Способ производства мелющих шаров Российский патент 2023 года по МПК B21H1/14 C21D9/36 C22C38/46 B23P15/00 

Изобретение относится к прокатному производству, в частности к способу производства мелющих шаров, применяемых в мельницах барабанного типа, используемых в горнорудной промышленности и на предприятиях по производству цемента.

Известен способ производства стальных мелющих шаров, 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 0,03-1,5; 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 сечению за 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 [Патент RU № 2596737, МПК C21D9/36, B21H1/14, C21D1/02, B23P15/00, C22C38/48, 2016].

Недостатком этого способа является то, что данный способ не позволяет получить шары пятой группы твердости со сквозной прокаливаемостью.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ производства мелящих шаров, включающий производство шаров с условным диаметром 80-100 мм, после прокатки шары подстуживают до температуры 740-800°С, закалку шаров производят в закалочной среде с выдержкой в течение от 3,0 до 4,0 мин, а последующий отпуск проводят при температуре 180-260°С и времени выдержки в течение от 180 до 320 мин, при этом после отпуска проводят самоотпуск с временем выдержки в течение от 12 до 48 часов. Способ включает производство шаров с условным диаметром 110-140 мм, после прокатки шары подстуживают до температуры 740-800°С, закалку шаров производят в закалочной среде с выдержкой в течение от 3,5 мин до 5,0 мин, а последующий отпуск проводят при температуре 180-260°С и времени выдержки от 180 до 320 мин, при этом после отпуска проводят самоотпуск с временем выдержки в течение от 12 до 48 часов [Патент RU № 2756671, МПК C21D9/36, C22С38/24, B21H1/14, 2021].

Недостатком данного способа является повышенная себестоимость производства стали в связи с наличием большего количества легирующих компонентов.

Технический результат предлагаемого технического решения заключается в разработке способа производства стальных мелющих шаров с условным диаметром от 30 до 40 мм, характеризующихся повышенной абразивной стойкостью.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе производства мелющих шаров, включающем выплавку стали, прокатку шаров и их термообработку, согласно изобретению выплавляют сталь, при этом содержание углерода, кремния, марганца, фосфора, серы, хрома, никеля, меди, молибдена, ванадия, ниобия, азота в стали следующие, мас.%:

углерод 0,6–0,8 кремний 0,15–0,4 марганец 0,6–1,4 фосфор не более 0,04 сера не более 0,04 хром 0,1-0,4 никель не более 0,3 медь не более 0,3 молибден не более 0,015 ванадий не более 0,015 ниобий не более 0,015 азот не более 0,015

при этом, углеродный эквивалент стали составляет 0,77–1,13, далее осуществляют разливку стали в заготовки квадратного сечения, затем указанные заготовки перекатывают в заготовки круглого сечения, диаметр которых соответствует условному диаметру конечных шаров в диапазоне 30–40 мм, осуществляют нагрев заготовок круглого сечения до температуры 1010–1160 °С, производят поперечно-винтовую прокатку с температурой конца прокатки 950 – 1100 °С, выполняют подстуживание шаров до температуры 770–890 °С, затем осуществляют их закалку до температуры 100–150 °С, а далее шары подвергают самоотпуску в течение не менее 12 часов.

Твердость мелющих шаров на поверхности составляет 61–70 HRC, на глубине 0,5 радиуса шара 55–70 HRC, а объемная твердость составляет 55–65 HRC.

На поверхности шара микроструктура состоит из мартенсита, а на глубине 0,5 радиуса шара из 95–100 % мартенсита и не более 5,0 % остаточного аустенита.

Размер действительного зерна аустенита шара перед закалкой составляет 6 – 8 баллов.

Сущность предложенного способа заключается в следующем.

Данный химический состав и получаемая после заявляемой термической обработки структура позволяют обеспечить снижение расходного коэффициента у клиентов при переработке стальных мелющих шаров в мельницах.

