СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА МЕЛЮЩИХ ШАРОВ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR PRODUCTION OF GRINDING BALLS (OPTIONS)

Изобретение относится к прокатному производству, в частности к термической обработке мелющих шаров.
Известны изобретения получения стали для производства мелющих шаров: патент RU №2415194 C1 «Сталь» МПК6 C22C 38/38; C22C 38/34; C22C 38/32, опубликованного 27.03.2011,бюл.9 [1], патент RU №2425168 С2 «Сталь» МПК6 C22C 38/26, опубликованного 27.07.2011, бюл.21 [2], патент RU №2425169 «Сталь» МПК6 C22C 38/40, опубликованного 27.07.2011, бюл.21 [3], а также авторские свидетельства, авторское свидетельство SU1497262 A1 «Сталь» МПК6 C22C 38/14, конвенционный приоритет 13.01.1988 [4], авторское свидетельство SU1446189 A1 «Сталь» МПК6 C22C 38/16, опубликованного 23.12.1988 [5].
Известен способ производства стальных мелющих шаров патент RU №2596737 С1 МПК6 C21D 9/36; B21H 1/14; C21D 1/02; B23P 15/00 ; C22C 38/40, опубликованного 10.09.2016, бюл.25 [6], 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 0,03-0,5; 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.
Недостатком этого способа является то, что данный способ не позволяет получить 5 группу твердости со сплошной прокаливаемостью, а только частичную прокаливаемость, отвечающую 4-ой группе, и имеет более низкий градиент.
Известно устройство и способ термической обработки шаров, патент RU 2455369 С1 МПК6 C21D 9/36, опубликованного 10.07.2012, бюл.19 [7], включающий после штамповочного или прокатного нагрева подстуживание шаров с температуры штамповки или прокатки до температуры закалки, закалку путем охлаждения шаров с температуры закалки в воде и отпуск, при этом перед закалкой производят выравнивание температуры шаров, а затем их подстуживание водой со скоростью охлаждения не более 12 град./с на 150-200°С ниже температуры конца прокатки или штамповки.
Недостатком этого способа является, что в нем отсутствует технология получения шаров 5 группы твердости. Также существенным отличием в технологии является температура шаров перед закалкой, которая составляет 830-900°С, что подразумевает применение сталей целевого назначения ниже 5 группы твердости.
Известен способ термической обработки мелющих шаров патент №2113513 МПК6 C21D 9/36; B21H 1/14, опубликованного 10.09.2016, бюл.25 [8], включающий прокатку, подстуживание до температуры закалки в течение 2-15 мин. и закалку.
Известен способ термической обработки мелющих шаров авторское свидетельство №1344793 А1 МПК6 C21D 9/36, опубликованного 15.10.1987 [9], включающий нагрев до температуры аустенизации, выдержку, подстуживание, и закалку в воде, при этом подстуживание осуществляют со скоростью 20-50°С/с до достижения средней по сечению шаров температуры 600-70°С.
Недостатком этих способов является то, что режимы термической обработки не позволяют получать сплошную прокаливаемость шаров.
Наиболее близким (прототипом) по технической сущности к заявленному способу, по количеству сходных признаков, является патент RU 2634541 C1 «Способ и устройство термической обработки шаров» МПК6 C21D 9/36, опубликованного 31.10.2017, бюл.31 [10], включающий выравнивание температуры шаров с температуры штамповки или прокатки до температуры закалки на воздухе при их размещении на конвейере, охлаждение в воде с температуры закалки во вращающемся закалочном барабане и отпуск, при этом выравнивание температуры шаров до температуры закалки на воздухе производят в течение более 40 с при размещении на конвейере, выполненном с возможностью размещения по одному шару в каждом из его конструктивных элементов, а охлаждение шаров в воде производят до температуры ниже точки начала мартенситного превращения Мн, при этом шары равномерно и по одному размещены в ячейках закалочного барабана, в которые подают воду для омывания шаров, затем проводят отпуск шаров путем нагрева и термостатирования в печи и последующее окончательное охлаждение.
Недостатком этого способа является то, что по технологии термической обработки на предлагаемых марках стали после сплошной прокаливаемости шаров остаются остаточные напряжения, которые способствуют их дальнейшему разрушению в процессе эксплуатации.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предполагаемое изобретение, является: повышение эксплуатационной стойкости шаров, получение мелющих шаров с объемной твердостью, характеризующейся 5 группой твердости по ГОСТ 7524-2015 в масштабах производства.
