Способ производства мелющих шаров (варианты) Российский патент 2023 года по МПК B21H1/14 C21D9/36 C22C38/00 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 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 [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 ударостойкие шары в связи с использованием в производстве эвтектоидных и заэвтектоидных сталей.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ производства мелющих шаров, включающий 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 [Патент RU № 2745922, МПК C21D9/36, C21D1/00, 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 100 мм, характеризующихся повышенной ударостойкостью.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе производства мелющих шаров, по варианту 1, включающему выплавку стали, прокатку шаров и их термообработку, согласно изобретению, выплавляют сталь, при этом содержание углерода, кремния, марганца, фосфора, серы и хрома в стали следующее, мас. %:

Углерод 0,5–0,75 Кремний не более 0,4 Марганец 0,4–1,4 Фосфор не более 0,04 Сера не более 0,04 Хром не более 0,25

при этом, углеродный эквивалент стали составляет 0,6 – 1,10, 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 60 – 100 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 780 – 890 °С, затем осуществляют закалку шаров до температуры 160 – 250 °С, а далее шары подвергают отпуску при температуре 220 – 300 °С в течение 45 – 80 мин.

Твердость производимого мелющего шара на поверхности составляет 53 – 65 HRC, а на глубине 0,5 радиуса шара 38 – 55 HRC. На поверхности микроструктура мелющего шара состоит из мартенсита, а на глубине 0,5 радиуса шара из 85 – 95 % мартенсита и 5 – 15 % остаточного аустенита.

Также, указанный технический результат достигается тем, что в способе производства мелющих шаров, по варианту 2, включающему выплавку стали, прокатку шаров и их термообработку, согласно изобретению, выплавляют сталь, при этом содержание углерода, кремния, марганца, фосфора, серы и хрома в стали следующее, мас. %:

Углерод 0,4–0,75 Кремний не более 0,4 Марганец 0,4–1,4 Фосфор не более 0,04 Сера не более 0,04 Хром не более 0,25

при этом, углеродный эквивалент стали составляет 0,5 – 1,10, далее осуществляют разливку стали в заготовки квадратного сечения, затем указанные заготовки перекатывают в заготовки круглого сечения, диаметр которых соответствует условному диаметру конечного шара 30 – 50 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 780 – 890 °С, затем осуществляют закалку шаров до температуры 150 – 210 °С, а далее шары подвергают самоотпуску в течение не менее 20 часов.

Твердость производимого мелющего шара на поверхности составляет 56 – 65 HRC, а на глубине 0,5 радиуса шара 38 – 58 HRC. На поверхности микроструктура мелющего шара состоит из мартенсита, а на глубине 0,5 радиуса шара из 85 – 95 % мартенсита и 5 – 15 % остаточного аустенита.

Сущность предложенного способа заключается в следующем.

Данный химический состав стали 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 0,5 %, для диаметров шаров 60 – 100 мм, и 0,4 %, для диаметров шаров 30 – 50 мм, снижается твердость шаров ниже допустимых значений.

При содержании углерода более 0,75% 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. 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 0,4 % в стали, приводит к снижению прочности 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 до 0,25 % обеспечивает твердость и прочность стали, обеспечивает коррозионную стойкость шара и устойчивость к абразивному износу. Дальнейшее увеличение содержание хрома приводит к удорожанию стали.

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

При нагреве заготовки выше температуры 1160°С наблюдается рост зерна аустенита, что приводит к снижению ударостойкости шара. 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 ниже 780°С - закалка происходит из двухфазной области, что не позволяет 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 температуре закалки выше 250°С для производства стальных мелющих шаров 60-100 мм (вариант 1), есть риск не достижения требуемой твердости и необходимой структуры металла. При температуре закалки ниже 160°С среднемассовая температура мелющих шаров недостаточна для снятия внутренних напряжений, что может спровоцировать появление трещин.

При понижении температуры отпуска ниже 220 °С, с минимальным временем 45 минут для стальных мелющих шаров 60-100 мм, не происходит релаксация внутренних напряжений. При температуре отпуска выше 300°С существует вероятность разупрочнения поверхности.

