CN109261869B - 一种转换法兰锻件的锻造及热处理工艺 - Google Patents

一种转换法兰锻件的锻造及热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种转换法兰锻件的锻造及热处理工艺，包括以下步骤：步骤1、对原材料进行熔炼；步骤2、锻造加热；步骤3、锻造；锻造过程包括三个火次；步骤4、热处理；步骤4具体包括锻造后第一次正火过程、锻造后第二次正火过程和回火过程；本发明通过改善钢锭成分及组织和锻造工艺来提高锻件内在质量，细化晶粒，消除不均匀性。使用本发明生产的锻件可提高产品的性能和使用寿命。

Description

一种转换法兰锻件的锻造及热处理工艺
技术领域
本发明涉及锻件处理工艺，具体涉及一种海上石油开采项目中闸板防喷器用转换法兰锻件的锻造及热处理工艺。
背景技术
防喷器是用于试油、修井、完井等作业过程中关闭井口，防止井喷事故发生以及在紧急情况下切断钻杆的安全密封井口装置。石油钻井时，安装在井口套管头上，用来控制高压油、气、水的井喷装置。在海上使用钻井浮船和半潜式钻井平台钻井时，因钻井浮船和平台是在漂浮状态下工作的，钻井井口和海底井口之间会发生相对运动，必须装有可伸缩和弯曲的特殊部件，但这些部件因不能承受井喷关井或反循环作业时的高压，因此要将钻井防喷器安放在可伸缩和弯曲的部件之下，即要装在几十米至几百米深的海底，我们将它称之为海底井口装置。由于使用工况及环境较为复杂恶劣。所以此装置使用的锻件必须严格满足技术指标，使防喷设备正常运行保障油田开采安全同时保护环境免受污染。
本材料使用工况恶劣，使用温度在-30℃至560℃，不仅要承受高温高压，还需具备抗氢腐蚀能力。不仅要求有高的强度和韧性，还需具备良好的冷热变形能力和优良的焊接性能。在现有技术中，转换法兰锻件的锻造成本高昂，使用寿命短。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种转换法兰锻件的锻造及热处理工艺。
本发明的技术方案如下：
一种转换法兰锻件的锻造及热处理工艺，包括以下步骤：
步骤1、对原材料进行熔炼；
步骤2、锻造加热；
步骤3、锻造；锻造过程包括三个火次；
第一火次：锻造温度为1180～1210℃；在第一火次中，将钢锭依次拔长、镦粗和再拔长；终锻温度≥850℃；完成第一火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1200℃，加热时间与钢锭厚度正相关，每100mm厚度的钢锭加热1～1.5h；
第二火次；锻造温度为1180～1200℃；在第二火次中，将钢锭镦粗后进行冲孔；终锻温度≥850℃；完成第二火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1180℃，加热时间与钢锭厚度正相关，每100mm厚度的钢锭加热0.5～1h；
第三火次：锻造温度为1150～1180℃；在第三火次中，将钢锭扩孔成型；终锻温度为780℃～850℃；完成第三火次后冷却至钢锭温度＜500℃；
步骤4、热处理；步骤4具体包括：
(1)锻造后第一次正火过程；第一次正火温度为935～945℃；保温时间与钢锭厚度正相关，每1mm厚度的钢锭保温1.5～1.7min；之后冷却；
(2)锻造后第二次正火过程；其次进行第二次正火为910～930℃；保温时间与钢锭厚度正相关，每1mm厚度的钢锭保温1.5～1.7min；之后冷却；
(3)回火过程；回火温度为715～725℃；保温时间与钢锭厚度正相关，每1mm厚度的钢锭保温2.2～3min；之后冷却至室温。
其进一步的技术方案为，所述转换法兰锻件中各化学元素的成份重量百分比为：C：0.10～0.15％，Mn：0.30～0.60％，P：≤0.025％，S≤0.025％，Si：0.20～0.50％，Cr：2.00～2.50％，Mo：0.90～1.10％，H：≤2ppm，O：≤20ppm，N：≤80ppm，余量为Fe和残余杂质；残余杂质包括：Ni：≤0.50％，V：≤0.01％，Cu：≤0.18％。
其进一步的技术方案为，所述步骤1包括：(1)对原材料进行EF+LF+VD的处理过程；(2)之后进行ESR处理过程。
其进一步的技术方案为，所述步骤2具体包括：(1)加热；加热温度为1200～1240℃；(2)保温；保温时间与钢锭厚度正相关，每100mm厚度的钢锭加热1.2～1.5h。