Технический результат достигается тем, что в способе получения мелющих шаров с объемной твердостью из стали, содержащей, мас.% : С 0,75-0,80; Mn 0,80-0,90; Si 0,25-0,35; Al менее 0,020; P менее 0,015; S менее 0,020; Cr 0,35- 0,40; Ni 0,15-0,25; Cu менее 0,030; V 0,10-0,15; Mo 0,03-0,05; N менее 0,015;  H менее 0,0003, Fe – остальное, включающий прокатку, охлаждение шаров, закалку, отпуск, согласно изобретению после прокатки или после штамповки или после повторного нагрева, шары подстуживают до температуры  740-800°С, а затем подвергают закалке в закалочной среде, при этом время выдержки составляет  соответственно: для шаров с условным диаметром 80-100  мм от 3,0 до 4,0 мин, для шаров условным диаметром 110-140 мм от 3,5 мин до 5,0 мин с последующим отпуском соответственно: для шаров с условным диаметром 80-140 мм при температуре 180-260°С и временем выдержки от 180 до 320 мин, и дальнейшим самоотпуском с временем выдержки от 12 до 48 часов.
Кроме того, в качестве закалочной среды используют воду или прочую среду с удельной теплоемкостью от 3800 до 4000 Дж/кг·град. коэффициентом теплопроводности от 0,4 до 0,7 Вт/м·град., а также благодаря тому, что последующий отпуск проводят либо только при низкотемпературном или при многостадийном отпуске.
Сущность изобретений поясняется следующими чертежами:
фиг. 1 – Результаты испытаний на объемную твердость, HRC шаров из опытной плавки;
фиг. 2 - Макроструктура образцов шаров из опытной плавки;
Сущность изобретения заключается в следующем.
Использование предлагаемого способа обеспечивает получение мартенситной структуры по всей глубине мелющих шаров. Мартенситная структура в сталях образуется при высокой скорости охлаждения, при фазовом переходе ниже точки AC3 (точки начала аустенизации) до окончания превращения, согласно кинетики превращения по диаграммам переохлажденного аустенита. Получение сплошной прокаливаемости возможно при высокой скорости охлаждения как поверхности, так и сердцевины (центра) шаров. Особенно сложно достичь такого превращения при больших диаметрах шаров.
Шар, является фигурой с максимальной массовостью объекта (отношение массы к объему), поэтому зеркало теплоотдачи в среде максимально мало. По закону Фурье теплоотдача начинается от поверхности шара и заканчивается центром шара, поэтому максимальный эффект возможно получить на тех материалах у которых кинематика превращения происходит с максимальной теплопроводностью внутри объекта.
Кроме этого, сплошная прокаливаемость создает внутренние напряжения (интенсивно остывающая поверхность имеет более плотную структуру, чем внутренняя часть материала и при дальнейшем охлаждении создается послойное завершение превращения), которые за счет разницы состояния вызывают появление дислокаций и затем могут привести к появлению трещин на шарах, что недопустимо согласно ГОСТ 7524-2015.
Химический состав стали для производства мелющих шаров, содержащий, мас.% : С 0,75-0,80; Mn 0,80-0,90; Si 0,25-0,35; Al менее 0,020; P менее 0,015; S менее 0,020; Cr 0,35- 0,40; Ni 0,15-0,25; Cu менее 0,030; V 0,10-0,15; Mo 0,03-0,05; N менее 0,015;  H менее 0,0003, позволяет решить данное противоречие, обеспечить высокую твердость как поверхности так и внутренней зоны готовых шаров, исключить возникновение внутренних напряжений, а также определить для шаров больших диаметров (80-140) режимы термической обработки.
Подстуживание мелющих шаров до температуры 740-800°С после прокатки, или после штамповки, или после повторного нагрева позволяет обеспечить требуемую температуру начала закалки. Отклонение от указанного интервала температур как выше 800°С, так и ниже 740°С не позволяет начать закалку шаров с температур, обеспечивающих полную закалку, при неполной закалке образуется смешенная структура троостита и мартенсита или бейнита и мартенсита, что снижает твердость шаров ниже установленного норматива.
Длительность процесса закалки регулируют в зависимости от диаметра шаров, группы их твердости и химического состава стали. Например, при получении мелющих шаров 5 группы твердости длительность закалки шаров условным диаметром 80-100 мм - 3,0 - 4,0 мин, для шаров условным диаметром 110-140 мм - 3,5 - 5,0 мин.
