CC BY
135
ГРНТИ 53.31.23; 53.43.31
П. О. Быков1, А. Д. Касимгазинов2
'к.т.н., ассоц. профессор, кафедра «Металлургия», Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан; 2м.т.т., главный технолог, ПФ ТОО «Кастинг», г. Павлодар, 140000, Республика Казахстан
e-mail: '[email protected], [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ И АПРОБАцИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ КАТАНЫХ ПОМОЛЬНЫХ ШАРОВ 5 ГРУППЫ ТВЕРДОСТИ В УСЛОВИЯХ ПФ ТОО «КАСТИНГ»
Развитая в Казахстане и макрорегионе горнорудная промышленность обеспечивает большой спрос на помольные шары. В Казахстане старейшим и крупнейшим производителем стальных помольных шаров методом винтовой прокатки является ПФ ТОО «Кастинг». В последние годы появляются новые производители помольных шаров, например ТОО «KSP Steel» и другие, которые увеличивают конкуренцию на местном рынке, что может в перспективе привести к потери доли рынка компанией ПФ ТОО «Кастинг».
Данная ситуация требует расширения номенклатуры производимых помольных шаров с целью максимального удовлетворения потребности заказчиков, в том числе организация производства предприятием помольных шаров 5 группы твердости.
Экспериментально разработан новый химический состав экономно-легированной стали для производства шаров 5 группы твердости диаметром 35 мм в условиях ПФ ТОО «Кастинг».
Ключевые слова: сталь, шары катаные, сортовой прокат, твердость, металлургия.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из основных приоритетов реализации задач поставленных в Послании Главы государства Нурсултана Назарбаева народу Казахстана 17 января 2014 года «Казахстанский путь - 2050: единая цель, единые интересы, единое будущее» является переход традиционных отраслей промышленности Казахстана на выпуск продукции высоких переделов [1].
В Павлодарском регионе одним из основных продуктов сталелитейной промышленности является шар помольный катаный.
Помольные шары находят применение в размольно-дробильном оборудовании в качестве измельчающей среды. Шары характеризуются износоустойчивостью, плотностью и формой и выпускаются из чугуна и стали, в том числе легированной.
Выпуск стальных помольных шаров осуществляется в соответствии с ГОСТ 7524-89, а также по ТУ. Общее потребление и удельный расход помольных шаров определяются типом установленного оборудования, материалами (из которых они изготовлены) и применяемыми при их выпуске технологическими процессами.
Шары подразделяют по твердости на группы: 1 - нормальной твердости общего назначения; 2 - повышенной твердости общего назначения; 3 - высокой
твердости для измельчения руд черных металлов; 4 - особо высокой твердости для измельчения руд цветных металлов, цемента и огнеупоров.
Развитая в Казахстане и макрорегионе горнорудная промышленность обеспечивает большой спрос на помольные шары.
В Казахстане старейшим и крупнейшим производителем стальных помольных шаров методом винтовой прокатки является ПФ ТОО «Кастинг». В последние годы появились новые производители помольных шаров, например, ТОО «KSP Steel» и другие, что увеличивает конкуренцию в данном сегменте рынка.
Данная ситуация требует расширения номенклатуры производимых помольных шаров с целью максимального удовлетворения потребности заказчиков, в том числе организация производства предприятием помольных шаров 5 группы твердости.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Объектом исследования являлись шары стальные катаные диаметром 35 мм, производимые в соответствии с СТ ТОО 010541005838-002-2015 и шаровые марки стали, производимые в ПФ ТОО «Кастинг» (таблица 1).
В работе использовали следующие методы контроля катаных помольных шаров. Размеры шаров проверяли штангенциркулем по ГОСТ 166. Твердость шаров измеряли по методу Роквелла по ГОСТ 9013 на твердомере ТК-14-250 и методу Бринелля по ГОСТ 9012 на твердомере ТШ-2М. Твердость на поверхности шара определяли на двух диаметрально противоположных площадках, твердость на глубине определяли на 1/2 радиуса.
Таблица 1 - Существующие марки и химический состав стали для производства катаных помольных шаров
Марка стали с группой твердости Химический состав, %
С Si Mn S, не более P, не более Cr Ni, не более Cu, не более
Ш2 0,40-0,56 0,15-0,35 0,50-0,70 0,040 0,040 - 0,4 0,4
Ш3 0,48-0,55 -
Ш4 0,50-0,60 0,70-1,00 0,35 -0,50
Углеродный эквивалент стали С (%) вычисляли по формуле
где С, Мп, Si, Сг, №, Си, V - массовые доли углерода, марганца, кремния, хрома, никеля, меди, ванадия, %.