其进一步的技术方案为，在所述步骤2中，锻造加热的装炉温度≤650℃。
其进一步的技术方案为，所述步骤3的第一火次中，两次总拔长比＞4；镦粗比＞2。
其进一步的技术方案为，所述步骤3的第二火次中，镦粗比＞2。
其进一步的技术方案为，所述步骤4中，冷却方法是空冷和/或水冷。
本发明的有益技术效果是：
本发明通过改善钢锭成分及组织和锻造工艺来提高锻件内在质量，细化晶粒，消除不均匀性。使用本发明所述的技术方案生产的锻件可使产品的使用寿命大幅增加，可以达到至少7年。
具体的：
1、本发明通过熔炼步骤，将锻件中的化学元素的组份严格控制在要求范围内，并且使得锻件在原材料阶段能够得到较为均匀的组织，而且使得最终的锻件具有优于现有技术的力学性能。
2、本发明通过锻造加热步骤，有效减少了钢锭中的铁素体组织，优化了钢锭的锻造性能。
3、本发明的锻造包括三次火次过程，第一火次和第二火次使得锻件达到了加大的锻造比，通过大的锻比改善钢的内部质量，消除铸态组织。使得锻件内部组织均匀，改善或消除疏松及偏析现象。材料内部夹杂物也可有效锻小或锻碎。同时经过控制各火次间的加热及终锻温度使锻件晶粒度更加细化。锻件晶粒细化可提高各方面性能如提高韧性，增加抗疲劳性从而提高使用寿命。
4、本发明在锻造后增加了热处理步骤，保证了锻件的机械性能。基于锻件后期要有良好焊接性和使用性，本发明采取了正火加回火的热处理步骤。锻件金相组织中不能存在马氏体，此组织影响焊接性能，降低抗腐蚀性，与此同时，锻件又要达到较高强度。为保证不产生马氏体组织，而且还能达到细晶粒高强度的性能，通过高温加正火加快冷，均匀锻后组织。再进行正火细化晶粒，增加界面能。同时控制冷却速度(冷却速度介于空冷和水冷之间)以提高屈服强度和抗拉强度。从而满足性能要求。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
图1是本发明的流程图。如图1所示，本发明的处理工艺具体包括如下步骤：
步骤1、对原材料进行熔炼，得到熔炼后的钢锭。具体的，步骤1包括：
(1)对原材料进行EF+LF+VD的处理过程，也就是对原材料依次进行电弧炉熔炼、钢包精炼炉吹氩搅拌精炼以及真空脱气处理工艺。
(2)其次进行ESR处理过程，也就是进行电渣重熔工艺。
在步骤1中，通过EF+LF+VD的处理过程，将原材料的所有组份严格控制在要求范围内，为了保证产品的综合性能，需要严格控制O，H，N的气体含量及有害元素S，P的含量。ESR处理过程则使产品在原材料阶段能够得到较为均匀的组织。之后通过锻造可进一步使组织均匀化。
步骤2、锻造加热。钢锭进行锻造加热之前的装炉温度≤650℃。具体的，步骤2包括：
(1)加热；加热温度为1200～1240℃。
(2)保温；保温时间与钢锭的厚度呈正相关，具体的，每100mm厚度的钢锭加热1.2～1.5h。
钢锭在1200～1240℃的加热温度下具有两相组织，即奥氏体和铁素体。钢的化学成分、加热温度和保温时间都影响铁素体的量。当加热温度超过1250℃时，铁素体急剧增加从而使钢的锻造性能恶化。所以必须将加热温度控制在如上所述的范围之内，以消除铁素体。
步骤3、锻造；锻造过程包括三个火次。
(1)第一火次：锻造温度为1180～1210℃。在第一火次中，将钢锭依次进行拔长、镦粗和再拔长，其中两次总拔长比＞4；镦粗比＞2。终锻温度≥850℃。
完成第一火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1200℃。加热时间与钢锭的厚度呈正相关，具体的，每100mm厚度的钢锭加热1～1.5h；
(2)第二火次；锻造温度为1180～1200℃。在第二火次中，将钢锭镦粗后进行冲孔，具体的，镦粗比＞2。终锻温度≥850℃。
完成第二火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1180℃。加热时间与钢锭的厚度呈正相关，具体的，为每100mm厚度的钢锭加热0.5～1h；
(3)第三火次：锻造温度为1150～1180℃；在第三火次中，将钢锭扩孔成型；终锻温度为780℃～850℃。锻后冷却至钢锭温度＜500℃。
锻造温度需控制在钢锻造性能最好的区间。其中锻造的第一火次和第二火次是为了达到加大的锻造比，通过大的锻比改善钢的内部质量，消除铸态组织。使得锻件内部组织均匀，改善或消除疏松及偏析现象。材料内部夹杂物也可有效锻小或锻碎。同时经过控制各火次间的加热及终锻温度使锻件晶粒度更加细化。锻件晶粒细化可提高各方面性能如提高韧性，增加抗疲劳性从而提高使用寿命。