Увеличение времени пребывания мелющих шаров в закалочной среде свыше установленных границ нецелесообразно, т.к. данного времени достаточно для прохождения объемной прокаливаемости.
Уменьшение времени пребывания мелющих шаров в закалочной среде ниже установленных границ приведёт к недостаточной прокаливаемости шара и отсутствию получения объемной твердости.
Последующий отпуск мелющих шаров с условным диаметром 80-140 мм осуществляют при температуре 180-260°С, что позволяет произвести снятие поверхностных напряжений, возникающих в процессе закалки.
Отклонение от указанного диапазона температур ниже установленного значения температуры приведет к отсутствию прогревания поверхности и в дальнейшем к возможности образования трещин, а превышение у установленного значения температуры приведет к началу преобразований в зернах (характерно отпускной хрупкости первого рода) и появлению охрупчивания поверхности.
Длительность процесса выдержки для мелющих шаров любого условного диаметра составляет 180-320 мин. в печи и дальнейший самоотпуск в бункере составляет 12-48 часов, что обеспечивает достаточность проведения процесса отпуска.
Способ получения мелющих шаров с объемной твердостью работает следующим образом.
Получение мелющих шаров с условными диаметрами от 80 мм до 140 мм, отвечающих требованиям 5 группы твердости возможно с использованием материала шаров из марки стали 70ХГФН-2: С 0,75-0,80; Mn 0,80-0,90; Si 0,25-0,35; Al менее 0,020; P менее 0,015; S менее 0,020; Cr 0,35- 0,40; Ni 0,15-0,25; Cu менее 0,030; V 0,10-0,15; Mo 0,03-0,05; N менее 0,015; H менее 0,0003, при проведении соответствующей термической обработки.
Технология термической обработки заключается в следующих этапах:
1. Прокатка, или штамповка, или повторный нагрев мелющих шаров при температуре 950-1050°С.
2. Подстуживание мелющих шаров условным диаметром 80-120 мм до температур 740-800°С, а с условным диаметром 130-140 мм до температур 740-880°С после прокатки или штамповки, либо повторного нагрева шаров до заданных температур,\
3. Закалка мелющих шаров в воде:
- с условным диаметром 80-100 мм при температурном диапазоне от 40°С до 55°С, с временем выдержки:
- для шаров условным диаметром 80-100 мм от 3 мин до 4 мин,
- для шаров условным диаметром 110-140 мм от 3,5 мин до 5 мин,
либо в прочей среде с удельной теплоемкостью от 3800 Дж/кг·град до 4400 Дж/кг·град. и коэффициентом теплопроводности от 0,4 Вт/м·град до 0,7 Вт/м·град, с соблюдением тех же температурно-временных параметров.
1. Последующее проведение низкотемпературного одно или многостадийного отпуска шаров условным диаметром 90-140 при температуре 180-260°С с временем выдержки от 180 до 320 мин.
2. Дальнейший самоотпуск шаров с временем выдержки от 12 до 48 часов.
Пример конкретного выполнения способа.
Испытание по технологии предлагаемого изобретения были осуществлены на участке шаропрокатного стана рельсобалочного цеха АО «ЕВРАЗ НТМК» при производстве шаров ∅100 и ∅120 мм марки стали 77ХГФМН.
Прокатку мелющих шаров с условными диаметрами 100 мм и 120 мм производили на стане поперечно-винтовой прокатки при температуре 950-1050°С. Затем мелющие шары подстуживали на воздухе до температуры 780° С. После чего осуществляли закалку мелющих шаров в закалочных барабанах в поточной водой температурой 45-50 °С длительностью выдержки:
- для шаров условным диаметром 100 мм от 3 мин
- для шаров условным диаметром 120 мм от 3,5 мин
Далее производили низкотемпературный отпуск в проходной газовой отпускной печи с 7-ю рабочими зонами для шаров с условным диаметром 100 мм при температуре 180°С с длительностью выдержки до 200 мин, а затем в течении 40 часов самоотпуск в закрытых бункерах.
Определение твердости мелющих шаров на поверхности и глубине ½ радиуса шара проводили в соответствии с ГОСТ 9013-59.
Химический состав стали приведен в таблице 1.
