Сталь

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам сталей, используемых для производства мелющих шаров диаметром 40-100 мм. Сталь содержит углерод, марганец, кремний, алюминий, азот, хром, никель, кальций, железо и примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,65-0,80, марганец 0,70-0,90, кремний 0,20-0,40, 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. В качестве примесей сталь содержит серу - не более 0,030%, фосфор не более 0,030% и медь - не более 0,30%. Повышается износостойкость и твердость на поверхности и по сечению шаров. 2 табл.

 

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:

Содержание углерода в указанных пределах выбрано исходя из обеспечения высокой твердости на поверхности и на ¹/₂ 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

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, мас.%:

углерод	0,65-0,80
марганец	0,70-0,90
кремний	0,20-0,40
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%.