CN111687369A - 一种压裂泵用石油阀块的锻造方法 - Google Patents

一种压裂泵用石油阀块的锻造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种压裂泵用石油阀块的锻造方法，主要步骤如下：将电渣重熔处理后的圆柱形钢锭进行退火处理；将圆柱形钢锭水平放置在下平砧上，并通过夹持装置夹持圆柱形钢锭的一端，转动圆柱形钢锭，同时使用上/下平砧下压圆柱形钢锭的表面；将钢锭通过夹持装置倾斜放置在下平砧上，并转动钢锭，同时使用上平砧下压钢锭的上端部边缘位置，而后放入炉中加热；将钢锭竖直放置在下平砧上，对钢锭的端部锻打，直至钢锭两端的环形平面消失，而后放入炉中进行加热；第一次拔长处理；第一次镦粗处理；第二次拔长处理；第二次镦粗处理；精整成型。本发明的一种压裂泵用石油阀块的锻造方法，改善了锻件的开裂问题。

Description

一种压裂泵用石油阀块的锻造方法
技术领域
本发明涉及金属材料锻造方法，特别是一种压裂泵用石油阀块的锻造方法。
背景技术
随着世界已有油田资源的不断开采，油井的产量日益减少，压裂酸化已成为目前提高油气井采收率的最有效措施之一，因而对于低渗透油气井和深部油气井的开采就需要大功率和大排量的压裂设备。压裂泵则是压裂设备中压裂车的核心部分，而压裂泵上的石油阀块则是压裂泵上的合金部件。现有压裂泵中石油阀块的锻造过程中，，表面容易出现开裂，以及产品两端中心开裂。
公开号为CN109943782A的中国发明专利申请公开了一种00Cr17Ni14Mo2不锈钢阀块的加工方法，该不锈钢阀块适合在高压、腐蚀环境下使用，尤其可用于制作高渗透腐蚀气氛下使用的高压阀门。制备步骤包括真空熔炼铸造，按照比例配制合金料，通过真空熔炼得到铸锭；合金的质量百分比组成为：Ni 10～15wt％，Cr 15～18wt％，Mo 2～3wt％，其余为Fe；热锻或热轧开坯获得挤压坯料；中温静液挤压获得方截面厚板料；冷压强化整形处理获得阀块；低温去应力热处理。采用上述加工工艺制造的00Cr17Ni14Mo2不锈钢阀块兼具高强度、高韧性、高耐蚀、高气密等特性，可用于制造阀体类零件，尤其适于高渗透腐蚀气氛下使用的高压阀门的阀体零件。但是，由于压裂泵用石油阀块所用牌号为17-4PH，由于材料的特殊性，上述锻造方法并不能解决压裂泵中石油阀块的锻造过程中，表面容易出现开裂，以及产品两端中心开裂的问题。
因此，期望提供一种压裂泵用石油阀块的锻造方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压裂泵用石油阀块的锻造方法，有效地改善了锻件的开裂问题，提高了产品的生产质量，综合了更改工艺前的优点，解决了更改工艺前的缺点，引领锻造行业水平，降低了生产成本，提高了生产效率，填补了技术空缺。
为达到上述发明的目的，一种压裂泵用石油阀块的锻造方法，主要步骤如下：
S1、将电渣重熔处理后的圆柱形钢锭进行退火处理，退火温度为620～670℃，保温时间25～40h，随炉冷却至300℃取出进行空冷至室温，而后放入炉中继续加热，加热温度为1150～1180℃，升温速率控制在60～80℃/h，保温13～18h，其中，圆柱形钢锭的原材料牌号为17-4PH；
S2、将S1处理后的圆柱形钢锭水平放置在下平砧上，并通过夹持装置夹持圆柱形钢锭的一端，转动圆柱形钢锭，同时使用上/下平砧下压圆柱形钢锭的表面，直至圆柱形钢锭的侧面由圆形变为N边形，N≥4；
S3、将S2处理后的钢锭通过夹持装置竖直方向倾斜放置在下平砧上，使用上平砧下压钢锭的上端部边缘位置，同时沿钢锭的轴线转动钢锭，直至钢锭的两端边缘都形成环形平面，钢锭的两端呈鼓形，而后放入炉中加热，加热温度为1150～1180℃，升温速率控制在60～80℃/h；
S4、将S3处理后的钢锭竖直放置在下平砧上，对钢锭的端部锻打，直至钢锭两端的环形平面消失，而后放入炉中进行加热，加热温度为1150～1180℃，升温速率控制在60～80℃/h，保温≥2h；
