Full Text

Основными потребителями мелющих шаров являются горно-обогатительные комбинаты черной и цветной металлургии. Планируемое интенсивное развитие металлургической и горнорудной промышленности России, в том числе строительство Удоканского ГОКа с запуском в строй в 2021-2022 гг. [1, 2], требует расширения объема производства мелющих шаров. За последние годы уже запустили в эксплуатацию шаропрокатные станы: «Северсталь» (Череповец), KSP Steel (Павлодар), «УГМК» (Сухой Лог). В 2018 г. введен в эксплуатацию новый стан на «ЕВРАЗ-НТМК» (Нижний Тагил) [3-6]. Данный комплекс предназначен для изготовления высококачественных, закаленных шаров диаметром от 60 до 120 мм, 1-5-й групп твердости, включает в себя участки нагревательных печей, прокатного стана, закалки и отпуска шаров, складирования заготовки и готовой продукции, а также участки подготовки и сопровождения производства. Исходной заготовкой производства мелющих шаров является круглый прокат соответствующего диаметра, при этом используются низколегированные марки стали, содержание углерода в которых и углеродный эквивалент должны соответствовать значениям табл. 1. Шары 1-й и 2-й групп твердости допускается производить без учета требований по углеродному эквиваленту: где Сэкв - расчетное значение углеродного эквивалента; С, Мn, Si, Сr, Ni, Сu, V - массовые доли углерода, марганца, кремния, хрома, никеля, меди, ванадия, входящих в состав стали, мас. %. Нагрев заготовок производят в разделенной на зоны нагревательной печи, причем температура перед подачей в стан должна быть не ниже 1000 °С. Как показали исследования распределения температурных полей на поверхности шара непосредственно после прокатки (рис. 1, а, б), выявляется существенное повышение температуры от пояска к полюсам с 880 до 940 ºС, существенно зависящее от условий деформации заготовки в прокатных валках [6-11]. Обнаруженный прирост температуры (до 60 ºС) наблюдается в области внедрения реборды валка в заготовку, где происходят значительные деформации. После прокатки шары проходят термическую обработку, которая заключается в выравнивании температуры по всему объему шара в индивидуальной ячейке транспортирующего конвейера, дальнейшей закалке в барабанной установке револьверного типа и отпуске в нагревательной печи. Таблица 1 Требования к сталям для производства мелющих шаров Æ60-120 мм[3] Диаметр шара, мм Группа твердости шаров Массовая доля углерода Углеродный эквивалент От 60 до 70 1, 2 0,50 0,70 3, 4 0,60 0,75 5 0,60 0,80 От 80 до 120 1, 2 0,50 0,70 3, 4 0,60 0,75 5 0,60 0,85 Выравнивание температуры шаров на поверхности и снижение ее до заданных значений (рис. 1, в) осуществляется на конвейере при транспортировке к задающему лотку барабанной установки. Контроль температуры производят как на входе, так и на выходе с конвейера. По задающему лотку с помощью дозирующего устройства шары распределяются в индивидуальные ячейки барабана, где происходит закалка водой. Вращаясь, барабан обеспечивает вращение и транспортирование шара, исключая образование паровых рубашек. Время нахождения шаров в барабане: для 60-80 мм - 4 мин, для 90-120 мм - 6 мин. Температура шаров после закалочного барабана не превышает 40 °С [12]. После закалки шары подаются в накопитель и затем загружаются в отпускную проходную печь с циркуляционной атмосферой прямого нагрева дымовыми газами. Механизм загрузки шаров на транспортер отпускной печи состоит из рамной конструкции, с помощью которой шары распределяются в ряды, равные ширине транспортера. Отпускная печь состоит из пяти зон нагрева и четырех зон выдержки. Температурный режим в каждой зоне представлен в табл. 2. После отпуска шары попадают во вращающийся барабан и охлаждаются водой, подаваемой а б в Рис. 1. Температура шара после прокатки: а - температурное поле шара на выходе из стана; б, в - численные значения температур в различных точках поверхности на выходе из стана и после стадии выравнивания Таблица 2 Температурный режим по зонам отпускной печи Диаметр шара, мм Зона нагрева, °С Зона выдержки, °С 1 2 3 4 5 6 7 8 9 60-120 220-350 220-350 220-350 220-350 220-350 Не более 220 220 220 220 на них через форсунки системы охлаждения. После охлаждения шары с температурой не более 60 °С из ячейки барабана перекатываются по лотку в разгрузочный лоток, далее по конвейеру готовой продукции на участок складирования и отгрузки. Для освоения технологии производства использован круглый прокат Æ120 мм из стали 55Г (Сэкв = 0,75…0,83), полученный из непрерывно литой заготовки 300´380 мм. На поперечных темплетах исследовалась глубина закаленного слоя, которая составила 7-12 мм; трещин напряжения и других дефектов не обнаружено (рис. 2). Результаты замера твердости свидетельствуют, что мелющие шары соответствуют 3-й группе твердости (табл. 3). При этом целевое назначение стали 55Г в соответствии с ГОСТ 7524 - для изготовления шаров 1-й или 2-й группы твердости. Рис. 2. Темплет закаленного шара Таблица 3 Результаты измерения твердости на поверхности контрольных шаров Номер образца Твердость, HRC