СТАЛЬ
STEEL

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой для производства мелющих шаров диаметром 40-100 мм.
Известна сталь [1], содержащая (в мас.%):
углерод
0,45-0,65
марганец
0,60-1,00
кремний
0,60-1,20
алюминий
0,01-0,06
бор
0,0025-0,0040
медь
0,06-0,36
титан
0,02-0,06
железо
- остальное
Существенным недостатком данной стали является повышенная хрупкость шаров за счет образования в микроструктуре металла боридной эвтектики.
Известна также сталь [2], содержащая (в мас.%):
углерод
0,95-1,10
марганец
0,15-1,25
кремний
0,10-0,70
хром
1,30-1,65
железо
- остальное
Существенным недостатком данной стали является высокая склонность шаров к трещинообразованию при закалке в воде.
Известна сталь [3],обладающая абразивной стойкостью, содержащая (в мас. %):
углерод
0,35-0,80
алюминий
0-2,00
марганец
0-2,50
никель
0-5,00
хром
0-5,00
молибден
0-0,50
вольфрам
0-1,00
бор
0-0,02
титан
0-2,00
цирконий
0-4,00
сера
0-0,15
азот
менее 0,03
при необходимости медь 0-1,50
при необходимости, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы: ниобий, тантал и ванадий,
при условии: Nb/2+Ta/4+V≤0,5
при необходимости, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы: селен, теллур, кальций, висмут, свинец с содержанием, меньшим или равным 0,1%.
остальное железо и неизбежные примеси, при выполнении следующих условий:
0,35≤Si+Al≤2,00
0,1≤Mo+W/2≤0,5
0,05<Ti+Zr/2≤2,00
При соблюдении следующих соотношений:
0,1≤C-Ti/4-Zr/8+7×N/8≤0,55
Ti+Zr/2-7×N/2≥0,05;
1,05×Mn=0,5, если В≥0,0005 и К=0, если В<0,0005.
Существенными недостатками этой стали являются широкие концентрационные границы химических элементов, приводящие с одной стороны к низкой твердости и износостойкости шаров, с другой стороны способствующие повышению склонности их к раскалыванию при закалке в воде и эксплуатации.
Известна выбранная в качестве прототипа сталь [4], содержащая (в мас.%):
углерод
0,30-0,70
марганец
0,50-2,00
кремний
0,01-0,50
алюминий
≤0,07
азот
≤0,01
хром
0,05-0,50
никель
≤0,30
кальций
0,0005-0,0060
сера
0,003-0,05
фосфор
≤0,03
медь
≤0,50
железо
- остальное
Недостатком этой стали являются неудовлетворительные эксплуатационные свойства шаров, обусловленные нестабильной твердостью на поверхности и по сечению шаров.
Желаемыми техническими результатами изобретения являются: повышение износостойкости и твердости на поверхности и по сечению шаров.
Для достижения этого сталь для производства мелющих шаров диаметром 40-100 мм, содержащая углерод, марганец, кремний, алюминий, азот, хром, никель, кальций, железо и примеси, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении (в мас.%)
углерод
0,65-0,80
марганец
0,70-0,90
кремний
0,20-0,35
алюминий
0,005-0,020
азот
от более 0,01 до 0,025
хром
0,30-0,60
никель
0,01-0,30
кальций
0,0005-0,0040
железо и примеси
остальное,
при этом в качестве примесей она содержит серу - не более 0,030%, фосфор - не более 0,030% и медь - не более 0,30%.
Заявляемый химический состав стали подобран исходя из следующих предпосылок:
1
2
Содержание углерода в указанных пределах выбрано исходя из обеспечения высокой твердости на поверхности и на / радиуса шара диаметром 40-100 мм. При концентрации его в стали менее 0,65% твердость шаров снижается, а при увеличении концентрации углерода более 0,80% повышается склонность их к трещинообразованию.
Соотношение марганца выбрано, исходя из того, что при содержании марганца до 0,90% обеспечивается повышение твердости, прокаливаемости и сопротивляемости к трещинообразованию. Нижний предел выбран, исходя из того, что марганец при содержании менее 0,70% не оказывает влияние на прокаливаемость.
