控制冷卻的核心在于通過冷卻路徑的控制實(shí)現(xiàn)對奧氏體相變組織和材料性能的調(diào)控，因此冷卻路徑的可控范圍是控制冷卻具備改善組織性能潛力大小的決定因素。顯然，如何獲得高冷卻強(qiáng)度以及如何在高速率冷卻條件下保持均勻化冷卻，以實(shí)現(xiàn)全表面溫降和相變的協(xié)同控制是控制冷卻開發(fā)的關(guān)鍵。以傳統(tǒng)層流冷卻機(jī)制為核心的表面換熱形式以膜態(tài)沸騰和過渡沸騰換熱為主，持續(xù)冷卻能力較弱，同時(shí)基體內(nèi)部熱量不能有效、均勻傳遞至表面，導(dǎo)致因相變差異而產(chǎn)生組織分布不均的現(xiàn)象。為此，如何控制表面高效有序換熱與內(nèi)部導(dǎo)熱之間的平衡關(guān)系，是兼?zhèn)錆M足冷卻強(qiáng)度和冷卻均勻性的必要條件。

  射流沖擊冷卻是一種有效的強(qiáng)化傳熱冷卻方法，近年來東北大學(xué)在熱軋板帶鋼領(lǐng)域?qū)ζ溟_展了深入應(yīng)用研究，開發(fā)出了以超快速冷卻為核心的新一代熱軋板帶鋼TMCP技術(shù)。基于射流沖擊的強(qiáng)制對流作為換熱效率最高的傳熱方式，是保證高速率均勻化冷卻的關(guān)鍵。為此，將該冷卻換熱方式引入到熱軋不銹鋼管中，通過流速、壓力、流量連續(xù)可調(diào)的冷卻水持續(xù)擊破不銹鋼管表面氣膜，在壁面實(shí)現(xiàn)大面積高熱通量換熱。在冷卻過程中既可以保持較高冷卻強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)極限控制冷卻條件的直接淬火工藝，又具備較高冷卻均勻性，可滿足控制冷卻工藝和組織性能在線調(diào)控的需求。然而，由于無縫鋼管具有特殊的環(huán)形斷面特征，冷卻介質(zhì)在射流沖擊條件下于基體表面的流體流動行為、表面熱／流耦合換熱模型等相關(guān)的核心冷卻均勻化控制機(jī)制問題是完全不同于板帶鋼的平面表面特征的。

  在研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，與鋼板在平面方向上下對稱控制溫度場從而保持熱應(yīng)力對稱特征不同，在不銹鋼管的圓形外表面下，均勻?qū)ΨQ分布的冷卻介質(zhì)無法實(shí)現(xiàn)不銹鋼管圓周方向的冷卻均勻性，這表明必須通過適當(dāng)?shù)姆菍ΨQ流場控制實(shí)現(xiàn)均勻的換熱過程。與之密切相關(guān)的流體流變行為，特別是在該流場與溫度場耦合作用下的微觀換熱機(jī)制是關(guān)鍵。東北大學(xué)在前期的板帶鋼控制冷卻研究中，基于有限元模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方式獲得了針對板平面的流體流變特性，進(jìn)而將一定壓力和速度的冷卻水流，以一定角度在高溫鋼板表面進(jìn)行沖擊流動，形成沖擊射流，通過射流沖擊換熱和核態(tài)沸騰換熱機(jī)制實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度均勻化冷卻。這一思想為解決不銹鋼管控制冷卻問題提供了研究路線和方法，同時(shí)也為進(jìn)一步提高和優(yōu)化熱軋管材均勻化冷卻技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。