THERMAL TREATMENT OF GRINDING BALLS AT NEW BALL-ROLLING SHOP
- Authors: Shevchenko O.I1, Trekin G.E1, Rubtsov V.Y.1,2, Kurochkin V.V2
- Affiliations:
- Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Еltsin
- JSC “EVRAZ Nizhny Tagil Metallurgical Plant”
- Issue: Vol 21, No 3 (2019)
- Pages: 110-117
- Section: ARTICLES
- URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mm/article/view/3002
- DOI: https://doi.org/10.15593/2224-9877/2019.3.13
- Cite item
Abstract
Experimental data test of heat treatment are presented in conditions of shop production of increased hardness grinding balls on EVRAZ-NTMK, commissioned in 2018. On example of balls Ø 120 mm production from the 55G grade steel billet, by heat treatment changing temperature-time parametersm, was obtained products corresponding to 3 grade hardness according to GOST 7524-2015, with intended purpose 2 grade hardness steel. Particular attention is paid to possibility of making 5th grade hardness balls, with ensured surface and bulk hardness. Experimental studies were carried out on steel grades Ш-3Г and 75ХГФН. The most critical in terms of final properties formation are: the temperature and the nature of its distribution over workpiece surface at ball-rolling mill outlet, the cooling time, the workpiece temperature, before being fed into quenching drum, the cooler temperature and dwell time into quenching drum. It was obtained that all modes, which considered ones satisfy bulk hardness criterion, this indicates a sufficient all steels hardenability. However, on surface and macrosections of balls, which highers alloyed steel, cracks were discovered, that spread deep into the metal at 45 to 50 mm depth, which will inevitably lead grinding media during operation to destruction. The possibility of mass production 5th grade hardness balls is ensured by exact observance of heat treatment temperature-time parameters and is conditioned by equipment complex high automation, control and all technological parameters correction in the on-line mode. Conditions for implementation of grinding balls heat treatment technological modes on the new ball rolling shop of JSC "EVRAZ-NTMK" allows to obtain high grades hardness balls on the steel with lower proprties, which shows its significant potential.
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
- Задорожный В.Ф., Быбин Ф.Ф. Удоканское месторождение в стратегии освоения севера Забайкалья // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. - 2012. - № 3. - С. 90-94.
- Романова Д.В., Черненко-Фролова Е.В. Удоканское месторождение как территория экономического развития Забайкальского края // Материалы секционных заседаний 58-й студ. науч.-практ. конф. ТОГУ. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2018. - С. 513-517.
- Шайбакова Л.Ф., Новоселов С.В. Тенденции, особенности и проблемы развития черной металлургии России // Управленец. - 2017. - № 5 (69). - С. 40-49.
- Сивак Б.А Сотрудничество металлургов и машиностроителей - основа инновационного развития отрасли // Научно-технический прогресс в черной металлургии: материалы II Междунар. науч.-техн. конф. - Череповец: Изд-во Череповец. гос. ун-та, 2015. - С. 15-17.
- Состояние производства и пути повышения качества стальных мелющих шаров / Д.В. Сталинский, А.С. Рудюк, В.К. Соленый, А.В. Юдин // Сталь. - 2017. - № 2. - С. 28-34.
- Рубцов В.Ю., Шевченко О.И. Калибровка шаропрокатных валков с непрерывно меняющимся шагом // Черная металлургия. - 2018. - № 8 (1424). - С. 58-63.
- Pater Z., Tomczak J., Bulzak T. An innovative method for forming balls by cross rolling // Materials. - 2018. - № 11 (1793). - Р. 1-14.
- Tomczak J., Pater Z., Bartnicki J. Skrew rolling of balls in multiple helical impressions // Archives of Metallurgy and Materials. - 2013. - Vol. 58, iss. 4. - Р. 1071-1076.
- Рубцов В.Ю., Шевченко О.И., Миронова М.В. Совершенствование динамического режима прокатки для повышения стойкости валков шаропрокатного стана // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2018. - Т. 61, № 12. - С. 927-932.
- Рубцов В.Ю., Шевченко О.И., Загребайлов Н.М. Рабочий диапазон параметров шаропрокатного стана // Молодежь и наука: материалы междунар. науч.-практ. конф. (25 мая 2018 г.): в 2 т. / М-во образ. и науки РФ; УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, Нижнетагил. технол. ин-т (филиал). - Нижний Тагил, 2018. - Т. 1. - С. 18-23.
- Рубцов В.Ю., Шевченко О.И. Калибровка шаропрокатных валков с диференцированно-изменяющейся глубиной впадины // Молодежь и наука: материалы междунар. науч.-практ. конф. (24 мая 2019 г.): в 2 т. / М-во образ. и науки РФ; УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, Нижнетагил. технол. ин-т (филиал). - Нижний Тагил, 2019. - С. 21-24.