Контроль коэрцитивной силы проводился с помощью коэрцитиметра (импульсный магнитный анализатор) КФ-3М. Качество поверхности шаров проверяли визуально, без применения увеличительных приборов.
Контроль химического состава сталей осуществляли по ГОСТ 12344, ГОСТ 12345, ГОСТ 12346, ГОСТ 12347, ГОСТ 12348, ГОСТ 12350, ГОСТ 12351, ГОСТ 12355 на оптико-эмиссионном спектрометре Metallab Atlantis 11140.
Макро- и микроструктуру исследовали в катанном и термообработанном состоянии. Металлографические исследования шлифов проводили на металлографическом микроскопе Метам - 32.
Выплавка шаровых марок стали осуществлялась в ДСП-25Н5 одношлаковым процессом с доводкой стали на АКП. В качестве шихтовых материалов использовали металлолом категории 2А и отходы передельных участков по ГОСТ 2787. Для науглероживания металла применяли углесодержащий материал по СТ ТОО 40564020017 и материал термообработанный углеродсодержащий ТУ 1914-00194042-026. В качестве окислителя применяли кислород по ГОСТ 5583, в качестве шлакообразующих известь свежеобожженную согласно ТУ 14-16-42, плавиковый шпат по ГОСТ 29220. Для раскисления и легирования использовали ферросиликомарганец по ГОСТ 4756 (FeMnSi), ферросилиций по ГОСТ 1415 (FeSi 75А11), феррованадий по ГОСТ 27130, феррохром по ГОСТ 4757, силикокальций по ГОСТ 4762 (СК20 и т.п.). Фракция материалов, подаваемых через систему их подачи находилась в пределах 5 - 50 мм.
Непрерывная разливка стали осуществлялась на МНЛЗ радиального типа с радиусом изгибающего сектора 6375 мм. Сечение отливаемых заготовок -150 х 150 мм. Непрерывная разливка осуществляется методом «плавка на плавку». Непрерывнолитые заготовки квадратного сечения разливают открытой струей.
Производство помольных шаров осуществлялась в два этапа: обжатие заготовок на среднесортном стане и прокатка шаров на шаропрокатном стане.
При апробации и внедрении технологии производства катаного шара 0 35 мм 5 группы твердости ставились задачи:
- получение высокой твердости шаров (на поверхности шара твердость не менее 59 HRC, на глубине У радиуса шара твердость не менее 54 HRC);
- снижение минимальных внутренних напряжений (коэрцитивной силы) при высокой твердости шаров.
При отработке технологии изготовления и освоении выпуска шаров 0 35 мм был учтен опыт изготовления шаров Новокузнецким металлургическим заводом в части химического состава шаровой стали, опыт Чешского Витковицкого металлургического завода в части термообработки шаров и т.д. [2-7].
В экспериментальных исследованиях на первом этапе был оптимизирован химический состав стали с целью повышения твердости и износостойкости. Было увеличено содержание марганца на 0,2 % - 0,3 % и хрома на 0,2 % по сравнению с Новокузнецким и Витковицким заводами (таблица 2).
Таблица 2 - Предельные отклонения химического состава стали экспериментальных плавок для получения шара 5 группы твердости диаметром 35 мм
Хим. состав С Мп Si Р S Сг № Си
Содержание элемента, % 0,570,62 0,9- 1,01 0,27- 0,34 0,005- 0,03 0,008 -0,021 0,34 -0,41 менее 0,40 менее 0,40
Выбор и обоснование параметров прокатки помольных шаров диаметром 35 мм V группы твердости. Баланс металла при прокатке на шаропрокатном стане (ШПС) представлен в таблице 3 [8].
В вальцетокарной мастерской были нарезаны два валка на прокатку шара 0 35 мм по калибровке разработанной фирмой ООО «ШПС» (г. Москва). Также были изготовлены три комплекта технологической оснастки:
- труба, вращающаяся для УВЗ;
- линейка направляющая.
