Способ производства мелющих шаров Российский патент 2021 года по МПК C21D9/36 C21D1/00 B21H1/14 

Изобретение относится к прокатному производству, в частности к термической обработке мелющих шаров.

Известны изобретения получения стали для производства мелющих шаров: патент RU №2415194 C1 «Сталь» МПК⁶ C22C 38/38; C22C 38/34; C22C 38/32, опубликованного 27.03.2011,бюл.9 [1], патент RU №2425168 С2 «Сталь» МПК⁶ C22C 38/26, опубликованного 27.07.2011, бюл.21 [2], патент RU №2425169 «Сталь» МПК⁶ C22C 38/40, опубликованного 27.07.2011, бюл.21 [3], а также авторские свидетельства, авторское свидетельство SU1497262 A1 «Сталь» МПК⁶ C22C 38/14, конвенционный приоритет 13.01.1988 [4], Авторское свидетельство SU1446189 A1 «Сталь» МПК⁶ C22C 38/16, опубликованного 23.12.1988 [5].

Известен способ производства стальных мелющих шаров патент RU №2596737 С1 МПК⁶ C21D 9/36; B21H 1/14; C21D 1/02; B23P 15/00 ; C22C 38/40, опубликованного 10.09.2016, бюл.25 [6], включающий нагрев непрерывнолитой заготовки , прокатку на сортовом стане горячей прокатки круглых заготовок соответствующего размера, последующий их нагрев в индукционном устройстве, прокатку из них шаров на стане поперечно-винтовой прокатки при температуре 950-1050°C, подстуживание шаров перед закалкой, закалку и самоотпуск шаров в контейнерах, при этом квадратную непрерывнолитую заготовку изготавливают сечением (100-150)×(100-150) мм. из стали со следующим соотношением компонентов, мас %: углерод 0,6-1,05; кремний 0,15-2,0; марганец 0,2-1,2; хром 0,03-0,5; медь 0,03-0,40; железо и неизбежные примеси остальное, а нагрев круглых заготовок производят в индукционном устройстве до температуры на выходе из индукторов 1070-1140°C, подстуживание шаров до температуры закалки 840-900°C осуществляют в подстуживающем барабане со скоростью его вращения в диапазоне 6,0-22,0 об/мин с выравниванием температуры шаров по сечениюза счет вращения шаров в барабане в течение менее 2 мин, а закалку шаров производят в закалочном барабане со скоростью его вращения в диапазоне 0,4-2,5 об/мин проточной водой температурой 25-42°C до температуры шаров после закалки 125-160°C.

Недостатком этого способа является то что данный способ не позволяет получить 5 группу твердости со сплошной прокаливаемостью, а только частичную прокаливамость отвечающую 4-ой группе, и имеет более низкий градиент.

Известно устройство и способ термической обработки шаров, патент RU 2455369 С1 МПК⁶ C21D 9/36, опубликованного 10.07.2012, бюл.19 [7], включающий после штамповочного или прокатного нагрева подстуживание шаров с температуры штамповки или прокатки до температуры закалки, закалку путем охлаждения шаров с температуры закалки в воде и отпуск, при этом перед закалкой производят выравнивание температуры шаров, а затем их подстуживание водой со скоростью охлаждения не более 12 град./с на 150-200°С ниже температуры конца прокатки или штамповки.

Недостатком этого способа является, что в нем отсутствует технология получения шаров 5 группы твердости. Также существенным отличием в технологии является температура шаров перед закалкой которая составляет 830-900°С, что подразумевает применение сталей целевого назначения ниже 5 группы твердости.

Известен способ термической обработки мелющих шаров патент №2113513 МПК⁶ C21D 9/36; B21H 1/14, опубликованного 10.09.2016, бюл.25 [8], включающий прокатку, подстуживание до температуры закалки в течение 2-12мин. и закалку.

Известен способ термической обработки мелющих шаров авторское свидетельство №1344793 А1 МПК⁶ C21D 9/36, опубликованного 15.10.1987 [9], включающий нагрев до температуры аустенизации, выдержку, подстуживание, и закалку в воде, при этом подстуживание осуществляют со скоростью 20-50°С/с до достижения средней по сечению шаров температуры 600-700°С.

Недостатком этих способов является то что режимы термической обработки не позволяют получать сплошную прокаливаемость шаров.

