УДК 669.15-194:539.375.6 Q МЕТ1НВЕСГ
внедрение технологии ПАО<<МК;азовсталь>>
трехстадийного термоупрочнения мелющих шаров большого диаметра
© Ефременко Василий Георгиевич1*, д-р техн. наук, проф.; Попов Евгений Сергеевич2; Кузьмин Сергей Олегович1, канд. техн. наук; Труфанова Оксана Ивановна2; Ефременко Алексей Васильевич2, канд. техн. наук
1Приазовский государственный технический университет. Украина, Донецкая обл., г. Мариуполь. *E-mail: vgefremenko@rambler.ru
2ПАО «МК «АЗОВСТАЛЬ». Украина, Донецкая обл., г. Мариуполь Статья поступила 31.07.2013 г.
Представлены результаты экспериментов по разработке и освоению трехстадийной технологии термоупрочнения катаных мелющих шаров диаметром 100 и 120 мм из стали низколегированных марок (К76Ф, 75Г2С) с целью повышения их твердости до уровня 3-й группы ДСТУ 3499. Описаны параметры режимов термоупрочнения шаров, достигнутый уровень их твердости и эксплуатационной долговечности.
Ключевые слова: мелющие шары; сталь; термоупрочнение; закалка; самоотпуск; твердость.
Добыча и переработка в Украине бедных железных руд Криворожского бассейна сопровождается повышенным износом сменных частей дробильно-размольного оборудования, в том числе мелющих шаров барабанных мельниц. Особенно высокий удельный расход характерен для шаров большого диаметра (100-120 мм), работающих на первой стадии мокрого измельчения в условиях интенсивного абразивного и ударно-абразивного изнашивания в сочетании с коррозией [1]. Многолетний опыт применения мелющих тел [2-4] убедительно показывает, что эксплуатационная долговечность мелющих шаров прямо пропорциональна их твердости, в связи с чем твердость является основным показателем их качества. Для повышения твердости предприятия-изготовители катаных мелющих шаров используют упрочняющую термическую обработку с прокатного нагрева. Закалочное оборудование устанавливается в потоке шаро-прокатных станов; после регламентированного охлаждения в воде шары собираются в накопительные бункера, где проходят самоотпуск для ¡2 снятия напряжений.
ПАО «МК «АЗОВСТАЛЬ» является основ® ным производителем катаных мелющих шаров в Украине, обеспечивающим данным видом про-£ дукции практически всю горно-перерабаты-< вающую отрасль Украины. Прокатные мощно-г сти комбината позволяют ежегодно выпускать
до 150 тыс. т термоупрочненных шаров разного диаметра (40, 60, 80, 100, 120 мм). Основной объем производства приходится на шары большого диаметра. Ранее шары диаметром 100, 120 мм производили по 2-й группе ГОСТ 7524 и ДСТУ 3499, их поверхностная твердость не превышала 360-400 НВ. Данный уровень твердости был обусловлен недостатками применявшейся технологии двухстадийного термоупрочнения, состоявшей в охлаждении прокатанных шаров сначала в закалочном водяном баке, затем душированием в ковшах конвейера [5]. Для такой технологии была характерна неравномерность закалки, приводившая к появлению на поверхности шаров мягких пятен и к формированию в изделиях высоких остаточных напряжений. Это не позволяло выпускать шары более высокой твердости, поскольку такие шары раскалывались в мельницах при эксплуатации.
Согласно требованиям 3-й группы ДСТУ 3499, шары большого диаметра должны обладать следующей твердостью поверхности: шары диам. 100 мм - не менее 495 НВ (52 ИЯС), шары диам. 120 мм - не менее 477 НВ (50 ИЯС). С целью повышения твердости шаров до уровня 3-й группы на комбинате «АЗОВСТАЛЬ» была проведена реконструкция шаропрокатного отделения, что позволило перейти к трехстадийной схеме термоупрочнения. В частности, в потоке шаропрокатного стана СПШ-125 были установ-
лены и введены в эксплуатацию конвейер для подстуживания прокатанных шаров на воздухе, а также закалочный барабан шнекового типа, обеспечивающий интенсивное вращение шаров в воде в процессе закалки [6]. Модернизировали также водоподводящую систему, что позволило увеличить расход воды, подаваемой в барабан, не менее чем до 200 м3/ч. В комплексе это позволило существенно увеличить равномерность закалки и повысить твердость шаров без опасности их растрескивания. Более полному снятию остаточных напряжений при самоотпуске способствовали утепление стенок накопительных бункеров и оснащение их футерованными крышками.
Основным материалом для производства мелющих шаров в ПАО «МК «АЗОВСТАЛЬ» является рельсовая сталь К76Ф (ГОСТ Р 516852000), а также сталь 75Г2С, отличающаяся повышенным содержанием марганца и кремния. Сталь 75Г2С была специально разработана на комбинате для применения в летний период времени, когда температура закалочной воды возрастает до 40-42 °С; ее использование взамен стали К76Ф позволяет предотвратить появление дефекта «пятнистая закалка» на поверхности крупных шаров. Шары 3-й группы всех диаметров производятся на комбинате «АЗОВ-СТАЛЬ» из стали целевых плавок с соблюдением повышенных требований по металлургическому качеству металла.
