一种适用于低温工况的不锈钢法兰及其生产工艺的制作方法与工艺

本发明属于金属加工处理技术领域，特别涉及一种适用于低温工况的不锈钢法兰及其生产工艺。

背景技术：
在现有的天然气生产中，为了方便运输，往往将气田生产的天然气净化处理后，再经超低温（-162℃）液化，形成液化天然气（LNG）；然而，该工艺系统温度极低，压力又较高，目前，工程中使用的耐低温材料为奥氏体不锈钢，但是单一的奥氏体不锈钢如F316或F316L各有优缺点，例如：F316材料强度性能优于F316L材料,但耐晶间腐蚀性能不如F316L材料，于是寻求既耐晶间腐蚀又能够在低温工况（设计温度为-196℃）下有较好强度性能的材料成为工程中的难点。由于F316/316L材料的化学成分与F316L一致，而强度与F316一致，这样就既具有良好的耐晶间腐蚀性能和良好的机械性能；实际应用中，法兰作为管线的连接件，于是在低温工况条件下，F316/316L材料法兰就成为了理想的产品；但是，由于F316/316L材料兼有两种材料的特性，实际生产中不易于锻造，故F316/316L材料的法兰锻造就成为行业内的一个开发热点。

技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种适用于低温工况的不锈钢法兰及其生产工艺。为了解决以上技术问题，本发明提供一种适用于低温工况的不锈钢法兰，包括通孔和法兰片，法兰片为圆盘状结构，通孔设置在法兰片的中心轴为中心线垂直法兰片设置，通孔的两端边缘处设有凸台，法兰片包括前法兰片、中法兰片组和后法兰片，且三者依次平行等间隔设置，中法兰片组由两个完全相同的法兰单元构成，且左右对称；前法兰片、法兰单元和后法兰片的直径相等，且前法兰片与后法兰片的厚度相同，前法兰片、法兰单元和后法兰片上沿其圆周方向分别等间隔设置有4个固定孔，分别为前固定孔、中固定孔和后固定孔，其孔径大小相等且位置相对应；中法兰片组与通孔连接处的根部设有圆环状卡槽。本发明进一步限定的技术方案是：进一步的，前述的适用于低温工况的不锈钢法兰，圆环状卡槽的深度为5-25mm。前述的适用于低温工况的不锈钢法兰，凸台的伸出长度为15-100mm。本发明还设计了一种适用于低温工况的不锈钢法兰的生产工艺，工艺步骤为：钢坯下料-锻造-锻尺寸与表面检查-热处理-机械粗加工-超声波检验-机械性能试验-机械精加工至所需形状与尺寸-清洁涂装；选用坯料为F316/316L材料，其化学成分的质量百分比为：C：0.25-0.35%，Si:0.85-1.25%，Mn:1.85-2.95%，P：0.04-0.05%，Ni:11-13%，Cr:16.5-17.5%，Nb：0.15-0.20%，Cu:0.85-0.95%，N:0.08-0.11%，Mo::2.15-2.95%，Al:0.2-0.3%，S：0.025-0.035%，Ti：0.03-0.04%，V：0.02-0.03%，B：0.002-0.004%，镧系稀土：3-5%，余量为Fe；镧系稀土的组分质量百分比为：镧：20-24%，铈：20-25%，钐：14-16%，钕：14-16%，钆：2-4%，镨：16-18%，镝：5-6%，其余镧系元素：1-3%，以上各组分之和为100%；钢坯下料：分析合格后，选用5000Kg以下的合金坯料进行电炉炼钢（真空电弧重熔或电渣重熔），下料时切除量为钢锭的24-26%；坯料在电炉中加热至700℃后，控制在3分钟内快速加热至始锻温度，本发明中控制好坯料从入炉加热到出炉锻造之间所需要的时间，700℃以后快速加热到始锻温度，在高温下停留时间短，防止晶粒的急剧增大，确保了材料的性能不受影响；始锻温度为1100-1200℃；锻造：锻造方法选用自由锻，终锻温度控制＞900℃，控制锻造比＞3；本发明中下料时必须有足够的切除量，为钢锭的24-26%，用以消除缩孔和偏析部分；锻造时，控制始锻温度为1100-1200℃，锻造方法选用自由锻，终锻温度控制＞900℃，控制锻造比＞3，特别是终锻温度不能太低，否则会增加变形抗力，低于900℃不得进行锻造；热处理：热处理采用固溶处理，热处理设备采用罩式炉，具体为：采用三段加热，第一段加热温度为700-750℃，到温后保温10-15min，第二段加热温度为850-880℃，到温后保温35-40min，第三段加热温度为1010-1150℃，到温后保温15-18min；冷却时控制冷却速度为5.5-6℃每秒，冷却方式为锻件放入具有循环流动水的水池内，保证锻件能够在3分钟内冷却至40℃；锻造后的热处理对F316/316L材料至关重要，是开发F316/316L材料锻件的关键因素，本发明中热处理采用固溶处理，控制加热稳固与冷却速度，使得锻造出的锻件能够适应在-196℃，同时又有晶间腐蚀的工况条件下使用，同时兼具优异的机械性能。