S5、第一次拔长处理，其锻造比为1.4～1.8，而后放入炉中加热，加热温度为1120～1180℃，保温≥2h；
S6、第一次镦粗处理，其锻造比为1.8～2.2，而后放入炉中加热，加热温度为1100～1150℃，保温≥2h；
S7、第二次拔长处理，其锻造比为2.0～2.4，而后放入炉中加热，加热温度为1060～11100℃，保温≥2h；
S8、第二次镦粗处理，其锻造比为1.8～2.2，而后放入炉中加热，加热温度为1010～1060℃，保温时间控制在0.5h～1h；
S9、更换上、下平砧，对钢锭拔长，最后精整成型。
优选地，在步骤S1中加热到1150～1180℃，分为三个阶段：分别为第一升温阶段+第一保温阶段；第二升温阶段+第二保温阶段；第三升温阶段+第三保温阶段；
其中，第一升温阶段+第一保温阶段为，从室温采用60℃/h的升温速率升温到第一保温温度350℃±10℃，并保温5h；
第二升温阶段+第二保温阶段为，从第一保温温度采用70℃/h的升温速率升温到第二保温温度850℃±10℃，并保温6h；
第二升温阶段+第二保温阶段为，从第二保温温度采用80℃/h的升温速率升温到第三保温温度1150～1180℃，并保温13～18h。
优选地，在步骤S1中，退火温度为650℃，保温30h，随炉冷却至300℃取出进行空冷至室温。
优选地，在步骤S1中，加热温度为1180℃，保温18；S3中，加热温度为1180℃，保温18h；S4中，加热温度为1180℃，保温2h；S5中，加热温度为1180℃，保温2h；S6中，加热温度为1150℃，保温2h；S7中，加热温度为1100℃，保温2h；S8中，加热温度为1050℃，保温1h。
优选地，在步骤S1中，退火处理后，将圆柱形钢锭两端的废料锯掉，入后放入炉中加热。
优选地，在步骤S2中，夹持装置夹持圆柱形钢锭的一端，采用上/下平砧压电渣锭表面，圆柱面先压一下形成两个平面，后转动90°压成四边形，再转动45°，上平砧下压，再转动90°，上平砧将钢锭压成八边形，最后将八边形钢锭的侧面边角倒钝。
优选地，在步骤S2中，每次压下量控制在30～40mm。
优选地，在步骤S5～S8中，每次拔长或镦粗后，均对其侧面的边角处锻打直至形成平面，而后放入炉中加热。
优选地，在步骤S5中，第一次拔长处理的锻造比为1.72；在步骤S6中，第一次镦粗处理的锻造比为1.93；在步骤S7中，第二次拔长处理的锻造比为2.25；在步骤S8中，第二次镦粗处理的锻造比为2.05。
本发明的一种压裂泵用石油阀块的锻造方法，与现有技术相比具有以下优点：
(1)在步骤S1中，采用阶梯式升温模式，可以有效消除在加热到初锻温度中产生的内应力和因组织转变过程中产生的组织应力，防止材料在锻造过程中开裂；
(2)在步骤S2中，钢锭锭身表面有一般都有凹坑、锭身部位有渣沟，锭身表面气孔等质量缺陷存在，渣沟不消除，裂纹呈扩展形态，会向锭身深层延伸，使裂纹增大；通过夹持装置夹持圆柱形钢锭的一端，间隔转动圆柱形钢锭，间隔期，使用上平砧下压圆柱形钢锭的表面，直至圆柱形钢锭的侧面由圆形变为多边形，目的消除锭身表面的凹坑、渣沟，表面气孔等问题，增加钢锭表面塑性；
(3)在步骤S3中，间隔转动钢锭，间隔期，使用上平砧下压钢锭的上端部边缘位置，直至钢锭的两端边缘都形成环形平面，而后放入炉中加热，目的在于使得钢坯两端的边缘位置反复锻打，形成铸态组织，提高表面的锻造性能，防止在镦粗时，钢坯的两端开裂；
(4)在步骤S5～S8中，每次拔长或镦粗后，均对其侧面的边角处锻打直至形成平面，而后放入炉中加热，在锻造过程中，方坯四周清角冷却比中间冷却快，会形成周边角温度低于该材料的终锻温度，而中间温度还高于终锻温度，继续锻造则会引起角上开裂问题，而钢坯的边角锻打成平面后温度则不会冷却过快，能减少裂纹的产生，增加锻造时间；
(5)有效地解决了在锻造过程中产品表面及两端心部开裂等问题，提高了产品的生产质量，综合了更改工艺前的优点，解决了更改工艺前的缺点，引领锻造行业水平，降低了生产成本，提高了生产效率，填补了技术空缺。
