Способ производства мелющих шаров Российский патент 2023 года по МПК B21H1/14 C21D9/36 C22C38/32 

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

Известен 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 в стали.

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 низкие температуры перед закалкой, не позволяющие достичь требуемых скоростей охлаждения для получения необходимого объема закалочного мартенсита по сечению шара.

Технический результат предлагаемого технического решения заключается в разработке способа производства стальных мелющих шаров с условным диаметром от 60 до 100 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, содержащую компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод 0,60-1,20 Кремний 0,15- 0,40 Марганец 0,60-1,20 Алюминий не более 0,010 Хром 0,10-0,50 Ванадий до 0,01 Ниобий до 0,01 Молибден до 0,01 Титан 0,02-0,04 Бор 0,001-0,005,

при этом углеродный эквивалент стали составляет 0,70–1,15, далее осуществляют разливку стали в сортовые заготовки, 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 1000–1190°С, производят поперечно-винтовую прокатку с температурой конца прокатки 900–1090°С, выполняют подстуживание шаров до температуры 750–910°С, затем осуществляют закалку шаров до температуры 100–270°С, после чего шары подвергают отпуску при температуре 210-300°С.

При температуре закалки 100-160°С получают микроструктуру на поверхности мелющего шара из отпущенного мартенсита, на глубине 0,5 радиуса шара из отпущенного мартенсита, бейнита, перлита и до 10% остаточного аустенита, а в центре шара из бейнита. При этом твердость поверхности шара составляет 58-63 HRC, объемная твердость составляет 48-55 HRC.

При температуре закалки 160-270°С получают микроструктуру, состоящую на поверхности мелющего шара из отпущенного мартенсита, а на глубине 0,5 радиуса шара из бейнита, перлита и до 5-7% остаточного аустенита, при этом твердость поверхности шара составляет 52-60 HRC, а на глубине 0,5 радиуса шара 40-53 HRC.

Разливку стали осуществляют в заготовки квадратного сечения.

Закалку шаров осуществляют в течение 0,5-2,0 мин.

Шары подвергаются отпуску в течение не менее 40 мин.

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% не будет достигнут требуемый уровень твердости на поверхности.

При содержании углерода более 1,2% в процессе термической обработки шары подвержены образованию трещин.

Кремний является раскислителем стали, а также способствует повышению ее прочности и упругости после финальной термической обработки. Содержание кремния более 0,40% 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 1,2%, при высоком содержании углерода и кремния, может привести к снижению пластичности стали и образованию трещин в процессе термической обработки.

Алюминий вводится в сталь для ее раскисления. При его содержании больше 0,01% увеличивается количество неметаллических включений в стали.

Хром выступает в качестве легирующего элемента для улучшения прокаливаемости шаров. Содержание хрома менее 0,1% не обеспечивает требуемый уровень прокаливаемости, а содержание хрома более 0,5% приводит к удорожанию конечной продукции, а также к появлению закалочных трещин.

 Комплексное микролегирование ванадием, ниобием, молибденом, в сочетании с легированием хромом способствует повышению дисперсности структуры и повышению твердости шаров в процессе термической обработки.

Бор вводится в сталь для увеличения прокаливаемости стали. При содержании бора менее 0,001% не обеспечивается необходимая прокаливаемость стали, а при содержании бора более 0,005 масс.% образуются бориды железа, ухудшающие ударную стойкость стали, которая охрупчивается после термообработки.

Титан в количестве 0,02-0,04% является необходимой технологической добавкой для связывания азота, предотвращающей формирование нитридов бора, а также способствует предотвращению роста аустенитного зерна при нагреве под прокатку. При содержании титана менее нижнего предела не весь азот связывается, что снижает эффективность действия бора на прокаливаемость. При введении в твердый раствор титана более 0,04% образуются крупные частицы нитридов титана, снижающие пластичность стали.

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

При нагреве заготовки выше температуры 1190°С наблюдается рост зерна аустенита, что приводит к снижению ударостойкости шара и повышению абразивного износа. При нагреве заготовки ниже температуры 1000°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 1090°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 900°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 750°С, закалка происходит из двухфазной области, не позволяющей получить целевую микроструктуру и необходимую твердость на поверхности шара для 4 и 5 групп твердости согласно ГОСТ 7524. При начале закалки при температуре выше 910°С значительно возрастают внутренние напряжения после закалки, что может привести к появлению трещин на поверхности шаров.

