Способ производства мелющих шаров (варианты)
METHOD FOR THE PRODUCTION OF GRINDING BALLS (OPTIONS)

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