附图说明
图1为对比例1中压裂泵用石油阀块的锻造流程图；
图2为实施例1中压裂泵用石油阀块的锻造流程图；
图3为对比例1中压裂泵用石油阀块的微观组织形貌图1；
图4为对比例2中压裂泵用石油阀块的微观组织形貌图2；
图5为实施例1中压裂泵用石油阀块的微观组织形貌图1；
图6为实施例1中压裂泵用石油阀块的微观组织形貌图2；
图7为实施例1中阶段加热的升温曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。
实施例1
圆柱形钢锭的截面直径为760mm，其长度为1025mm，其中，圆柱形钢锭的牌号为17-4PH；
如图2所示，一种压裂泵用石油阀块的锻造方法，步骤如下：
步骤S1、将电渣重熔处理后的圆柱形钢锭进行退火处理，退火温度为650℃，保温30h，随炉冷却至300℃取出进行空冷至室温而后将圆柱形钢锭两端的废料锯掉，在电渣重熔后进行退火处理的目的在于去除电渣重熔过程中钢锭内部的内应力，提高材料的可锻性；而后放入炉中进行分三个阶段加热，分别为第一升温阶段+第一保温阶段；第二升温阶段+第二保温阶段；第三升温阶段+第三保温阶段；
如图7所示，其中，第一升温阶段+第一保温阶段为，从室温采用60℃/h的升温速率升温到第一保温温度350℃±10℃，并保温5h，此时使材料开始发生晶相转变，生成10％左右的下贝氏体，保温5h，可以消除在此阶段应加热产生的热应力和因组织转变产生的组织应力，选择在350℃±10℃进行保温，主要是考虑在不影响加热效率的前提下，由于只产生10％左右的下贝氏体，其相对产生的组织应力较小，便于较快速度进行保温消除，如在高于350℃±10℃的温度下，产生的下贝氏体相对较多，应相变产生的组织应力相对也较多，需要保温的时间相对较长；如低于350℃±10℃则在没有发生相变的情况下进行保温，只能消除因加热产生的内应力，意义不大，且影响加热效率；
第二升温阶段+第二保温阶段为，从第一保温温度采用70℃/h的升温速率升温到第二保温温度850℃±10℃，并保温6h；通过继续加热，使坯料进一步均匀受热升温，同时在850℃±10℃下进行保温，使材料发生奥氏体转变，达到锻造的组织状态，同样保温6h，可以消除在此阶段应加热产生的热应力和因组织转变产生的组织应力；
第三升温阶段+第三保温阶段为，从第二保温温度采用80℃/h的升温速率升温到第三保温温度1180℃，并保温18h，保温18h,加热至1180℃后炉温到达该温度，钢锭表面温度与炉温一致，但心部温度还没有升值始锻温度，采取保温目的为了使表面温度跟心部温度保持一致，钢锭整体温度保持一致刚才才具有可锻性，另外可以消除在此阶段应加热产生的热应力和因组织转变产生的组织应力；第三保温温度1180℃为低于材料熔化温度80℃左右，使材料维持在固溶状态，方便锻造；且长时间的保温，使材料芯部也达到相同的温度，内外力学性能一致。
步骤S2、将S1处理后的圆柱形钢锭水平放置在下平砧上，通过夹持装置夹持圆柱形钢锭的一端，采用上/下平砧压电渣锭表面，圆柱面先压一下形成两个平面，后转动90°压成四边形，再转动45°下压，再转动90°压成八边形，最后八边形倒钝，每次压下量控制在30-40mm；其目的在于，电渣锭本身渣出来后表面会有渣沟，倒圆把渣沟压平，减少后续镦粗开裂风险；另外按照上述方式锻打，可以使得钢锭表面的渣沟处理干净，避免有遗漏部分，影响后期锻造；
步骤S3、将S2处理后的钢锭通过夹持装置竖直方向倾斜放置在下平砧上，使用上平砧下压钢锭的上端部边缘位置，同时沿钢锭的轴线转动钢锭，直至钢锭的两端边缘都形成环形平面，钢锭的两端呈鼓形，而后放入炉中加热，加热温度为1180℃，升温速率控制在60-80℃/h，保温18h；
步骤S4、将S3处理后的钢锭竖直放置在下平砧上，对钢锭的端部锻打，直至钢锭两端的环形平面消失，而后放入炉中进行加热，加热温度为1180℃，升温速率控制在60-80℃/h，保温2h；