Наиболее близким (прототипом) по технической сущности к

заявленному устройству, по количеству сходных признаков, является патент RU2634541 C1 «Способ и устройство термической обработки шаров» МПК⁶ C21D 9/36, опубликованного 31.10.2017, бюл.31 [10], включающий выравнивание температуры шаров с температуры штамповки или прокатки до температуры закалки на воздухе при их размещении на конвейере, охлаждение в воде с температуры закалки во вращающемся закалочном барабане и отпуск, при этом выравнивание температуры шаров до температуры закалки на воздухе производят в течение более 40 с при размещении на конвейере, выполненном с возможностью размещения по одному шару в каждом из его конструктивных элементов, а охлаждение шаров в воде производят до температуры ниже точки начала мартенситного превращения Мн, при этом шары равномерно и по одному размещены в ячейках закалочного барабана, в которые подают воду для омывания шаров, затем проводят отпуск шаров путем нагрева и термостатирования в печи и последующее окончательное охлаждение

Технический результат на достижение которого направлено предполагаемое изобретение является: повышение эксплуатационной стойкости шаров, получение мелющих шаров с объемной твердостью, характеризующейся 5 группой твердости по ГОСТ 7524-2015 в масштабах производства.

Технический результат достигается тем, что в способе получения мелющих шаров с объемной твердостью из стали, содержащей  мас.% : С 0,71-0,75; Mn 0,90-1,00; Si 0,25-0,35; Al менее 0,010; P менее 0,015; S менее 0,010; Cr 0,40- 0,45; Ni 0,10-0,14; Cu менее 0,020; V 0,08-0,12; Mo менее 0,010; Ti менее 0,015; H менее 0,0003; железо – остальное, включающий прокатку, охлаждение шаров, закалку, отпуск, согласно изобретения после прокатки или после нагрева, шары подстуживают до температуры  750-820°С,  а затем подвергают закалке в закалочной среде, при этом время выдержки составляет  соответственно: дляшаров с условным диаметром 15-35 мм от 1,0 до 2,0 мин, для шаров условным диаметром 40-50 мм от 1,5 мин до 3,0 мин, а для шаров с условным диаметром 60-80 мм от 2,5 до 3,5 мин с последующим отпуском соответственно: для шаров с условным диаметром 15-35 мм осуществляют при температуре 150-190°С, для шаров с условным диаметром 40-80 мм при температуре 160-220°С и временем выдержки от 140 до 280 мин.

Кроме того, в качестве закалочной среды используют воду или прочую среду с удельной теплоемкостью от 3800 до 4000 Дж/кг⋅град., коэффициентом теплопроводности от 0,4 до 0,7 Вт/м⋅град., а также благодаря тому, что последующий отпуск проводят либо только при низкотемпературном или при многостадийном отпуске.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Использование предлагаемого способа обеспечивает получение мартенситной структуры по всей глубине мелющих шаров. Мартенситная структура в сталях образуется при высокой скорости охлаждения, при фазовом переходе ниже точки AC3 (точки начала аустенизации) до окончания превращения, согласно кинетики превращения по диаграммам переохлажденного аустенита. Получение сплошной прокаливаемости возможно при высокой скорости охлаждения как поверхности, так и сердцевины (центра) шаров. Особенно сложно достичь такого превращения при больших диаметрах шаров.

Шар, является фигурой с максимальной массовостью объекта (отношение массы к объему), поэтому зеркало теплоотдачи в среде максимально мало. По закону Фурье теплоотдача начинается от поверхности шара и заканчивается центром шара, поэтому максимальный эффект возможно получить на тех материалах у которых кинематика превращения происходит с максимальной теплопроводностью внутри объекта.

Кроме этого, сплошная прокаливаемость создает внутренние напряжения (интенсивно остывающая поверхность имеет более плотную структуру, чем внутренняя часть материала и при дальнейшем охлаждении создается послойноезавершение превращения), которые за счет разницы состояния вызывают появление дислокаций и затем могут привести к появлению трещин на шарах, что недопустимо согласно ГОСТ 7524-2015.

Химический состав стали для производства мелющих шаров, содержащий  мас.% : С 0,71-0,75; Mn 0,90-1,00; Si 0,25-0,35; Al менее 0,010; P менее 0,015; S менее 0,010; Cr 0,40- 0,45; Ni 0,10-0,14; Cu менее 0,020; V 0,08-0,12; Mo менее 0,010; Ti менее 0,015; H менее 0,0003; железо - остальное, позволяет решить данное противоречие, обеспечить высокую твердость как поверхности так и внутренней зоны готовых шаров, исключить возникновение внутренних напряжений, а также определить для шаров больших диаметров режимы термической обработки.

Подстуживание мелющих шаров до температуры 750-820°С после прокатки, или после нагрева позволяет обеспечить требуемую температуру начала закалки. Отклонение от указанного интервала температур как выше 820°С, так и ниже 750°С не позволяет начать закалку шаров с температур, обеспечивающих полную закалку, при неполной закалке образуется смешенная структура троостита и мартенсита или бейнита и мартенсита, что снижает твердость шаров ниже установленного норматива.