Поверхность шара Среднее контрольных шаров 1 51,5-50,5 50,78 2 51,1-50,0 3 53,7-51,9 52,68 4 53,8-51,3 5 53,8-46,9 51,50 6 51,7-53,6 Удельный расход мелющих шаров при измельчении различных руд и материалов напрямую зависит от стойкости шаров, что влияет на затраты на их приобретение. С 2015 г. в ГОСТ 7524-2015 введена 5-я группа твердости, регламентирующая не только твердость поверхности, но и объемную твердость, которая оценивается следующим соотношением: где ОТ - значение показателя объемной твердости, HRC; Тпов, Т0,25, Т0,5, Т0,75, Тц - значения твердости на поверхности, на расстоянии от поверхности шара в частях радиуса и в центре шара соответственно, HRC. Кроме объемной твердости, регламентируется химический состав (через углеродный эквивалент), а также геометрические характеристики. На поверхности шаров не допускаются трещины и дефекты, выводящие размеры шаров за предельные отклонения. Дополнительно по требованию потребителя могут вводиться показатели ударостойкости. Это, как правило, копровые испытания. В связи с этим для получения мелющих шаров повышенной твердости с сохранением высоких эксплуатационных свойств на металлургических предприятиях применяются специальные легированных стали [13-16], жестко регламентируются режимы [17-20] термической обработки, в том числе многостадийной [21-23], совершенствуются методы контроля [24, 25], реконструируются производственные мощности [26, 27]. Ключевым направлением является неукоснительное соблюдение температурно-временных параметров в процессе производства. Возможность получения шаров с гарантированной объемной твердостью исследовалась на четырех сериях изделий из сталей марок Ш-3Г и 75ХГФН. Часть изделий закалены вне комплекса (вручную), с последующим прохождением отпускной печи, другая часть прошла полностью комплекс термообработки на вновь вводимом оборудовании (табл. 4). Макроструктура выявлялась методом глубокого горячего травления в 50%-ном водном растворе соляной кислоты (рис. 3, а, б). Результаты дюрометрического анализа для шаров Æ120 мм с термической обработкой по различным режимам приведены в табл. 5. Таблица 4 Параметры термообработки опытных образцов Режимы и условия термической обработки Номер опытного режима, марка стали № 1 Ш-3Г № 2 75ХГФН № 3 Ш-3Г № 4 75ХГФН Условия закалки Вне комплекса В закалочном барабане Температура шара перед закалкой, ºC 840 830 910 920 Температура охладителя (воды), ºC 30 30 14 16 Время закалки, мин 3 3 10 10 Температура отпуска, ºC 170 170 160 170 Время отпуска, ч 3 3 3 3 Таблица 5 Результаты измерения твердости экспериментальных режимов термической обработки в сравнении с требованиями ГОСТ 7524-2015 Номер опытного режима Твердость, HRC Tпов T0,25 T0,5 T0,75 Tц ОТ 1 54,5 39,25 38 38,75 41 40,85 2 55 51,75 52,25 51,75 53 54,61 3 58 53,25 40 42,25 42,25 51,14 4 55,75 54,25 54,75 55,5 55,0 54,85 Требования ГОСТ 7524-2015 56 - - - - 43 После термической обработки по режимам № 2 и № 4 на поверхности шаров и на макрошлифах выявлены трещины, распространяющиеся вглубь металла на глубину до 45-50 мм. Они имеют извилистые, широко раскрытые края и наиболее выражены на режиме № 4 (рис. 3, б, в). Критерию объемной твердости удовлетворяют все режимы, за исключением режима № 1, что свидетельствует о хорошей прокаливаемости сталей 75ХГФН и Ш-3Г, достаточной для получения мелющих шаров 5-й группы при Æ120 мм. Критерию поверхностной твердости полностью удовлетворяет только режим № 3 (сталь Ш-3Г), что подчеркивает важность контроля температуры охладителя при закалке. Таким образом, возможность массового производства шаров 5-й группы твердости обеспечивается точным соблюдением температурно-временных параметров термической обработки и обусловливается высокой автоматизацией комплекса а б в Рис. 3. Макроструктура (а, б) и вид поверхности (в) мелющих шаров с различной термической обработкой: а - сталь Ш-3Г, закалка вне комплекса; б, в - 75ХГФН закалка в барабане. Стрелками обозначены трещины, возникшие в результате термической обработки оборудования, контролем и корректировкой всех технологических параметров в онлайн-режиме. На настоящем этапе оптимальным вариантом является использование стали Ш-3Г, которая является менее требовательной к деликатности процессов термообработки, также имеет достаточную прокаливаемость и более низкую стоимость. Условия реализации технологических режимов термической обработки мелющих шаров на новом шаропрокатном участке АО «ЕВРАЗ-НТМК» позволяют получать высокую твердость шаров на марках стали меньшего целевого назначения, что показывает его существенный потенциал.

About the authors

O. I Shevchenko

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Еltsin

G. E Trekin

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Еltsin

V. Yu Rubtsov

Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Еltsin; JSC “EVRAZ Nizhny Tagil Metallurgical Plant”

V. V Kurochkin

JSC “EVRAZ Nizhny Tagil Metallurgical Plant”

References

Statistics

Views

Abstract - 204

PDF (Russian) - 65

Refbacks

• There are currently no refbacks.