步骤S5、第一次拔长处理，其锻造比为1.72，而后放入炉中加热，加热温度为1180℃，保温2h；
步骤S6、第一次镦粗处理，其锻造比为1.93，而后放入炉中加热，加热温度为1150℃，保温2h；
步骤S7、第二次拔长处理，其锻造比为2.25，而后放入炉中加热，加热温度为1100℃，保温2h；
步骤S8、第二次镦粗处理，其锻造比为2.05，而后放入炉中加热，加热温度为1050℃，保温时间控制在1h；
步骤S9、更换上、下平砧，对钢锭拔长，最后精整成680×660×1700mm长方体结构。
其中，在步骤S5～S8中，每次拔长或镦粗后，均对其侧面的边角处锻打直至形成平面，而后放入炉中加热。
其中，在步骤S5～S8中，加热温度逐渐降低，如此设置是为了每次镦粗或拔长后，材料的晶粒度逐渐变小，提高材料的机械性能，并且逐步降低加热温度，防止芯部温度与表面温度差过大，并且加热温度逐步降低为1050，其高于此种材料的共晶线温度100℃左右，在此温度下防止碳化物析出，且根据锻造需求，逐步降低温度，防止芯部温度与表面温度差过大，在锻造过程中因温度不均匀导致碳化物析出，影响材料力学性能。
对比例1
圆柱形钢锭的截面直径为760mm，其长度为1025mm，其牌号与实施例1中的圆柱形钢锭的牌号相同。其锻造工艺步骤如下，
步骤S1，电渣锭下料；
步骤S2，第一火，出炉镦粗，第一次镦粗的锻造比为1.5～1.8；
步骤S3，第二火，出炉拔长，第一次拔长的锻造比为2.0～2.4；
步骤S4，第三火，出炉镦粗，第二次镦粗的锻造比为1.8～2.2；
步骤S5，第四火，出炉拔长，第二次拔长的锻造比为2.0～2.4，镦圆头后回炉；
步骤S6，第五火，更换上、下平砧，最后精整成680×660×1700mm长方体结构。
对比例2
圆柱形钢锭的截面直径为760mm，其长度为1025mm，其牌号与实施例1中的圆柱形钢锭的牌号相同。其锻造工艺步骤如下，
步骤S1、将电渣重熔处理后的圆柱形钢锭进行退火处理，退火温度为650℃，保温30h，随炉冷却至300℃取出进行空冷至室温而后将圆柱形钢锭两端的废料锯掉；而后放入炉中进行加热，加热温度为1180℃，升温速率控制在80℃/h，保温18h；
步骤S2、第一次拔长处理，其锻造比为1.72，而后放入炉中加热，加热温度为1180℃，保温2h；
步骤S3、第一次镦粗处理，其锻造比为1.93，而后放入炉中加热，加热温度为1150℃，保温2h；
步骤S4、第二次拔长处理，其锻造比为2.25，而后放入炉中加热，加热温度为1100℃，保温2h；
步骤S5、第二次镦粗处理，其锻造比为2.05，而后放入炉中加热，加热温度为1050℃，保温时间控制在1h；
步骤S6、更换上、下平砧，对钢锭拔长，最后精整成680×660×1700mm长方体结构。
为了验证采用本发明的锻造方法提供的热作模具钢的机械性能，发明人将实施例1、对比例1以及对比例2所得的产品在经过调至处理后在端面下100mm处取样，进行电镜扫描和机械性能检测，其机械性能检测数据如表1；
表1
Figure BDA0002609658540000071
从表1中可见，实施例1中的产品的机械性能均相对对比例得到显著提高。
从图3和图4中可见，对比例1和对比例2中的产品金相照片中，有明显的混金现象出现，晶粒度2～6级不等；从图5和图6中可见，实施例1制备的产品的晶粒度均在5～6级，晶粒度细小，组织均匀。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可做出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种压裂泵用石油阀块的锻造方法，其特征在于，主要步骤如下：
S1、将电渣重熔处理后的圆柱形钢锭进行退火处理，退火温度为620～670℃，保温时间25～40h，随炉冷却至300℃取出进行空冷至室温，而后放入炉中继续加热，加热温度为1150～1180℃，升温速率控制在60～80℃/h，保温13～18h，其中，圆柱形钢锭的原材料牌号为17-4PH；