При содержании углерода менее 0,6 % снижается твердость шаров ниже допустимых значений.

При содержании углерода более 0,8% повышается хрупкость шаров и после проведения термической обработки возможно образование трещин.

Кремний является раскислителем стали, а также способствует повышению ее прочности и упругости после финальной термической обработки. При содержании кремния в количестве менее 0,1% сталь будет не достаточно раскисленной. Содержание кремния более 0,4% в сочетании с высоким содержанием углерода приводит к повышению хрупкости шаров.

Марганец выступает в качестве раскислителя стали и элемента, связывающего серу. Также марганец повышает прочность стали после финальной термической обработки, увеличивает прокаливаемость. Содержание марганца менее 0,6 % в стали, приводит к снижению прочности и к недостаточной прокаливаемости шаров. Содержание марганца более 1,4 %, при высоком содержании углерода и кремния, может привести к снижению пластичности стали.

Сера и фосфор являются вредными примесями, ухудшающими качество стали, поэтому содержание данных химических элементов следует ограничивать значением менее 0,04 % каждого.

Хром в количестве 0,1–0,4 % обеспечивает твердость и прочность стали, обеспечивает коррозионную стойкость шара и устойчивость к абразивному износу. Дальнейшее увеличение содержания хрома приводит к удорожанию стали.

Массовые доли меди, молибдена, ванадия, ниобия в установленных диапазонах позволяют обеспечивать необходимую твердость шаров. Их повышение выше заявленных значений приведет к образованию неметаллических включений и экономически нецелесообразно.

Азот присутствует в стали в виде хрупких неметаллических включений и ухудшает механические свойства мелющих шаров. Максимальное содержание азота в стали допустимо в количестве не более 0,015 %.

В металле должны отсутствовать дефекты макроструктуры, количество и размер неметаллических включений должен быть минимальным, не должно быть сетки по границам зерен, требуется минимизировать количество вредных примесей.

Получение углеродного эквивалента в заявляемом диапазоне позволяет получать шары без образования трещин на поверхности и обеспечивает повышенную абразивную стойкость.

При нагреве заготовки выше температуры 1160°С наблюдается рост зерна аустенита, что приводит к снижению ударостойкости шара и повышению абразивного износа. При нагреве заготовки ниже температуры 1010°С увеличиваются нагрузки на прокатные валки, что приводит к их преждевременному износу, необходимости частой настройки, а также риску получения сколов реборд.

При температуре конца прокатки выше 1100°С затрудняется захват заготовки прокатными валками, шары после прокатки имеют овальную форму, выходящую за пределы допустимых значений по ГОСТ 7524.

При температуре конца прокатки ниже 950°С увеличиваются нагрузки на прокатные валки, что приводит к их преждевременному износу, необходимости частой настройки а также риску получения сколов реборд.

При начале закалки с температуры ниже 770°С, закалка происходит из двухфазной области, не позволяющая получить целевую микроструктуру и необходимую твердость на поверхности шара согласно ГОСТ 7524. При начале закалки при температуре выше 890 °С значительно возрастают внутренние напряжения после закалки, что может привести к появлению трещин на поверхности шаров.

При повышении температуры конца закалки выше 150°С есть риск не достижения требуемой твердости и необходимой структуры металла. При температуре конца закалки ниже 100°С среднемассовая температура мелющих шаров недостаточна для снятия внутренних напряжений, что может спровоцировать появление трещин.

Самоотпуск является важной составляющей технологии термоупрочнения шаров. На стадии самоотпуска происходит завершение структурообразования в шарах, а также релаксация напряжений, возникающих в изделиях в процессе закалки. Для достижения требуемых свойств шаров их самоотпуск должен проходить в течение не менее 12 час.

Размер действительного зерна аустенита должен составлять 6–8 баллов – это обеспечивает высокую абразивную и ударную стойкость шаров.