本发明进一步限定的技术方案是：进一步的，前述的适用于低温工况的不锈钢法兰的生产工艺，工艺步骤为：钢坯下料-锻造-锻尺寸与表面检查-热处理-机械粗加工-超声波检验-机械性能试验-机械精加工至所需形状与尺寸-清洁涂装；选用坯料为F316/316L材料，其化学成分的质量百分比为：C：0.30%，Si:0.95%，Mn:2.65%，P：0.045%，Ni:12%，Cr:17%，Nb：0.18%，Cu:0.95%，N:0.095%，Mo::2.65%，Al:0.25%，S：0.03%，Ti：0.035%，V：0.025%，B：0.003%，镧系稀土：4%，余量为Fe；镧系稀土的组分质量百分比为：镧：20%，铈：25%，钐：14%，钕：14%，钆：2%，镨：18%，镝：6%，其余镧系元素：1%；钢坯下料：分析合格后，选用5000Kg以下的合金坯料进行电炉炼钢（真空电弧重熔或电渣重熔），下料时切除量为钢锭的25%；坯料在电炉中加热至700℃后，控制在3分钟内快速加热至始锻温度，始锻温度为1100℃；锻造：锻造方法选用自由锻，终锻温度控制＞900℃，控制锻造比＞3；热处理：热处理采用固溶处理，热处理设备采用罩式炉，具体为：采用三段加热，第一段加热温度为700℃，到温后保温15min，第二段加热温度为850℃，到温后保温40min，第三段加热温度为1010℃，到温后保温18min；冷却时控制冷却速度为6℃每秒，保证锻件能够在3分钟内冷却至40℃。前述的适用于低温工况的不锈钢法兰的生产工艺，工艺步骤为：钢坯下料-锻造-锻尺寸与表面检查-热处理-机械粗加工-超声波检验-机械性能试验-机械精加工至所需形状与尺寸-清洁涂装；选用坯料为F316/316L材料，其化学成分的质量百分比为：C：0.28%，Si:1.15%，Mn:2.85%，P：0.043%，Ni:11%，Cr:16.5%，Nb：0.18%，Cu:0.9%，N:0.095%，Mo::2.85%，Al:0.25%，S：0.03%，Ti：0.036%，V：0.025%，B：0.003%，镧系稀土：5%，余量为Fe；镧系稀土的组分质量百分比为：镧：20%，铈：25%，钐：14%，钕：14%，钆：4%，镨：16%，镝：5%，其余镧系元素：2%，以上各组分之和为100%；钢坯下料：分析合格后，选用5000Kg以下的合金坯料进行电炉炼钢（真空电弧重熔或电渣重熔），下料时切除量为钢锭的25%；坯料在电炉中加热至700℃后，控制在3分钟内快速加热至始锻温度，始锻温度为1100℃；锻造：锻造方法选用自由锻，终锻温度控制＞900℃，控制锻造比＞3；热处理：热处理采用固溶处理，热处理设备采用罩式炉，具体为：采用三段加热，第一段加热温度为725℃，到温后保温11min，第二段加热温度为865℃，到温后保温38min，第三段加热温度为1025℃，到温后保温15min；冷却时控制冷却速度为5.8℃每秒，保证锻件能够在3分钟内冷却至40℃。本发明的有益效果是：本发明所设计的适用于低温工况的不锈钢法兰的生产工艺，生产的法兰，其抗拉强度≥520MPa；延伸≥38%；布氏硬度180≥HB≥140；-196℃冲击功：横向侧膨胀量大于0.38mm；同时，具有良好的耐晶间腐蚀的性能。附图说明图1为本发明所设计的适用于低温工况的不锈钢法兰的正视图；图2为本发明所设计的适用于低温工况的不锈钢法兰的侧面剖视图。