效果增强,对应的热流密度和换热系数也随之增大,钢管得到了更加细小的板条马氏体组织。换热系数随温差的下降而升高,依次经历了高温膜态沸腾阶段、中温稳定阶段和低温过渡态沸腾阶段,实现无缝钢管超快冷却的关键是提高高温膜态沸腾阶段的界面换热系数。采用Gleeble-1500D热模拟试验机测定了30Mn Cr22钢形变奥氏体的连续冷却曲线和P91钢形变奥氏体连续冷却的马氏体动态相变温度,分析了两者的动态相变规律,用以指导TMCP定(减)径及轧后冷却工艺参数的制定。结果表明,为获得细小、强化的板条马氏体组织,30Mn Cr22钢管减径终轧温度取800℃,等效真应变取0.25,减径变形后采用大于35℃/s的冷却速度进行超快冷却;P91钢管定径终轧温度取990℃,等效真应变取0.2,定径变形后采用1℃/s的冷却速度进行控制冷却。用高温激光共聚集显微镜对30Mn Cr22无缝钢管试样快速冷却相变过程的原位观察发现,冷却速度越快,马氏体转变温度越低,转变速度越快,转变持续的温度区间越小,马氏体板条越细;当冷却速度达到70℃/s以上的超快冷却可以诱导马氏体爆发式转变,可得到具有亚晶细化特征的超细板条马氏体组织。通过马氏体板条细化和亚晶细化可以显著提升钢管的力学性能。针对30Mn Cr22和P91无缝钢管,分别制定了不同的控制策略来实现基于PQF工艺TMCP微观组织的在线控制。两种材料无缝钢管,管坯均采用高加热温度,穿孔均采用高温大变形动态再结晶型控制轧制,连轧均采用高温静态再结晶型控制轧制,定(减)径均采用低温未再结晶型控制轧制;不同点主要是冷却强度不同,30Mn Cr22钢管采用在线超快冷却,P91钢管采用在线控制冷却。按照上述控制策略,两种材料无缝钢管均可实现微观组织的细化和力学性能的提升。本文的研究工作及其成果对于优化基于PQF工艺的无缝钢管TMCP工艺参数、探明基于TMCP无缝钢管轧制和冷却过程的微观组织控制及强韧化机理具有重要的价值,同时也寄希望本工作能够对推进我国无缝钢管TMCP的实施发挥作用。