О регламентации прокаливаемости стальных мелющих шаров Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.78.04:621.775.2

Ткаченко Ф.К., Тихонюк С JL, Ефременко В.Г., Дегтярев С.И., Ворона H.H., Тихонюк JI.C.,

Николаенко Н.В.

О РЕГЛАМЕНТАЦИИ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ СТАЛЬНЫХ МЕЛЮЩИХ ШАРОВ

Проблема повышения качества мелющих стальных шаров является весьма актуальной для отечественных производителей этого вида продукции. Известно, что шары, выпускаемые на Украине и в России, по равномерности распределения твердости в объеме изделия значительно уступают лучшим зарубежным аналогам. Основными факторами, препятствующими освоению производства высококачественных шаров, являются традиционное использование сталей, не обладающих достаточной прокаливаемостъю, а также необходимость кардинального изменения существующих технологий термообработки. И если первая проблема постепенно находит решение за счет выбора состава эко-номнолегированных сталей, то быстрый переход к новой технологии термоупрочнения, требующий больших капитальных затрат, в условиях глубокого кризиса металлургической отрасли представляется маловероятным. Таким образом, пути повышения качества мелющих шаров следует искать в рамках существующих технологий термической обработки.

В настоящее время на предприятиях СНГ используют две схемы термического упрочнения шаров с прокатного нагрева: 1) охлаждение душирова-нием в ковшиках конвейера; 2) подстуживание после прокатки и закалка в барабане шнекового типа. Завершающей стадией в обоих случаях является самоотпуск в бункерах. Термоупрочнение по второй схеме обеспечивает более высокую твердость и равномерность ее распределения по поверхности шаров. Данной технологией оснащена линия стана СПШ - 80 на МК "Азовсталь", производящая шары диаметром 60 и 80 мм. Шары изготавливаются из стали М76 и после термоупрочнения имеют твердость свыше 50 НЯСэ с глубиной закаленного слоя 5-7 мм. Авторами данной статьи проведено опробование технологии производства шаров 0 60 и 80 мм из стали, обеспечивающей сквозную прока-ливаемость, в рамках существующей на комбинате технологии термоупрочнения. Было установлено, что значительная часть таких шаров растрескиваются в бункерах сразу же после самоотпуска. Аналогичные результаты получены на Кузнецком металлургическом комбинате при изготовлении высокопрокали-вающихся шаров диаметром 100 мм [1].

Анализ показывает, что использование закалки с самоотпуском не является рациональным применительно к прокаливающимся насквозь изделиям данного типа. Если при обычном отпуске в них происходит релаксация напряжений, то в процессе самоотпуска напряжения могут нарастать за счет постепенного увеличения количества мартенсита в центральных участках шара. К моменту окончания самоотпуска структурные напряжения достигают максимума и разряжаются за счет образования поверхностных трещин. Величина структурных напряжений на поверхности глубокопрокаливающихся шаров определяется приростом удельного объема сердцевины, связанным с количеством мартенсита в центре шара. По этой причине вероятность появления трещин 1-го рода находится в зависимости от твердости центральных слоев шара. Установлено, что существует пороговый уровень твердости центра, превышение которого приводит к появлению трещин на поверхности. При исследовании шаров 0 60 мм из сталей различного состава было установлено, что такой границей' является 45-47 "ННСэ. Следует, однако, отметить, что трещины 1-го рода возникали в шарах только в тех случаях, когда их поверхностная твердость превышала 54 HRC3.

В этих условиях снижение склонности к растрескиванию шаров возможно на основе компромисса между необходимостью максимального увеличения прокаливаемости и гарантированным отсутствием трещин. Этим компромиссом является регламентированный рост глубины закажи при обязательном сохранении пониженной твердости в центре шара.

Нахождение оптимальной ширины закаленного слоя производили путем анализа температурно-временных параметров охлаждения шаров в процессе их закалки в воде. Распределение температуры по сечению закаливаемых шаров 0 60 й 80 мм рассчитывали по формуле: 00

Тг-Тср=Тз £ А 1 схр (-ц.1 а-с/ Я^вт (ц,г/Я) / (ц! г/К), / = 1

где Тг - температура шара в точке на расстоянии г от центра;

Тер - температура закалочной среды (+20 °С);

Т3 - температура шара перед закалкой (920 °С);

К- радиус шара; а - коэффициент температуропроводности;

Б- Аа - коэффициенты бесконечного ряда Фурье (А1= Г (В^);

Т- - корни трансцендентного уравнения - цУ ЕЫ );

и-1 - время от начала закажи [2]. '