步骤4、热处理。步骤4具体包括：
(1)锻造后第一次正火过程；第一次正火温度为935～945℃；保温时间与钢锭的厚度呈正相关，具体的，每1mm厚度的钢锭保温1.5～1.7min；之后冷却；冷却方式可以是空冷或者/和水冷。
(2)锻造后第二次正火过程；第二次正火温度为910～930℃；保温时间与钢锭的厚度呈正相关，具体的，为每1mm厚度的钢锭保温1.5～1.7min；之后冷却至冷却温度＜200℃。冷却方式可以是空冷或者/和水冷。
(3)回火过程；回火温度为715～725℃；保温时间为每1mm厚度的钢锭保温2.2～3min；之后钢锭冷却至室温。
步骤4的热处理工序是保证锻件机械性能的重要环节。基于锻件后期要有良好焊接性和使用性。故要采取正火加回火。锻件金相组织中不能存在马氏体，此组织影响焊接性能，降低抗腐蚀性，又要达到较高强度。
步骤4的热处理工序是本发明的创造点之一。尽管本发明在在冶炼中控制了成分并加入了提高性能的微量金属元素(Mn，Cr，Mo)，但由于常规的正火无法达到要求的强度。故为保证不产生马氏体组织既能得到细晶粒高强度。采用上述热处理工艺。通过高温加正火加快冷均匀锻后组织。再进行正火细化晶粒，增加界面能。同时控制冷却速度(冷区速度介于空冷和水冷直接)以提高屈服强度和抗拉强度。从而满足性能要求。
最后得到的转换法兰锻件中各化学元素的成份重量百分比为C：0.10～0.15％，Mn：0.30～0.60％，P：≤0.025％，S≤0.025％，Si：0.20～0.50％，Cr：2.00～2.50％，Mo：0.90～1.10％，H：≤2ppm，O：≤20ppm，N：≤80ppm，余量为Fe和残余的杂质；残余的杂质包括：Ni：≤0.50％，V：≤0.01％，Cu：≤0.18％。有上述成份的法兰锻件具有良好的力学性能。
以下用三个实施例来说明本发明的锻造过程：
实施例1：实施例中，
步骤1、对原材料进行熔炼，得到熔炼后的钢锭。具体的，步骤1包括：
(1)对原材料进行EF+LF+VD的处理过程。
(2)其次进行ESR处理过程。
步骤2、锻造加热。钢锭进行锻造加热之前的装炉温度为650℃。具体的，步骤2包括：
(1)加热；加热温度为1200℃。
(2)保温；此时钢锭厚度为800mm，保温时间为10小时。
步骤3、锻造；锻造过程包括三个火次。
(1)第一火次：锻造温度为1200℃。在第一火次中，将钢锭依次进行拔长、镦粗和再拔长，其中总拔长比为4.3；镦粗比为2.6。终锻温度为850℃。
完成第一火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1200℃。此时钢锭厚度为650mm，加热时间为7小时。
(2)第二火次；锻造温度为1200℃。在第二火次中，将钢锭镦粗后进行冲孔，具体的，镦粗比为2.2。终锻温度为850℃。
完成第二火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1180℃。此时的钢锭厚度为300mm，加热时间为2.5小时。
(3)第三火次：锻造温度为1180℃；在第三火次中，将钢锭扩孔成型；终锻温度为780℃。锻后冷却至钢锭温度为450℃。
步骤4、热处理。步骤4具体包括：
(1)锻造后第一次正火过程；正火温度为935℃；此时钢锭厚度为235mm保温时间为6小时，之后冷却；冷却方式是先空冷8min，之后水冷3min。
(2)锻造后第二次正火过程；第二次正火温度为910℃；此时钢锭厚度为235mm，保温时间为6小时。之后冷却至100℃。冷却方式先空冷5min，再水冷10min。
(3)回火过程；回火温度为725℃；此时钢锭厚度为235mm，保温时间为10小时，之后钢锭冷却至室温，冷却方式是先水冷1h，之后空冷至室温。
在实施例1中，最后得到的转换法兰锻件中各化学元素的成份重量百分比为C:0.13％，Mn：0.38％，Si：0.27％，S：0.003％，P：0.004％，Cr：2.13％，Mo:0.94％，H：0.9ppm，O：19ppm，N：59ppm，Ni：0.18％，Cu：0.06％，V：0.008％。
锻件的化学元素百分比决定了锻件的力学性能。由于在实施例1中得到的锻件具有如上比例的化学成分，则其通过锻造得到锻件的力学性能如表1所示，表1中-30℃条件下的冲击功数据为三次实验的数据值。