- Курочкин В.В. Шевченко О.И. Освоение технологии термообработки шаров в условиях нового шаропрокатного стана АО «ЕВРАЗ НТМК» // Молодежь и наука: материалы междунар. науч.-практ. конф. (24 мая 2019 г.): в 2 т. / М-во образ. и науки РФ; УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, Нижнетагил. технол. ин-т (филиал). - Нижний Тагил, 2019. - С. 24-27.
- Сталинский Д.В., Рудюк А.С., Соленый В.К. Выбор материала и технологии термической обработки мелющих шаров, работающих преимущественно в условиях абразивного износа // Сталь. - 2017. - № 6. - С. 64-69.
- Вавилкин Н.М., Челноков В.В. К выбору материала для производства мелющих шаров // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2002. - № 1. - С. 41-46.
- 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, А.И. Туяхов // Металл и литье Украины. - 2001. - № 10-11. - С. 31-34.
- Рубцов В.Ю., Шевченко О.И. Освоение производства мелющих шаров 5 группы твердости в условиях АО «ЕВРАЗ-НТМК» // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: тез. докл. 76-й Междунар. науч.-техн. конф. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогор. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2018. - Т. 1. - С. 117-118.
- Рубцов В.Ю., Шевченко О.И. Освоение производства мелющих шаров пятой группы твердости в условиях АО «ЕВРАЗ-НТМК» // Калибровочное бюро. - 2018. - № 13. - С. 20-22.
- Освоение производства мелющих шаров особо высокой твердости диаметром 80-100 мм / А.Б. Юрьев, Н.Х. Мухатдинов, О.П. Атконова, Н.А. Козырев, Л.В. Корнева // Сталь. - 2010. - № 4. - С. 90-91.
- Производство мелющих шаров особо высокой твердости / Г.В. Мохов, Н.А. Козырев, Е.П. Кузнецов, О.П. Атконова, Е.Г. Закаулов // Металлургия: технологии, управление, инновации, качество: тр. Всерос. науч.-практ. конф. - Новокузнецк, 2009. - С. 204-207.
- Влияние термической обработки на твердость и износ мелющих шаров / Айсат Сахраю, Садзддин Абдельхамид, Брадай Моханд Амокран, Юнус Рассим, Билек Али, Бенаббас Абдеррахим // МиТОМ. - № 5 (713). - 2017. - С. 34-38.
- Освоение производства мелющих шаров диам. 30 мм с объемной твердостью не менее 60 HRC / А.Б. Юрьев, Е.П. Кузнецов, О.П. Атконова, И.В. Копылов, Е.Г. Закаулов // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2014. - № 6. - С. 42-43.
- Внедрение технологии трехстадийного термоупрочнения мелющих шаров большого диаметра / В.Г. Ефременко, Е.С. Попов, С.О. Кузьмин, О.И. Труфанова, А.В. Ефременко // Металлург. - 2013. - № 9. - С. 88-92.
- Кузьмин С.О. Влияние режима термоупрочнения на объемную износостойкость мелющих шаров из низколегированных марок стали // Вісник Приазовського державного технічного університету. Технічні науки. - 2011. - № 2 (23). - С. 117-126.
- Рубцов В.Ю., Шевченко О.И. Экспресс-контроль измерения глубины прокаливания мелющих шаров // Молодежь и наука: материалы междунар. науч.-практ. конф. (26 мая 2017 г., г. Нижний Тагил): в 2 т. / М-во образ. и науки РФ, Урал. федер. ун-т им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, Нижнетагил. технол. ин-т (филиал). - Нижний Тагил, 2017. - Т. 1. - С. 20-26.
- Рубцов В.Ю., Шевченко О.И., Трекин Г.Е. Экспресс-контроль качества термической обработки при производстве мелющих шаров // Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов: материалы XXIV Урал. шк. металловедов-термистов (19-23 марта 2018 г., Магнитогорск). - Магнитогорск: Изд-во Магнитогор. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2018. - C. 61-62.
- Качество мелющих шаров, изготовленных разными методами / К.Н. Вдовин, Н.А. Феоктистов, М.Б. Абенова, В.Д. Куликов, И.С. Кондратьев // Теория и технология металлургического производства. - 2015. - № 1 (16). - С. 78-80.
- Аникин А.В., Тугушев П.Н., Кузнецов С.А. Разработка и внедрение непрерывной технологии и исследование оборудования для производства мелющих шаров высокой твердости // Неделя металлов в Москве, 11-14 ноября 2014 г.: материалы конф. - М., 2015. - С. 338-348.
Statistics
Views
Abstract - 152
PDF (Russian) - 57
Refbacks
- There are currently no refbacks.