Повышение температуры конца закалки выше 270°С приведет к не достижению требуемой скорости охлаждения и снижает толщину прокаливаемого слоя. При температуре конца закалки ниже 100°С возможно образование закалочных трещин вследствие высокой степени переохлаждения.

Закалка до температуры 100-160°С позволяет получить большую твердость и прочность шаров, что обусловлено микроструктурой, состоящей из отпущенного мартенсита на поверхности шара, отпущенного мартенсита, бейнита, перлита до 10% остаточного аустенита на глубине 0,5 радиуса шара и бейнита в центре шара и соответствует 5 группе твердости шаров.

При закалке до температуры 160-270°С получают микроструктуру, состоящую на поверхности шара из отпущенного мартенсита, а на глубине 0,5 радиуса шара из бейнита, перлита и до 5-7% остаточного аустенита, что характерно для шаров 4 группы твердости.

Время закалки в диапазоне 0,5-2,0 мин позволяет получить необходимую толщину закаленного слоя, выход за диапазон негативно отразится эксплуатационных характеристиках мелющих шаров.

Отпуск при температуре выше 300°С может привести к не достижению требуемого уровня твердости после термической обработки для 4 и 5 групп твердости шаров. Отпуск при температуре ниже 210°С негативно отразится на способности шаров выдерживать высокие ударные нагрузки. Время отпуска в течение не менее 40 мин позволяет получить требуемую релаксацию закалочных напряжений, что не достигается при уменьшении времени отпуска менее 40 мин.

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 таблицах 1 и 3 приведены варианты химических составов стали. В таблице 2 и 4 приведены контролируемые характеристики технологических параметров.

Микроструктура шаров 5 группы прочности состояла из отпущенного мартенсита на поверхности шара, из отпущенного мартенсита, бейнита, перлита и до 10% остаточного аустенита на глубине 0,5 радиуса шара и из бейнита в центре шара.

Шары 4 группы прочности имели микроструктуру, состоящую из отпущенного мартенсита на поверхности шара и из бейнита, перлита и до 5-7% остаточного аустенита на глубине 0,5 радиуса шара.

Согласно представленным данным в таблицах 1–4 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.

Результаты эксплуатации шаров показали, что их абразивная стойкость увеличилась на 10% по сравнению с шарами, производимыми ранее по стандартной технологии.

Таблица 1

Химический состав сталей (для шаров 5 группы твердости)

Номинальный диаметр шара, мм Массовая доля элементов, % C Si Mn Cr Al Ti V Nb Мо B Сэкв 60 0,69 0,24 0,86 0,40 0,0024 0,034 0,005 0,0034 0,003 0,0003 0,93 70 0,67 0,22 0,81 0,37 0,0019 0,040 0,007 0,0032 0,005 0,0005 0,89 80 0,67 0,27 0,88 0,42 0,0025 0,039 0,004 0,0037 0,006 0,0008 0,92 90 0,65 0,29 0,85 0,41 0,0027 0,035 0,007 0,0034 0,006 0,0006 0,89 100 0,65 0,21 0,87 0,43 0,0023 0,037 0,008 0,0031 0,003 0,0008 0,89

Таблица 2

Контролируемые параметры (для шаров 5 группы твердости)

Диаметр шара, мм Номер образца Тнп, °С Ткп, °С Тподст., °С Т зак., °С Т отп, °С Твердость, НRC Твердость на поверхности Среднее контрольных шаров Объемная твердость Среднее контрольных шаров 60 1 1050 990 820 180 230 60 61,3 54 55,7 2 1040 990 840 160 230 61 56 3 1020 980 815 150 230 63 57 70 4 1030 985 825 175 230 60 61,7 54 55 5 1040 990 830 160 230 61 55 6 1025 985 815 140 230 64 56 80 7 1045 1005 850 120 230 59 59,7 53 54,3 8 1025 1000 840 110 230 59 54 9 1030 1000 855 100 230 61 56 90 10 1040 1010 845 110 230 59 59,5 53 54 11 1035 1010 840 100 230 60 55 100 12 1045 1020 845 100 230 59 59,5 49 50 13 1035 1015 845 80 230 60 51