Результаты испытаний показали, что предполагаемый способ производства мелющих шаров по химическому составу из таблицы 1 обеспечивает получение готовых шаров с твердостью, соответствующей группе 5 по ГОСТ 7524-2015 и представлены в таблице 2. Объемная твердость, указанная в таблице 2 определялась по методу нахождения градиента твердости по глубине прокаливания в шаре (Фиг.1), при этом объемную твердость (ОТ) вычисляют по формуле:
ОТ=0,289Tпов+0,436T0,25+0,203T0,5+0,63T0,75+0,009Tц,
где Tпов – значение твердости поверхности шара,
Tц – значение твердости центра шара,
T0,25, T0,5, T0,75 – значение твердости на расстоянии от поверхности шара.
Закалочные трещины на поверхности опытных шаров (левый и правый) отсутствуют (Фиг.2), на обоих шарах наблюдается осевая ликвация в 1,5 балла, которая вызвана характеристикой прокатываемого металла из круглой заготовки и не является браковочным признаком. Появление закалочных трещин происходило, когда температура воды (закалочной среды) становилась ниже 45°С, и когда время отпуска было меньше 180 мин в отпускной печи или время последующего самоотпуска в бункерах было менее 12 часов.
Применение предлагаемого способа изготовления мелющих шаров обеспечивает получение мелющих шаров с объемной твердостью, характеризующейся 5 группой твердости по ГОСТ 7524-2015 [11] в масштабах производства для шаров от 80 до 140 мм.
Таким образом, данное техническое решение соответствует критерию «новизна».
Анализ патентов и научно-технической информации не выявил использования новых существенных признаков, используемых в предлагаемом решении. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Подтверждено опытно, что использование предлагаемого изобретения позволяет:
- получать мелющие шары 5 группы твердости диаметрами от 100 до 120 мм;
- за 2020 год отгружено потребителю шаров 5 группы твердости из данной марки стали ∅100 - 436,6 т. и ∅120 - 676 т.
Источники информации
[1] патент RU №2415194 C1 «Сталь» МПК6 C22C 38/38; C22C 38/34; C22C 38/32, опубликованного 27.03.2011, бюл.9;
[2] патент RU №2425168 С2 «Сталь» МПК6 C22C 38/26, опубликованного 27.07.2011, бюл.21;
[3] патент RU №2425169 «Сталь» МПК6 C22C 38/40, опубликованного 27.07.2011, бюл.21;
[4] авторское свидетельство SU 1497262 A1, «Сталь» МПК6 C22C 38/14, конвенционный приоритет 13.01.1988;
[5] Авторское свидетельство SU 1446189 A1 «Сталь» МПК6 C22C 38/16, опубликованного 23.12.1988;
[6] патент RU №2596737 C1 «Способ производства стальных мелющих шаров» МПК6 C21D 9/36; B21H 1/14; C21D 1/02; B23P 15/00; C22C 38/40, опубликованного 10.09.2016, бюл.25;
[7] патент RU 2455369 C1 «Устройство и способ термической обработки шаров» МПК6 C21D 9/36, опубликованного 10.07.2012, бюл.19;
[8] патент RU 2113513 С1 «Способ термической обработки мелющих
шаров» МПК6 C21D 9/36; B21H 1/14, опубликованного 10.09.2016, бюл.25;
[9] Авторское свидетельство SU №1344793 А1 «Способ термической
обработки мелющих шаров авторское свидетельство МПК6 C21D 9/36, опубликованного 15.10.1987;
[10] патент RU2634541 C1 «Способ и устройство термической
обработки шаров» МПК6 C21D 9/36, опубликованного 31.10.2017, бюл.31 .
[11] ГОСТ 7524-2015.
Таблица 1.
Химический состав марки стали 70ХГФН-2
С, %
Мn, %
Si, %
Al, %
P, %
S, %
Cr, %
Ni, %
Сu, %
V, %
Mo, %
Ti, %
H, ppm
Fe
0,71-0,75
0,90-1,0
0,25-0,35
<0,01
<0,015
<0,01
0,40-0,45
0,10-0,14
<0,02
0,08-0,12
<0,01
<0,015
<3,0
остальное
Таблица 2.
Регламентируемые и фактические значения твердости мелющих шаров 5 группы
Условный диаметр шара, мм
Твердость, HRC/HB согласно ГОСТ, не менее
Твердость, HRC на опытных шарах фактическая
Поверхность шара
Объемная
Поверхность шара
Объемная
От 80 до 100 включ.
58/567
48/453
58,6-59,9
52,1-52,8
От 110 до 120 включ.
56/545
43/401
56,1-58,3
49,6-49,7