Длительность процесса закалки регулируют в зависимости от диаметра шаров, группы их твердости и химического состава стали. Например, при получении мелющих шаров 5 группы твердости длительность закалки шаров условным диаметром 15-35 мм - 1,0 - 2,0 мин, для шаров условным диаметром 40-50 мм - 1,5 - 3,0 мин, для шаров с условным диаметром 60-80 мм - 2,5 - 3,5 мин.

Увеличение времени пребывания мелющих шаров в закалочной среде свыше установленных границ нецелесообразно, т.к. данного времени достаточно для прохождения объемной прокаливаемости.

Уменьшение времени пребывания мелющих шаров в закалочной среде ниже установленных границ приведёт к недостаточной прокаливаемости шара и отсутствию получения объемной твердости.

Последующий отпуск мелющих шаров с условным диаметром 40-50 мм и 60-80мм осуществляют при температуре 160-220°С, а мелющих шаров с условным диаметром 15-35 мм при температуре 150-190°С, что позволяет произвести снятие поверхностных напряжений, возникающих в процессе закалки

Отклонение от указанного диапазона температур ниже установленного значения приведет к отсутствию прогревания поверхности и в дальнейшем к возможности образования трещин, а превышение у установленного значения температуры приведет к началу преобразований в зернах (характерно отпускной хрупкости первого рода) и появлению охрупчивания поверхности.

Длительность процесса выдержки для мелющих шаров любого условного диаметра составляет 140-280 мин, что обеспечивает достаточность проведения процесса отпуска.

Способ получения мелющих шаров с объемной твердостью работает следующим образом.

Получение мелющих шаров с условными диаметрами от 40 мм до 80 мм, отвечающих требованиям 5 группы твердости возможно с использованием материала шаров из марки стали 70ХГФН-2, содержащем, мас%: С 0,71-0,75; Mn 0,90-1,00; Si 0,25-0,35; Al менее 0,010; P менее 0,015; S менее 0,010; Cr 0,40- 0,45; Ni 0,10-0,14; Cu менее 0,020; V 0,08-0,12; Mo менее 0,010; Ti менее 0,015; H менее 0,0003; железо - остальное, при проведении соответствующей термической обработки.

Технология термической обработки заключается в следующих этапах:

1. Прокатка, или нагрев мелющих шаров при температуре 950-1050°С.

2. Подстуживание мелющих шаров условным диаметром 40-80 мм до температур 750-820°С, после прокатки, либо нагрева шаров до заданных температур.

3. Закалка мелющих шаров в воде:

- с условным диаметром 15-80 при температурном диапазоне от 45°С до 58°С, с временем выдержки: (этого нет в формуле изобретении),

- для шаров условным диаметром 15-35 мм от 1,0 мин до 2 мин,

- для шаров условным диаметром 40-50 мм от 1,5 мин до 3 мин,

- для шаров условным диаметром 60-80 мм от 2,5 до 3,5 мин,

либо в прочей среде с удельной теплоемкостью от 3800 Дж/кг⋅град до 4400 Дж/кг⋅град. и коэффициентом теплопроводности от 0,4 Вт/м·град до 0,7 Вт/м⋅град, с соблюдением тех-же температурно-временных параметров.

4. Последующее проведение низкотемпературного одно или многостадийного отпуска шаров условным диаметром 40-80 при температуре 160-220°С с временем выдержки от 140 до 280 мин.

Пример конкретного выполнения способа.

Испытание по технологии предлагаемого изобретения были осуществлены на участке шаропрокатного стана рельсобалочного цеха АО «ЕВРАЗ НТМК» при производстве шаров Ø60-80 мм. марок стали 70ХГФН-2

Прокатку мелющих шаров с условными диаметрами от 40 мм до 80 мм производили на стане поперечно-винтовой прокатки при температуре 950-1050°С. Затем мелющие шары подстуживали на воздухе до температуры 780°С. После чего в закалочных барабанах осуществляли закалку мелющих шаров в воде с длительностью выдержки:

- для шаров условным диаметром 15-35 мм от 1,5 мин

- для шаров условным диаметром 40-50 мм от 2 мин,

- для шаров условным диаметром 60-80 мм от 3,0 мин.

Далее производили низкотемпературный отпуск шаров с условным

диаметром 40-80 мм при температуре 180°С с длительностью выдержки до 200 мин. Твердость шаров составила: для шаров Ø60 мм на поверхности 63 HRC на поверхности 59 HRC – объемная твердость, для шаров Ø80 мм на поверхности 60 HRC на поверхности 51 HRC – объемная твердость.

Химический состав стали приведен в таблице 1

Таблица 1.