S2、将S1处理后的圆柱形钢锭水平放置在下平砧上，并通过夹持装置夹持圆柱形钢锭的一端，转动圆柱形钢锭，同时使用上/下平砧下压圆柱形钢锭的表面，直至圆柱形钢锭的侧面由圆形变为N边形，N≥4；
S3、将S2处理后的钢锭通过夹持装置竖直方向倾斜放置在下平砧上，使用上平砧下压钢锭的上端部边缘位置，同时沿钢锭的轴线转动钢锭，直至钢锭的两端边缘都形成环形平面，钢锭的两端呈鼓形，而后放入炉中加热，加热温度为1150～1180℃，升温速率控制在60～80℃/h；
S4、将S3处理后的钢锭竖直放置在下平砧上，对钢锭的端部锻打，直至钢锭两端的环形平面消失，而后放入炉中进行加热，加热温度为1150～1180℃，升温速率控制在60～80℃/h，保温≥2h；
S5、第一次拔长处理，其锻造比为1.4～1.8，而后放入炉中加热，加热温度为1120～1180℃，保温≥2h；
S6、第一次镦粗处理，其锻造比为1.8～2.2，而后放入炉中加热，加热温度为1100～1150℃，保温≥2h；
S7、第二次拔长处理，其锻造比为2.0～2.4，而后放入炉中加热，加热温度为1060～11100℃，保温≥2h；
S8、第二次镦粗处理，其锻造比为1.8～2.2，而后放入炉中加热，加热温度为1010～1060℃，保温时间控制在0.5h～1h；
S9、更换上、下平砧，对钢锭拔长，最后精整成型。
2.根据权利要求1所述的一种压裂泵用石油阀块的锻造方法，其特征在于，在步骤S1中加热到1150～1180℃，分为三个阶段：分别为第一升温阶段+第一保温阶段；第二升温阶段+第二保温阶段；第三升温阶段+第三保温阶段；
其中，第一升温阶段+第一保温阶段为，从室温采用60℃/h的升温速率升温到第一保温温度350℃±10℃，并保温5h；
第二升温阶段+第二保温阶段为，从第一保温温度采用70℃/h的升温速率升温到第二保温温度850℃±10℃，并保温6h；
第三升温阶段+第三保温阶段为，从第二保温温度采用80℃/h的升温速率升温到第三保温温度1150～1180℃，并保温13～18h。
3.根据权利要求1所述的一种压裂泵用石油阀块的锻造方法，其特征在于，在步骤S1中，退火温度为650℃，保温30h，随炉冷却至300℃取出进行空冷至室温。
4.根据权利要求1所述的一种压裂泵用石油阀块的锻造方法，其特征在于，在步骤S1中，加热温度为1180℃，保温18；S3中，加热温度为1180℃，保温18h；S4中，加热温度为1180℃，保温2h；S5中，加热温度为1180℃，保温2h；S6中，加热温度为1150℃，保温2h；S7中，加热温度为1100℃，保温2h；S8中，加热温度为1050℃，保温1h。
5.根据权利要求1所述的一种压裂泵用石油阀块的锻造方法，其特征在于，在步骤S1中，退火处理后，将圆柱形钢锭两端的废料锯掉，入后放入炉中加热。
6.根据权利要求1所述的一种压裂泵用石油阀块的锻造方法，其特征在于，在步骤S2中，夹持装置夹持圆柱形钢锭的一端，采用上/下平砧压电渣锭表面，圆柱面先压一下形成两个平面，后转动90°压成四边形，再转动45°，上平砧下压，再转动90°，上平砧将钢锭压成八边形，最后将八边形钢锭的侧面边角倒钝。
7.根据权利要求6所述的一种压裂泵用石油阀块的锻造方法，其特征在于，在步骤S2中，每次压下量控制在30～40mm。
8.根据权利要求1所述的一种压裂泵用石油阀块的锻造方法，其特征在于，在步骤S5～S8中，每次拔长或镦粗后，均对其侧面的边角处锻打直至形成平面，而后放入炉中加热。
9.根据权利要求1所述的一种压裂泵用石油阀块的锻造方法，其特征在于，在步骤S5中，第一次拔长处理的锻造比为1.72；在步骤S6中，第一次镦粗处理的锻造比为1.93；在步骤S7中，第二次拔长处理的锻造比为2.25；在步骤S8中，第二次镦粗处理的锻造比为2.05。
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