Таблица 3

№ п/п Номинальный диаметр шара, мм Массовая доля элементов, % C Si Mn Cr Al Ti V Nb Мо B С_экв 1 60 0,69 0,24 0,84 0,20 0,0016 0,002 0,003 0,0029 0,005 0,0002 0,88 2 70 0,66 0,27 0,85 0,17 0,0022 0,004 0,004 0,0025 0,005 0,0003 0,85 3 80 0,62 0,26 0,73 0,40 0,0024 0,005 0,003 0,0021 0,003 0,0003 0,84 4 90 0,65 0,21 0,81 0,45 0,0020 0,003 0,005 0,0022 0,006 0,0004 0,89 5 100 0,64 0,24 0,83 0,50 0,0023 0,007 0,005 0,0023 0,003 0,0003 0,89

Химический состав сталей (для шаров 4 группы твердости)

Таблица 4

Контролируемые параметры (для шаров 4 группы твердости)

Диаметр шара, мм Номер образца Тнп, °С Ткп, °С Тподст., °С Т зак., °С Т отп, °С Твердость, НRC Твердость на поверхности Среднее контрольных шаров Твердость на глубине 0,5 r Среднее контрольных шаров 60 1 1040 990 835 192 230 58 59,7 47 49,7 2 1030 985 830 185 230 60 50 3 1015 980 815 180 230 61 52 70 4 1025 985 840 205 230 55 57,3 45 47,7 5 1020 985 830 200 230 58 48 6 1010 980 825 190 230 59 50 80 7 1050 1005 855 219 230 55 56,3 45 47,3 8 1035 995 840 208 230 56 47 9 1015 985 820 197 230 58 50 90 10 1040 1010 835 218 230 54 55,3 43 44,3 11 1025 1005 825 207 230 55 44 12 1020 1000 820 195 230 57 46 100 13 1045 1020 840 220 230 53 53,7 44 45,7 14 1035 1020 830 210 230 53 46 15 1020 1005 825 200 230 55 47

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. Способ производства мелющих шаров включает выплавку стали, содержащей, мас.%: C 0,60-1,20, Si 0,15-0,40, Mn 0,60-1,20, Al не более 0,010, Cr 0,10-0,50, V до 0,01, Nb до 0,01, Mo до 0,01, Ti 0,02-0,04, B 0,001-0,005, разливку стали в сортовые заготовки, перекат заготовок в заготовки круглого сечения, нагрев заготовок до температуры 1000-1190°С, прокатку шаров с температурой конца прокатки 900-1090°С, подстуживание до температуры 750-910°С, закалку шаров до температуры 10000-270°С, отпуск при температуре 210-300°С. Технический результат заключается в получении мелющих шаров с условным диаметром 60-100 мм, характеризующихся повышенной абразивной стойкостью. 5 з.п. ф-лы, 1 пр., 4 табл.

1. Способ производства мелющих шаров, включающий выплавку стали, прокатку шаров и их термообработку, отличающийся тем, что выплавляют сталь, содержащую компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Углерод 0,60-1,20 Кремний 0,15-0,40 Марганец 0,60-1,20 Алюминий не более 0,010 Хром 0,10-0,50 Ванадий до 0,01 Ниобий до 0,01 Молибден до 0,01 Титан 0,02-0,04 Бор 0,001-0,005,

при этом углеродный эквивалент стали составляет 0,70-1,15, далее осуществляют разливку стали в сортовые заготовки, 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 1000-1190°С, производят поперечно-винтовую прокатку с температурой конца прокатки 900-1090°С, выполняют подстуживание шаров до температуры 750-910°С, затем осуществляют закалку шаров до температуры 100-270°С, после чего шары подвергают отпуску при температуре 210 - 300°С.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при температуре закалки 100-160°С микроструктуру шара на поверхности получают состоящей из отпущенного мартенсита, на глубине 0,5 радиуса шара из отпущенного мартенсита, бейнита, перлита и до 10% остаточного аустенита, а в центре шара из бейнита, при этом твердость поверхности шара составляет 58-63 HRC, объемная твердость составляет 48-55 HRC.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при температуре закалки 160-270°С микроструктуру шара на поверхности получают состоящей из отпущенного мартенсита, а на глубине 0,5 радиуса шара из бейнита, перлита и до 5-7% остаточного аустенита, при этом твердость поверхности шара составляет 52-60 HRC, а на глубине 0,5 радиуса шара 40-53 HRC.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что разливку стали осуществляют в заготовки квадратного сечения.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что закалку шаров осуществляют в течение не менее 0,5-2,0 минут.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что шары подвергаются отпуску в течение не менее 40 минут.