表1：实施例1中锻件的力学性能
Figure GDA0002420717400000081
实施例2：
步骤1、对原材料进行熔炼，得到熔炼后的钢锭。具体的，步骤1包括：
(1)对原材料进行EF+LF+VD的处理过程。
(2)其次进行ESR处理过程。
步骤2、锻造加热。钢锭进行锻造加热之前的装炉温度为650℃。具体的，步骤2包括：
(1)加热；加热温度为1220℃。
(2)保温；此时钢锭厚度为800mm，保温时间为11小时。
步骤3、锻造；锻造过程包括三个火次。
(1)第一火次：锻造温度为1200℃。在第一火次中，将钢锭依次进行拔长、镦粗和再拔长，其中总拔长比为4.5；镦粗比为2.5。终锻温度为900℃。
完成第一火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1200℃。此时钢锭厚度为655mm，加热时间为7H。
(2)第二火次；锻造温度为1200℃。在第二火次中，将钢锭镦粗后进行冲孔，具体的，镦粗比为2.3。终锻温度为900℃。
完成第二火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1180℃。此时的钢锭厚度为315mm，加热时间为2.5H。
(3)第三火次：锻造温度为1180℃；在第三火次中，将钢锭扩孔成型；终锻温度为800℃。锻后冷却至钢锭温度为400℃。
步骤4、热处理。步骤4具体包括：
(1)锻造后第一次正火过程；正火温度为940℃；此时钢锭厚度为245mm，保温时间为6.5h，之后冷却；冷却方式是先空冷10min，之后水冷5min。
(2)锻造后第二次正火过程；第二次正火温度为920℃；此时钢锭厚度为245mm，保温时间为6.5h，之后冷却至100℃。冷却方式先空冷2min，再水冷15min。
(3)回火过程；回火温度为715℃；此时钢锭厚度为245mm，保温时间为11h。之后钢锭冷却至室温，冷却方式是先水冷1h，将钢锭温度冷却至350℃，之后空冷至室温。
在实施例2中，最后得到的转换法兰锻件中各化学元素的成份重量百分比为C:0.11％，Mn：0.39％，Si：0.25％，S：0.008％，P：0.008％，Cr：2.10％，Mo:0.93％，H：1.1ppm，O：20ppm，N：61ppm，Ni：0.24％，Cu：0.07％，V：0.006％。
锻件的化学元素百分比决定了锻件的力学性能。由于在实施例2中得到的锻件具有如上的化学成分，则其通过锻造得到锻件的力学性能如表2所示，表2中-30℃条件下的冲击功数据为三次实验的数据值。
表2：实施例2中锻件的力学性能
Figure GDA0002420717400000091
实施例3：
步骤1、对原材料进行熔炼，得到熔炼后的钢锭。具体的，步骤1包括：
(1)对原材料进行EF+LF+VD的处理过程。
(2)其次进行ESR处理过程。
步骤2、锻造加热。钢锭进行锻造加热之前的装炉温度为500℃。具体的，步骤2包括：
(1)加热；加热温度为1240℃。
(2)保温；此时钢锭厚度为800，保温时间为10.5h。
步骤3、锻造；锻造过程包括三个火次。
(1)第一火次：锻造温度为1200℃。在第一火次中，将钢锭依次进行拔长、镦粗和再拔长，其中总拔长比为4.1；镦粗比为2.3。终锻温度为950℃。
完成第一火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1200℃。此时钢锭厚度为670mm，加热时间为7h。
(2)第二火次；锻造温度为1200℃。在第二火次中，将钢锭镦粗后进行冲孔，具体的，镦粗比为2.5。终锻温度为950℃。
完成第二火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1180℃。此时的钢锭厚度为：310，加热时间为：3h。
(3)第三火次：锻造温度为1180℃；在第三火次中，将钢锭扩孔成型；终锻温度为850℃。锻后冷却至钢锭温度为300℃。
步骤4、热处理。步骤4具体包括：
(1)锻造后第一次正火过程；正火温度为945℃；此时钢锭厚度为220，保温时间为6h。之后冷却；冷却方式是先空冷12min，之后水冷5min。
(2)锻造后第二次正火过程；第二次正火温度为930℃；此时钢锭厚度为220mm，保温时间为：6.5h，之后冷却至150℃。冷却方式先空冷1min，再水冷10min。