Таблица 3 - Баланс металла при прокатке шаров 5 группы твердости диаметром 35 мм
Диаметр шара, мм Всад, тн Годное, тн Брак, тн Сортировка, тн Облой, тн Угар,тн
35 107,28 87,18 1,692 12,305 3,63 3,021
% 100 80,85 1,57 11,42 3,37 2,81
Оптимальная температура печи в зоне выдержки и скорость прокатки представлены в таблице 4 [8].
Таблица 4 - Температура в печи и скорость прокатки
Диаметр шара, мм Температура зоны выдержки при непрерывной прокатке, 0С Скорость прокатки, м/с
35 1100-1130 0,88
Во время прокатки было выявлено, что на сам процесс прокатки и качества шара большое влияние оказывает (значительно больше, чем при прокатке шара 0 40, 60 мм) разность диаметров калибровочных калибров по заходам. При нарезке валков разность одного из калибров по отношению к трем другим составила 0,2 мм, что оказалось при прокатке шара 0 35 мм существенно, хотя при прокатке шаров 0 40, 60 мм такая разность влияние на прокатку и качество шара не оказывала.
Для закалки шара на 5 группу твердости была проведена работа по модернизации узла термообработки с целью перевода его на локальную систему:
- был установлен дополнительный насос производительностью 40 м3 /час;
- подведена горячая и холодная вода с целью точной регулировки температуры охлаждающей воды;
- были подобраны режимы термообработки шара на ШПС.
В работе было установлена оптимальная температура шара перед закалкой на элеваторе, которая составила 780-800 0С. Измерения проводились переносным пирометром марки «Термоскоп-100».
Отработка режима термообработки производилась в следующем порядке:
1 первоначально температура охлаждающей воды составляла 35 0С, для чего в бак подкачивали горячую воду до установки требуемой температуры.
При данной температуре воды была прокатана и закалена плавка № 3132996.
После закалки и отпуска было установлено, что твердость шара превышает показатели 4 группы твердости, но не соответствовало 5 группе твердости. Температура охлаждающей воды при закалке поддерживалась в пределах 33-36 0С;
2 на следующем этапе температура охлаждающей воды была понижена до 29 0С. Температура воды в баке поддерживалась в пределах 29-32 0С. Бала прокатана плавка № 3132997, твердость на поверхности повысилась до 58,5 HRC, на глубине радиуса до 51,5 HRC.
3 на заключительном этапе температура охлаждающей воды была установлена на уровне 26 0С и поддерживалась в пределах 25-28 0С. На данном режиме были прокатаны остальные плавки.
Данные по химическому составу плавок приведены в таблице 5 [8].
Таблица 5 - Химический состав стали экспериментальных плавок
Номер плавок Химический состав, %
C Mn Si P S Cr Ni Cu
3132996 0,57 1,01 0,27 0,029 0,015 0,41 0,15 0,14
3132997 0,62 0,97 0,31 0,021 0,02 0,38 0,1 0,16
2131410 0,56 0,9 0,29 0,005 0,021 0,34 0,1 0,16
3133078 0,62 0,92 0,34 0,025 0,011 0,35 0,1 0,16
2131497 0,60 0,9 0,27 0,03 0,008 0,37 0,12 0,16
2131494 0,62 0,91 0,33 0,021 0,016 0,39 0,1 0,16
2131489 0,61 0,98 0,27 0,018 0,009 0,34 0,1 0,17
Данные по температуре и твердости приведены в таблице 6 [8]. На всем протяжении прокатки и термообработки шара производились измерения коэрцитивной силы (внутреннее напряжения). Контроль коэрцитивной силы проводился с помощью коэрцитиметра КФ-3М.
Таблица 6 - Твердость шаров 5 группы твердости диамет
Номер плавок Температура охлаждающей воды, 0С Твердость на поверхности, HRC Твердость на глубине радиуса, HRC
3132996 33-36 55,3 54
3132997 29-32 58,5 51,5
2131410 25-28 62,5 58,5
ом 35 мм
3133078 25-28 62,5 59,5
2131497 25-28 62,5 59,5
2131494 25-28 63,5 60
2131489 25-28 63,5 57,5
Максимальное значение коэрцитивной силы не превысили 56 единиц. Были произведены 154 замера, значение коэрцитивной силы находилось в пределах 45-56 единиц. Для сравнения, на чешских шарах максимальная коэрцитивная сила составила 56 единиц.
Таким образом, по результатам экспериментальных исследований и промышленных испытаний был получен оптимизированный экономнолегированный химический состав стали для получения катаного шара 5 группы твердости (таблица 7).