При повышении температуры закалки выше 210°С для производства стальных мелющих шаров 30-50 мм (вариант 2), есть риск не достижения требуемой твердости и необходимой структуры металла. При температуре закалки ниже 150°С среднемассовая температура мелющих шаров недостаточна для снятия внутренних напряжений, что может спровоцировать появление трещин.

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 таблицах 2 и 2.1 приведены контролируемые характеристики технологических параметров.

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

При соблюдении заявленных технологических параметров обеспечивается достижение заявленных свойств, что позволяет использовать шары в барабанных мельницах мокрого помола, при этом срок службы шаров увеличивается.

Таблица 1

Химический состав сталей

№ п/п Массовая доля элементов, % C Si Mn P S Cr Сэкв 1 0,60 0,20 0,60 0,015 0,015 0,15 0,74 2 0,65 0,30 0,75 0,015 0,015 0,20 0,83 3 0,75 0,40 0,9 0,02 0,015 0,25 0,97

Таблица 2

Контролируемые параметры для стальных мелющих шаров 30-50 мм

№ п/п Диаметр шара,мм Тнп Ткп Тподст. Тзак. t отп, мин На поверхности шара ед. НRC На 1/2R шара ед. НRC Суммарная энергия ударов, Дж 1 30 1010 950 780 150 1200 63 58 10000 2 40 1090 1030 830 180 1200 58 55 11800 3 50 1160 1100 880 210 1200 53 48 12500

Таблица 2.1

Контролируемые параметры для стальных мелющих шаров 60-100 мм

№ п/п Диаметр шара,мм Тнп Ткп Тподст. Тзак. Тотп. t отп, мин На поверхности шара ед. НRC На 1/2R шара ед. НRC Суммарная энергия ударов, Дж 1 60 1010 950 780 170 230 50 59 53 15000 2 80 1090 1030 830 210 250 70 57 46 20000 3 100 1160 1100 880 240 270 85 55 40 23400

Изобретение относится к производству мелющих шаров. Осуществляют выплавку стали, прокатку шаров и их термообработку. Осуществляют разливку стали в заготовки квадратного сечения. Указанные заготовки перекатывают в заготовки круглого сечения, диаметр которых соответствует условному диаметру конечных шаров в диапазоне 60–100 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 780–890°С. Осуществляют закалку шаров до температуры 160–250°С. Далее шары подвергают отпуску при температуре 220–300°С в течение 45–80 мин. В результате повышается ударостойкость шаров. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 табл.

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 и хрома в стали следующее, мас. %:

Углерод 0,5–0,75 Кремний не более 0,4 Марганец 0,4–1,4 Фосфор не более 0,04 Сера не более 0,04 Хром не более 0,25

при этом углеродный эквивалент стали составляет 0,6–1,10, 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 60–100 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 780–890°С, затем осуществляют закалку шаров до температуры 160–250°С, а далее шары подвергают отпуску при температуре 220–300°С в течение 45–80 мин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что твердость мелющего шара на поверхности составляет 53–65 HRC, а на глубине 0,5 радиуса шара 38–55 HRC.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на поверхности микроструктура мелющего шара состоит из мартенсита, а на глубине 0,5 радиуса шара из 85–95 % мартенсита и 5–15 % остаточного аустенита.

4. 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 и хрома в стали следующее, мас. %:

Углерод 0,4–0,75 Кремний не более 0,4 Марганец 0,4–1,4 Фосфор не более 0,04 Сера не более 0,04 Хром не более 0,25

при этом углеродный эквивалент стали составляет 0,5–1,10, далее осуществляют разливку стали в заготовки квадратного сечения, затем указанные заготовки перекатывают в заготовки круглого сечения, диаметр которых соответствует условному диаметру конечного шара 30–50 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 780–890°С, затем осуществляют закалку шаров до температуры 150–210°С, а далее шары подвергают самоотпуску в течение не менее 20 ч.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что твердость мелющего шара на поверхности составляет 56–65 HRC, а на глубине 0,5 радиуса шара 38–58 HRC.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что на поверхности микроструктура мелющего шара состоит из мартенсита, а на глубине 0,5 радиуса шара из 85–95 % мартенсита и 5–15 % остаточного аустенита.