Были построены кривые охлаждения различных слоев шара диаметром 60 и 80 мм. На основе полученных данных рассчитали изменение скорости охлаждения в различных точках шара в зависимости от температуры металла и продолжительности закалки. На рисунке 1 представлено распределение скорости охлаждения по сечению шаров в момент достижения в конкретной точке температуры 600 °С. Выбор этой температуры обусловлен тем, что 600 °С соответствует области минимальной устойчивости переохлажденного аустенита стали М76. Анализ этих зависимостей, кроме всего прочего, позволяет определить критическую скорость охлаждения стали по известной глубине закалки шара. Поскольку шары 0 60-80 мм, изготовленные из рельсовой стали М76, прокаливаются на 5-7 мм от поверхности, можно полагать, что критическая скорость охлаждения ддя этой стали составляет 20-25 град/с.

Расстояние от поверхности, мм

Рис. 1. Изменение скорости охлаждения по сечению закаливаемых шаров при 600 0 С.

По мере продвижения от поверхности вглубь шара кривые скорости охлаждения постепенно снижаются и, начиная с определенной точки, выходят на прямолинейный участок с очень малым углом наклона относительно оси абсцисс. Это свидетельствует о том, что центр шара охлаждается практически с такой же скоростью, как и слой на глубине 15 мм для шаров 0 60 мм и 20 мм -для шаров 0 80 мм. Следовательно, если за счет легирования добиться увеличения ширины закаленной зоны до половины радиуса шара, то вполне вероятно образование мартенситной структуры и в центре. Таким образом, во избежание образования трещин ширина закаленной зоны не должна превышать названных выше величин.

Выводы, полученные на основе расчетных данных, прошли апробацию в ходе промышленных экспериментов. Термообработке подвергались шары 060 мм, изготовленные из стали М76 с различным содержанием марганца. Шары закаливали в одинаковых условиях и собирали в отдельные короба для самоотпуска. После полного остывания были изготовлены темплеты, на кото-

рых исследовали распределение твердости по сечению изделия (рис. 2). Кроме того, визуально определяли наличие закалочных трещин на поверхности.

Анализ экспериментальных данных показывает, что марганец оказывает сильное влияние на прокаливаемость шаров. При содержании его в количестве 0,85-0,99 % глубина закалки (т.е. глубина залегания слоя с твердостью более 55 Н11Сэ) не превысила 10 мм. Введение 1,04-1,10 % Мп обеспечило достижение твердости 57-59 НЯСэ уже на расстоянии 15 мм от поверхности .Соответственно возросла твердость в глубинных участках шара, хотя центр оставался достаточно "мягким". Трещины в таких шарах отсутствовали.

При увеличении концентраций марганца до 1,12% ширина закаленного слоя возросла до 20 мм, а твердость многих шаров в центре превысила 50 НЯСэ, т.е. центр охлаждался со скоростью, близкой к критической для данного состава. Шары с таким распределением твердости по сечению в значительном количестве были поражены поверхностными

I Расстояние от поверхности шара, мм

Рис. 2. Влияние марганца на распределение твердости по сечению шаров из рельсовой стали.

трещинами. Еще большую склонность к трещинообразованию имели шары, содержавшие 1,15-1,16 % Мп и прокалившиеся насквозь с достижением в центре 58-61 HRC3.

Полученные данные подтвердили целесообразность регламентации прокаливаемости мелющих шаров, обрабатываемых по технологии прерванной закалки с самоотпуском. В то же время они позволили скорректировать величину максимально допустимой глубины закалки шара. Как показал эксперимент, в шарах 0 60 мм глубина закалки может быть повышена до 15 мм без риска возникновения трещин. Регулирование прокаливаемости достаточно легко осуществляется подбором химического состава шаровой стали. В частности, для шаров 0 60 мм можно рекомендовать плавки рельсовой стали, содержащие 0,97-1,10 % Мп. Глубина закалки в этом случае возрастает в два раза по сравнению с шарами обычного состава (0,80-0,90 % Мп), при этом изделия сохраняют устойчивость к возникновению закалочных трещин. Следует однако иметь ввиду, что за счет колебаний концентрации марганца в различных слитках (которые достигают 0,06 % относительно плавочного состава) плавки, содержащие более 1,05 % Мп, "попадают" в опасную зону трещинообразования, в связи с чем их не следует применять при изготовлении шаров диаметром 60 мм.

Перечень ссылок

1. Гуляева Т.П., Седоволосая Т.Д., Данилов А.П. Качество мелющих шаров ИЗ легиро-

ванных марок сталей // Известия вузов. Черная металлургия, -1995,- № 6,- С. 75.

2. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. М.: Госэнергоиздат,

1963.-536 с.