Таблица 7 - Оптимизированный химический состав стали для производства катаных шаров диаметром 35 мм 5 группы твердости
Хим. состав С Мп Si Р S Сг № Си
Содержание элемента, % 0,57-0,62 0,9-1,05 0,27-0,35 Не более 0,025 Не более 0,025 0,4 0,4 0,4
Далее в работе были проведены выборочные микроструктурные исследования. Подготовка образцов и проведение металлографических исследований проводилось по стандартным для металловедения методикам [9, 10]. Были отобраны образцы стальных шаров катаных диаметром 35 мм 4 и 5 групп твердости.
На рисунке 1 приведена микроструктура стального шара катаного 5 группы твердости.
Микроструктура шара, представленного на рисунке 1 состоит из следующих структурных составляющих:
- на поверхности шара: крупноигольчатый мартенсит + остаточный аустенит, твердость 59-60 HRC;
- на глубине 1/2 R шара: крупноигольчатый мартенсит + остаточный аустенит в ликвационных зонах, твердость 58-59 HRC;
- в сердцевине шара: крупноигольчатый мартенсит + остаточный аустенит в ликвационных зонах + незначительные выделения игольчатого феррита по границе зерна, твердость 58,5-59 HRC.
Рисунок 1 - Микроструктура стального шара катаного диаметром 35 мм
5 группы твердости
Для сравнения были проанализирована микроструктура стального шара катаного 4 группы твердости. Анализ показал наличие следующих структурных составляющих:
- на поверхности шара: крупноигольчатый мартенсит + остаточный аустенит, твердость 57-58 HRC;
- на глубине 1/2 R шара: крупноигольчатый мартенсит + остаточный аустенит в ликвационных зонах, твердость 56-57 HRC;
- в сердцевине шара: крупноигольчатый мартенсит + остаточный аустенит в ликвационных зонах + незначительные выделения игольчатого феррита по границе зерна, твердость 56-57 HRC.
Также в работе были проведены микроструктурные исследования стального шара катаного без термической обработки (охлаждение на воздухе).
а х 100; б х 500
Рисунок 2 - Микроструктура стального шара катаного без термической обработки (охлаждение на воздухе)
Микроструктура шара, представленного на рисунке 2 состоит из следующих структурных составляющих: перлит пластинчатый + перлит сорбитообразный + ед.участки феррита по границе зерна.
ВЫВОДЫ
1 По результатам проведенных промышленных испытаний в условиях ПФ ТОО «Кастинг» получены шары 0 35 мм 5 группы твердости со следующими характеристиками:
- твердость шаров на поверхности - 59 HRC - 64 HRC;
- твердость шаров на глубине У радиуса - 55 HRC -60 HRC;
- коэрцитивная сила (внутренние напряжения шара) - 44-50 единиц.
2 Экспериментально разработан новый химический состав экономно-легированной стали для производства шаров диаметром 35 мм (C - 0,57 - 0,62 %; Si - 0,27 - 0,35 %; Mn - 0,9 - 1,05 %; S < 0,025 %; P < 0,025 %; Cr < 0,40 %; Ni < 0,40 %; Cu < 0,40 %);
3 Экспериментально подобран режим термической обработки шара диаметром 35 мм, обеспечивающей получение 5 группы твердости (температура закалки -800 ± 10 0С; температура самоотпуска - 170-190 0С, температура охлаждающей воды 25-28 0С).
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Государственная программа индустриально-инновационного развития Республики Казахстан на 2015-2019 годы, утвержденная Указом Президента РК от 1 августа 2014 года № 874.
2 Вавилкин, Н. М., Челноков, В. В. К выбору материала для производства мелющих шаров / Н. М. Вавилкин, В. В. Челноков // Известия вузов. Черная металлургия. - 2002. - № 1. - С. 41-46.
3 Cleary, P. W. Charge behaviour and power consumption in ball mills: sensitivity to mill operating conditions, liner geometry and charge composition // International Journal of Mineral Processing. - 2001. - № 2. - Р. 15-20.
4 Ефременко, В. Т. Металлографический анализ причин разрушения стальных катаных тел для барабанных мельниц / В. Т. Ефременко // Вестник Приазовского государственного технического университета. - Мариуполь, 2008. - № 8. - С. 89-91.
5 Noguchi, T., KShimizu, Takahashi, N., Nakamura, Т. Strength evaluation of cast iron grinding balls by repeated drop tests / T. Noguchi, K. Shimizu, N. Takahashi, Т. Nakamura // Wear. - № 2. - 1999.- Р. 301-309.