В металле должны отсутствовать дефекты макроструктуры, количество и размер неметаллических включений должен быть минимальным, не должно быть сетки по границам зерен, требуется минимизировать количество вредных примесей.

Пример реализации.

В таблице 1 приведены варианты химических составов стали. В таблице 2 приведены контролируемые характеристики технологических параметров.

Согласно представленным данным в таблицах 1 и 2 при соблюдении указанных режимов термической обработки, мелющие шары обладают требуемыми характеристиками: микроструктурой, твердостью, размерами неметаллических включений, мелкозернистостью, а, следовательно, хорошо поддаются термической обработке и обладают низким абразивным износом.

Таблица 1

Химический состав сталей^*

№ п/п Массовая доля элементов, % C Si Mn P S Cr Cu Ni Сэкв 1 0,60 0,15 0,60 0,01 0,01 0,15 0,10 0,06 0,77 2 0,70 0,30 0,80 0,015 0,015 0,25 0,14 0,15 0,93 3 0,75 0,40 1,00 0,02 0,02 0,40 0,20 0,26 1,06

* - содержание меди, молибдена, ванадия, ниобия и азота составляло 0,014 %.

Таблица 2

Контролируемые параметры

№ п/п Тнп Ткп Тподст. Тзак. t отп, мин Твердость на поверхности, НRC Твердость на ½ радиуса, НRC Твердость объемная, НRC 1 1010 950 780 100 1200 70 65 65 2 1090 1030 830 130 1200 65 63 61 3 1160 1100 890 150 1200 62 60 58

Изобретение относится к способу производства мелющих шаров. Осуществляют разливку стали в заготовки квадратного сечения, затем указанные заготовки перекатывают в заготовки круглого сечения, диаметр которых соответствует условному диаметру конечных шаров в диапазоне 30–40 мм. Осуществляют нагрев заготовок круглого сечения до температуры 1010–1160°С. Производят поперечно-винтовую прокатку с температурой конца прокатки 950–1100°С. Выполняют подстуживание шаров до температуры 770–890°С. Затем осуществляют их закалку до температуры 100–150°С, а далее шары подвергают самоотпуску в течение не менее 12 часов. В результате повышается абразивная стойкость шаров. 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 пр.

1. Способ производства мелющих шаров, включающий выплавку стали, прокатку шаров и их термообработку, отличающийся тем, что выплавляют сталь, при этом содержание углерода, кремния, марганца, фосфора, серы, хрома, никеля, меди, молибдена, ванадия, ниобия, азота в стали следующее, мас.%:

углерод 0,6–0,8 кремний 0,1–0,4 марганец 0,6–1,4 фосфор не более 0,04 сера не более 0,04 хром 0,1–0,4 никель не более 0,3 медь не более 0,3 молибден не более 0,015 ванадий не более 0,015 ниобий не более 0,015 азот не более 0,015,

при этом углеродный эквивалент стали составляет 0,77–1,13, далее осуществляют разливку стали в заготовки квадратного сечения, затем указанные заготовки перекатывают в заготовки круглого сечения, диаметр которых соответствует условному диаметру конечных шаров в диапазоне 30–40 мм, осуществляют нагрев заготовок круглого сечения до температуры 1010–1160°С, производят поперечно-винтовую прокатку с температурой конца прокатки 950–1100°С, выполняют подстуживание шаров до температуры 770–890°С, затем осуществляют их закалку до температуры 100–150°С, а далее шары подвергают самоотпуску в течение не менее 12 часов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что твердость мелющих шаров на поверхности составляет 61–70 HRC, на глубине 0,5 радиуса шара 55–70 HRC, а объемная твердость составляет 55–65 HRC.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на поверхности шара микроструктура состоит из мартенсита, а на глубине 0,5 радиуса шара из 95–100 % мартенсита и не более 5,0 % остаточного аустенита.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что размер действительного зерна аустенита шара перед закалкой составляет 6–8 баллов.