Кремний в заявляемых пределах исключает раскол шаров при ударных нагрузках. При концентрации кремния менее 0,20% значительно увеличивается склонность шаров к раскалыванию при ударных нагрузках. При изготовлении шаров из стали выше верхнего заявляемого предела содержания кремния более 0,40% увеличивается склонность шаров к трещинообразованию при закалке.
При увеличении содержания хрома до 0,60% повышается твердость и прокаливаемость стали, что в свою очередь приводит к увеличению износостойкости мелющих шаров. При содержании хрома менее 0,30% наблюдается уменьшение прокаливаемости стали, и, следовательно, твердости и износостойкости шаров.
Установленный предел концентрации никеля от 0,01 до 0,30% положительно влияет на снижение склонности шаров к раскалыванию при ударных нагрузках и увеличивает прокаливаемость стали. При содержании никеля менее установленного предела не обеспечивается требуемая прокаливаемость стали. Содержание никеля более 0, 30% экономически нецелесообразно.
Содержание алюминия от 0,005 до 0,020% и кальция от 0,0005-0,0040% выбрано исходя, с одной стороны, получения мелкого действительного зерна, с другой - получения благоприятной формы неметаллических включений, а также исключения недопустимых глиноземистых неметаллических включений, увеличивающих склонность шаров к раскалыванию при ударных нагрузках.
Концентрация азота менее 0,01% не приводит к образованию нитридов, обеспечивающих измельчение действительного зерна, и как следствие, снижению склонности шаров к раскалыванию при ударных нагрузках. При повышении азота более 0,025% возможны случаи возникновения пятнистой ликвации и образованию пузырей в стали в результате «азотного кипения».
Ограничение содержания серы, фосфора и меди выбрано, исходя из качества поверхности готовых мелющих шаров.
Серия опытных плавок с заявляемым химическим составом была выплавлена в дуговых печах ДСП-100Н 10. Химический состав приведен в таблице 1. После разливки стали на МНЛЗ, осуществляли прокатку и термообработку шаров с прокатного нагрева по технологии двухстадийного охлаждения с самоотпуском. Результаты испытаний приведены в таблице 2. Таким образом, заявляемый химический состав обеспечивает повышение трещиностойкости и твердости шаров.
Источники информации
1. А.с СССР №1446189 С22С 38/16.
2. ГОСТ 7524-89 «Шары стальные мелющие для шаровых мельниц».
3. RU 2327802 С2, С22С 38/54, 27.06.2008.
4. JP 08-337843 F, C22C 38/18, 24/12/1996.
Таблица 1
Химический состав стали
Состав
С
Si
Mn
Cr
AI
Ca
N
Ni
S
P
Cu
Fe
1
0,65
0,20
0,70
0,30
0,005
0,0005
0,005
0,01
0,008
0,019
0,09
ост.
2
0,70
0,28
0,82
0,40
0,009
0,0010
0,008
0,03
0,009
0,020
0,06
ост.
3
0,80
0,24
0,75
0,42
0,018
0,0030
0,010
0,10
0,012
0,029
0,07
ост.
4
0,68
0,33
0,79
0,45
0,016
0,0037
0,013
0,28
0,005
0,028
0,14
ост.
5
0,70
0,26
0,79
0,60
0,020
0,0040
0,022
0,25
0,020
0,023
0,25
ост.
6
0,75
0,35
0,80
0,50
0,025
0,0020
0,025
0,30
0,030
0,030
0,30
прототип
0,95-1,10
0,10-0,70
0,15-1,25
1,30-1,65
-
-
-
-
-
-
0,06-0,36
ост.
Таблица 2
Механические свойства стали
Состав
Твердость, МПа
Износ, г
Количество шаров с трещинами
После термообработки
После 10 - кратного падения
1
490
0,44
0
0
2
575
0,31
1,6
4,0
3
595
0,19
2,1
4,8
4
517
0,37
2,9
4,3
5
524
0,33
2,0
3,9
6
575
0,30
1,5
4,6
прототип
440-560
0,31-0,45
3,2-7,0
5,8-10,0