Способ производства мелющих шаров (варианты)
Владельцы патента RU 2790842:
Публичное акционерное общество "Северсталь" (ПАО "Северсталь") (RU)
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.
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 |
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.