(3)回火过程；回火温度为720℃；此时钢锭厚度为：220保温时间为11h。之后钢锭冷却至室温，冷却方式是先水冷1h，之后空冷至室温。
在实施例3中，最后得到的转换法兰锻件中各化学元素的成份重量百分比为C:0.12％，Mn：0.37％，Si：0.25％，S：0.008％，P：0.005％，Cr：2.18％，Mo:0.93％，H：1.0ppm，O：20ppm，N：551ppm，Ni：0.19％，Cu：0.06％，V：0.008％。
锻件的化学元素百分比决定了锻件的力学性能。由于在实施例3中得到的锻件具有如上的化学成分，则其通过锻造得到锻件的力学性能如表3所示，表3中-30℃条件下的冲击功数据为三次实验的数据值。
表3：实施例3中锻件的力学性能
Figure GDA0002420717400000111
由以上三个实施例可以看出，使用本发明所述的技术方案，可以得到各化学元素的成份重量百分比在规定范围内的转换法兰锻件，且正是由于优化了法兰锻件的化学成份，最终优化了法兰锻件的力学性能，使得法兰的锻造性能优于现有技术。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种转换法兰锻件的锻造及热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对原材料进行熔炼；
步骤2、锻造加热；
步骤3、锻造；锻造过程包括三个火次；
第一火次：锻造温度为1180～1210℃；在第一火次中，将钢锭依次拔长、镦粗和再拔长；终锻温度≥850℃；完成第一火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1200℃，加热时间与钢锭厚度正相关，每100mm厚度的钢锭加热1～1.5h；
第二火次；锻造温度为1180～1200℃；在第二火次中，将钢锭镦粗后进行冲孔；终锻温度≥850℃；完成第二火次后，将钢锭放入锻造加热炉中进行加热，加热温度为1180℃，加热时间与钢锭厚度正相关，每100mm厚度的钢锭加热0.5～1h；
第三火次：锻造温度为1150～1180℃；在第三火次中，将钢锭扩孔成型；终锻温度为780℃～850℃；完成第三火次后冷却至钢锭温度＜500℃；
步骤4、热处理；步骤4具体包括：
(1)锻造后第一次正火过程；第一次正火温度为935～945℃；保温时间与钢锭厚度正相关，每1mm厚度的钢锭保温1.5～1.7min；之后冷却；
(2)锻造后第二次正火过程；其次进行第二次正火为910～930℃；保温时间与钢锭厚度正相关，每1mm厚度的钢锭保温1.5～1.7min；之后冷却；
(3)回火过程；回火温度为715～725℃；保温时间与钢锭厚度正相关，每1mm厚度的钢锭保温2.2～3min；之后冷却至室温。
2.如权利要求1所述的转换法兰锻件的锻造及热处理工艺，其特征在于，所述转换法兰锻件中各化学元素的成份重量百分比为：C：0.10～0.15％，Mn：0.30～0.60％，P：≤0.025％，S≤0.025％，Si：0.20～0.50％，Cr：2.00～2.50％，Mo：0.90～1.10％，H：≤2ppm，O：≤20ppm，N：≤80ppm，余量为Fe和残余杂质；残余杂质包括：Ni：≤0.50％，V：≤0.01％，Cu：≤0.18％。
3.如权利要求1所述的转换法兰锻件的锻造及热处理工艺，其特征在于，所述步骤1包括：(1)对原材料进行EF+LF+VD的处理过程；(2)之后进行ESR处理过程。
4.如权利要求1所述的转换法兰锻件的锻造及热处理工艺，其特征在于，所述步骤2具体包括：(1)加热；加热温度为1200～1240℃；(2)保温；保温时间与钢锭厚度正相关，每100mm厚度的钢锭加热1.2～1.5h。
5.如权利要求4所述的转换法兰锻件的锻造及热处理工艺，其特征在于，在所述步骤2中，锻造加热的装炉温度≤650℃。
6.如权利要求1所述的转换法兰锻件的锻造及热处理工艺，其特征在于，所述步骤3的第一火次中，两次总拔长比＞4；镦粗比＞2。
7.如权利要求1所述的转换法兰锻件的锻造及热处理工艺，其特征在于，所述步骤3的第二火次中，镦粗比＞2。
8.如权利要求1所述的转换法兰锻件的锻造及热处理工艺，其特征在于，所述步骤4中，冷却方法是空冷和/或水冷。
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