Химический состав марки стали 70ХГФН-2

С, % Mn, % Si, % Al, % P, % S, % Cr, % Ni, % Сu, % V, % Mo, % Ti, % H, ppm Fe 0,71-0,75 0,90-1,0 0,25-0,35 <0,01 <0,015 <0,01 0,40-0,45 0,10-0,14 <0,02 0,08-0,12 <0,01 <0,015 <3,0 остальное

Варианты реализации предложенного способа и показатели их эффективности приведены в таблице 2.

Регламентируемые значения твердости мелющих шаров 5 группы

Условный диаметр шара, мм Твердость, HRC/HB, не менее Поверхность шара Объемная От 15 до 45 включ. 61/601 57/555 От 50 до 70 включ. 60/590 53/514 От 80 до 100 включ. 58/567 48/453 От 110 до 120 включ. 56/545 43/401

где объемную твердость (ОТ) вычисляют по формуле:

ОТ=0,289T_пов+0,436T_0,25+0,203T_0,5+0,63T_0,75+0,009T_ц,

где T_пов – значение твердости поверхности шара,

Tц – значение твердости центра шара,

T_0,25, T_0,5, T_0,75 – значение твердости на расстоянии от поверхности шара.

Обеспечивается: получение мелющих шаров с объемной твердостью, характеризующейся 5 группой твердости по ГОСТ 7524-2015 в масштабах производства для шаров от 15 до 80 мм.

Таким образом, данное техническое решение соответствует критерию «новизна».

Анализ патентов и научно-технической информации не выявил использования новых существенных признаков, используемых в предлагаемом решении. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Подтверждено, что использование предлагаемого изобретения позволяет:

- получать мелющие шары 5 группы твердости диаметрами от 15 до 80 мм.

- за 2019 год отгружено потребителю 3304,84 т. шаров 5 группы твердости из данной марки стали.

Изобретение относится к прокатному производству, в частности к термической обработке мелющих шаров из стали, содержащей, мас.%: С 0,71-0,75; Mn 0,90-1,00; Si 0,25-0,35; Al менее 0,010; P менее 0,015; S менее 0,010; Cr 0,40-0,45; Ni 0,10-0,14; Cu менее 0,020; V 0,08-0,12; Mo менее 0,010; Ti менее 0,015; H менее 0,0003; железо - остальное. Способ включает прокатку шаров или нагрев шаров при температуре 950-1050°С, последующее подстуживание до температуры 750-820°С, закалку шаров в закалочной среде и последующий отпуск шаров. Длительность закалки регулируют в зависимости от диаметра шаров: для шаров с условным диаметром 15-35 мм от 1,0 до 2,0 мин, для шаров с условным диаметром 40-50 мм от 1,5 до 3,0 мин, а для шаров с условным диаметром 60-80 мм от 2,5 до 3,5 мин. Последующий отпуск шаров производят при длительности выдержки от 140 до 280 мин. Отпуск шаров с условным диаметром 15-35 мм осуществляют при температуре 150-190°С, а шаров с условным диаметром 40-80 мм при температуре 160-220°С. Изобретение направлено на повышение эксплуатационной стойкости шаров, получение мелющих шаров с объемной твердостью, характеризующейся 5 группой твердости по ГОСТ 7524-2015 в масштабах производства. 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

1. Способ производства мелющих шаров с объемной твердостью из стали, содержащей, мас.%: С 0,71-0,75; Mn 0,90-1,00; Si 0,25-0,35; Al менее 0,010; P менее 0,015; S менее 0,010; Cr 0,40-0,45; Ni 0,10-0,14; Cu менее 0,020; V 0,08-0,12; Mo менее 0,010; Ti менее 0,015; H менее 0,0003; железо - остальное, включающий прокатку шаров или нагрев шаров при температуре 950-1050°С, закалку и последующий отпуск шаров, отличающийся тем, что после прокатки или после упомянутого нагрева, шары подстуживают до температуры 750-820°С, затем шары подвергают закалке в закалочной среде, при этом длительность закалки регулируют в зависимости от диаметра шаров: для шаров с условным диаметром 15-35 мм от 1,0 до 2,0 мин, для шаров с условным диаметром 40-50 мм от 1,5 до 3,0 мин, а для шаров с условным диаметром 60-80 мм от 2,5 до 3,5 мин, а последующий отпуск шаров производят при длительности выдержки от 140 до 280 мин, причем отпуск шаров с условным диаметром 15-35 мм осуществляют при температуре 150-190°С, а шаров с условным диаметром 40-80 мм при температуре 160-220°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве закалочной среды используют воду или прочую среду с удельной теплоемкостью от 3800 до 4000 Дж/кг⋅град и коэффициентом теплопроводности от 0,4 до 0,7 Вт/м⋅град.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что последующий отпуск проводят в виде низкотемпературного одно- или многостадийного отпуска.