Разработка режимов термоупрочнения шаров диам. 100 и 120 мм по треххстадийной технологии предусматривала нахождение оптимальных значений таких параметров: температура нагрева шаровой заготовки под прокатку, длительность подстуживания прокатанных шаров на воздухе, длительность их пребывания в закалочном барабане, расход воды по длине барабана. Поскольку термоупрочнение осуществляется по схеме прерванной закалки, на выходе из закалочного устройства в центре шаров сохраняется определенное количество теплоты, вызывающей разогрев поверхности и обеспечивающей протекание самоотпуска. Перечисленные выше параметры влияют на температуру самоотпуска (£с/отп) - фактически среднемассовой температуры шара по завершении перераспределения тепла после выхода из закалочного барабана. Температура самоотпуска является ключевым технологическим показателем, предопределяющим твердость и уровень напряжений в готовых шарах.
В ходе проведения исследований было установлено, что температура окончания прокатки крупных шаров должна составлять 950-1000 °С. В этом случае при оптимальной скорости движения конвейера шары диам. 100 мм подстужи-ваются на воздухе до 820-860 °С, а шары диам. 120 мм - до 860-900 °С. Эти значения фактически являются температурой закалки шаров, и при ее выдерживании в указанных пределах £с/отп шаров зависит лишь от химического состава стали и условий закалки (от времени охлаждения, расхода и температуры воды 1в). Нахождение зависимости £с/отп от перечисленных параметров, а также взаимосвязи £с/отп с твердостью и микроструктурой готовых изделий составило основное содержание комплекса исследований, проведенных в рамках освоения новой технологии термического упрочнения мелющих шаров большого диаметра.
Эксперименты проводили в производственных условиях шаропрокатного производства МК «АЗОВСТАЛЬ» при производстве как опытных, так и промышленных партий шаров. При этом, варьируя продолжительность закалки (тз), определяли температуру самоотпуска на выходе шаров из закалочного барабана, контролировали твердость и структуру готовых шаров. Для определения £с/отп использовали калориметрический и пирометрические методы измерения. Были получены зависимости, позволяющие выбирать время закалки, необходимое для получения заданной температуры самоотпуска (рис. 1). Представленные на рис. 1, а данные показывают, что, например, для шаров диам. 120 мм из стали К76Ф, закаливаемых при температуре воды Ьв = 20-25 °С, средняя температура самоотпуска варьируется от 375 °С при закалке в течение 85 с до 252 °С при закалке в течение 125 с. В случае повышения температуры воды до 37-42 °С значения £с/отп дополнительно возрастают; прирост £с/отп колеблется от 50-60 °С при тз = 85-95 с до 10-15 °С при тз = 115-125 с. Разброс значений £с/отп для шаров диам. 120 мм из стали 75Г2С лежит на 20-35 °С выше значений для шаров из стали К76Ф (см. рис. 1, б). Такое влияние химического состава стали 75Г2С связано с тем, что к моменту завер- ^
о
шения закалки в центральных слоях шаров сохраняется повышенная доля переохлажденного ® аустенита, который превращается в процессе самоотпуска, вызывая дополнительный разо- £ грев шаров благодаря выделению тепла фазового превращения.
450 ■
400 ■
у
S 350 ■
300 ■
250 ■
200
75 85 95 105 115 125 135 Длительность закалки, с
450
400 -
U
350 -
&
н
rt &
0J
300 -
OJ
Н
250 -
200
75 85 95 105 115 125 135 145 Длительность закалки, с
б
а
Рис. 1. Влияние длительности закалки и температуры закалочной воды на температуру самоотпуска шаров диам. 120 мм
из стали К76Ф (а) и 75Г2С (б)
Полученные зависимости (см. рис. 1) аппроксимируются следующими регрессионными выражениями:
- для шаров из стали К76Ф:
¿с/отп (°С) = -2,49Тз + 571,6 (при tв = 20-25 °С);
^/отп (°с) = -3,83Тз + 757,2 (при tв = 37-40 °с);
- для шаров из стали 75Г2С:
^/отп (°С) = -2,31Тз + 571,9 (при tв = 20-25 °С);
tс/отп (°С) = -2,65Тз + 642,9 (для tв = 37-40 °С).
Накопление данных позволило получить корреляционные зависимости поверхностной твердости шаров от температуры самоотпуска для шаров из стали разных марок (рис. 2). Как видно, твердость отпущенных шаров диам. 100 и 120 мм линейно связана с температурой самоотпуска, что описывается выражениями:
- для шаров из стали К76Ф:
твердость (НВ) = - 0,714/отп (°С) + 728,3;
- для шаров из стали 75Г2С:
твердость (НВ) = - 0,784/отп (°С) + 711,0.
600
♦ S. ♦ К76Ф □ 75Г2С
□ i ♦ N. ♦
о\ сР Ъ Sjö □ * >» D\íd ♦ ♦ К
D d\° «V ♦ □ □ \ \ \ ♦ X
580 -3 560 -
н 540 -
>
д 520 -
з
' 500 -480 -460
200 225 250 275 300 325 350 375 400 Температура самоотпуска, °C
Рис. 2. Влияние температуры самоотпуска на поверхностную твердость шаров диам. 100 и 120 мм
Из рис. 2 следует, что с учетом возможного разброса экспериментальных точек твердость на уровне требований 3-й группы для стали К76Ф стабильно обеспечивается при температуре самоотпуска шаров диам. 100 мм не выше 305 °С и шаров диам. 120 мм не выше 330 °С. В случае производства шаров из стали 75Г2С температура самоотпуска не выше 250 и 267 °С соответственно. Как видно, для получения заданной твердости в шарах из более легированной стали необходимо понижать температуру их самоотпуска. Это связано с присутстви
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.