具体实施方式实施例1结构如图1和图2所示，本实施例提供的一种适用于低温工况的不锈钢法兰，包括通孔1和法兰片，法兰片为圆盘状结构，通孔1设置在法兰片的中心轴为中心线垂直法兰片设置，通孔1的两端边缘处设有凸台2，法兰片包括前法兰片6、中法兰片组4和后法兰片8，且三者依次平行等间隔设置，中法兰片组4由两个完全相同的法兰单元构成，且左右对称；前法兰片6、法兰单元和后法兰片8的直径相等，且前法兰片6与后法兰片8的厚度相同，前法兰片6、法兰单元和后法兰片8上沿其圆周方向分别等间隔设置有4个固定孔，分别为前固定孔7、中固定孔5和后固定孔9，其孔径大小相等且位置相对应；中法兰片组4与通孔1连接处的根部设有圆环状卡槽3；圆环状卡槽3的深度为5-25mm；凸台2的伸出长度为15-100mm。本实施例的不锈钢法兰的生产工艺步骤为：钢坯下料-锻造-锻尺寸与表面检查-热处理-机械粗加工-超声波检验-机械性能试验-机械精加工至所需形状与尺寸-清洁涂装；选用坯料为F316/316L材料，其化学成分的质量百分比为：C：0.30%，Si:0.95%，Mn:2.65%，P：0.045%，Ni:12%，Cr:17%，Nb：0.18%，Cu:0.95%，N:0.095%，Mo::2.65%，Al:0.25%，S：0.03%，Ti：0.035%，V：0.025%，B：0.003%，镧系稀土：4%，余量为Fe；镧系稀土的组分质量百分比为：镧：20%，铈：25%，钐：14%，钕：14%，钆：2%，镨：18%，镝：6%，其余镧系元素：1%；钢坯下料：分析合格后，选用5000Kg以下的合金坯料进行电炉炼钢（真空电弧重熔或电渣重熔），下料时切除量为钢锭的25%；坯料在电炉中加热至700℃后，控制在3分钟内快速加热至始锻温度，始锻温度为1100℃；锻造：锻造方法选用自由锻，终锻温度控制＞900℃，控制锻造比＞3；热处理：热处理采用固溶处理，热处理设备采用罩式炉，具体为：采用三段加热，第一段加热温度为700℃，到温后保温15min，第二段加热温度为850℃，到温后保温40min，第三段加热温度为1010℃，到温后保温18min；冷却时控制冷却速度为6℃每秒，保证锻件能够在3分钟内冷却至40℃。实施例2结构如图1和图2所示，本实施例提供的一种适用于低温工况的不锈钢法兰，包括通孔1和法兰片，法兰片为圆盘状结构，通孔1设置在法兰片的中心轴为中心线垂直法兰片设置，通孔1的两端边缘处设有凸台2，法兰片包括前法兰片6、中法兰片组4和后法兰片8，且三者依次平行等间隔设置，中法兰片组4由两个完全相同的法兰单元构成，且左右对称；前法兰片6、法兰单元和后法兰片8的直径相等，且前法兰片6与后法兰片8的厚度相同，前法兰片6、法兰单元和后法兰片8上沿其圆周方向分别等间隔设置有4个固定孔，分别为前固定孔7、中固定孔5和后固定孔9，其孔径大小相等且位置相对应；中法兰片组4与通孔1连接处的根部设有圆环状卡槽3；圆环状卡槽3的深度为5-25mm；凸台2的伸出长度为15-100mm。本实施例的生产工艺步骤为：钢坯下料-锻造-锻尺寸与表面检查-热处理-机械粗加工-超声波检验-机械性能试验-机械精加工至所需形状与尺寸-清洁涂装；选用坯料为F316/316L材料，其化学成分的质量百分比为：C：0.28%，Si:1.15%，Mn:2.85%，P：0.043%，Ni:11%，Cr:16.5%，Nb：0.18%，Cu:0.9%，N:0.095%，Mo::2.85%，Al:0.25%，S：0.03%，Ti：0.036%，V：0.025%，B：0.003%，镧系稀土：5%，余量为Fe；镧系稀土的组分质量百分比为：镧：20%，铈：25%，钐：14%，钕：14%，钆：4%，镨：16%，镝：5%，其余镧系元素：2%，以上各组分之和为100%；钢坯下料：分析合格后，选用5000Kg以下的合金坯料进行电炉炼钢（真空电弧重熔或电渣重熔），下料时切除量为钢锭的25%；坯料在电炉中加热至700℃后，控制在3分钟内快速加热至始锻温度，始锻温度为1100℃；锻造：锻造方法选用自由锻，终锻温度控制＞900℃，控制锻造比＞3；热处理：热处理采用固溶处理，热处理设备采用罩式炉，具体为：采用三段加热，第一段加热温度为725℃，到温后保温11min，第二段加热温度为865℃，到温后保温38min，第三段加热温度为1025℃，到温后保温15min；冷却时控制冷却速度为5.8℃每秒，保证锻件能够在3分钟内冷却至40℃。以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。