6 Игнатов, В. А., Соленый, В. К., Жук, В. Л. и др. Основные принципы выбора материалов для изготовления мелющих тел, работающих в условиях ударно-абразивного, ударно-коррозионно-абразивного и ударно-усталостного износа / В. А. Игнатов, В. К. Соленый, В. Л. Жук и др. // Металл и литье Украины. - 2001. - № 10-11. - С. 3-34.
7 Ефременко, В. Т. Особенности характера изнашивания рабочих органов барабанных мельниц / В. Т. Ефременко // Защита металлургических машин от поломок. - Мариуполь - 2000. - № 5. - С. 67-74.
8 Касимгазинов, А. Д., Быков, П. О. Разработка технологии производства стальных помольных шаров 5 группы твердости диаметром 35 мм в условиях ПФ ТОО «Кастинг» // Материалы международной научной конференции «XVI Сатпаевские чтения». - Т. 14. - Павлодар : ПГУ имени С. Торайгырова, 2016. - С. 56-61.
9 Беккерт, М., Клемм, Х. Способы металлографического травления: Справочное издание / М. Беккерт, Х. Клемм. : пер. с нем. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Металлургия, 1988. - 400 с.
10 Ташенов, С. Ж., Тугумов, К. К., Ерёменко, А. С., Жидкова, А. И., Кулумбаев, Н. К. Подготовка металлографических шлифов к исследованию микроструктуры // Наука и техника Казахстана. - 2014. - № 3-4. - С. 66-69.
Материал поступил в редакцию 14.02.18.
П. О. Быков1, А. Д. Касимгазинов2
«Кастинг» ЖШС ПФ жа^дайында 5 топ каттыльщты оралып созылFан унтащ^ыш шарлардын жасау технологиясын зерттеу мен апробациясы
1С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^ Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы.
2ЖШС ПФ «Кастинг», Павлодар к., 140000, Казахстан Республикасы.
Материал баспаFа 14.02.18 тYстi.
P. О. Bykov1, A. D. Kasimgazinov2
Research and approbation of production technology for rolled grinding balls 5-th group of hardness in the PB LLP «Casting»
1S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan.
2PB LLP «Casting», Pavlodar, 140000, Republic of Kazakhstan Material receivedon 14.02.18.
Щазацстанда жэне макроауданда тау-кен eHdipiciHщ дамуы унтацтау шарларыныц улкен суранысын цамтамасыз emedi. Щазацстанда болат унтацтау шарларын алудыц ecKi жэне ipi винmmi илемдеу эдамен алу вндiрушici «Кастинг» ЖШС ПФ болып табылады. Соцгы жылдары унтацтау шарларыныц жаца вндiрушiлeрi пайда болуда, мысалы «KSP Steel» ЖШС ПФ жэне т.б. жeргiлiкmi нарыцта бэceкeлecmiкmi арттырады да, келешекте «Кастинг» ЖШС ПФ компаниясыныц нарыцтагы улесш mвмeндemeдi.
Аталган жагдай вндiрiлemiн унтацтау шарларыныц номенклатурасын кецейтут талап emeдi, тапсырыс берушшердщ цажеттшктерт цанагаттандыру мацсатында, внеркэсттщ 5 топтагы цаттылыгы бар унтацты шарлардыц вндiрiciн уйымдастыру керек.
«KacmuHe» №WC n& waedaubiuda duaMempi 35 mm 5 mon tflmmbixbi^mbi wapnapdbi eндeугe apuamau, yueMdexeeu 6onammbiu waцa xuMurnbit; KypaMbi эксnepuмeнmmiк womiMeu wacamau.
The mining industry developed in macro region and Kazakhstan provides great demandfor grinding balls. In Kazakhstan, the oldest and largest manufacturer of steel grinding balls with screw rolling method is the PB LLP «Casting». In recent years new producers of grinding balls, such as LLP «KSP Steel» and others increase the competition in the local market, which could potentially lead to loss percentage of market by PB LLP «Casting».
This situation requires an expansion of grinding balls with aim to fulfill customer's needs, including the organization ofproduction of grinding balls with V-th group of hardness.
Experimentally developed a new chemical composition of economically-alloyed steel for the production of balls of the 5-th group of hardness with a diameter 35 mm in the PB LLP «Casting» conditions.
