CC BY
5В.Ю. Рубцов, К.О. Ерёмин, И.Э. Лановенко
АО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат»
О.И. Шевченко
Нижнетагильский технологический институт (филиал) УрФУ ОПЫТ ОСВОЕНИЯ МЕЛЮЩИХ ШАРОВ ИЗ ОТЛИВКИ ФЛЦ ВЗАМЕН НЛЗ
Аннотация. В данной работе, представлен опыт освоения мелющих шаров из заготовки, полученной в условиях фасонно-литейного цеха, взамен непрерывнолитой заготовки с целью снижения затрат и времени освоения новых марок стали. Опыт проводился на легированной марке стали Ш-11, с производством слитка сечением 300x380 - идентично непре-рывнолитой заготовке, а затем перекатом его в круглую заготовку и шары диаметром 120 мм. Данный опыт показал целесообразность освоения производства новых марок стали в условиях фасонно-литейного цеха, совершенствования режимов литья заготовок и приближения их по параметрам к непрерывнолитой заготовке.
Ключевые слова: фасонно-литейный цех, непрерывнолитая заготовка, мелющий шар, отливка, сечение заготовки, дефекты, флокены.
Введение
С учетом тенденций развития горнодобывающих компаний непрерывно растет спрос на мелющие шары [1]. Ещё пять лет назад к мелющим шарам предъявлялись минимальные требования, и согласно ГОСТ 7524-2015 регламентировались только поверхностная и объемная твердость [2]. Эти показатели достигались выбором марки стали шара и режимом термообработки. Однако эксплуатационные характеристики шаров не всегда линейно зависят от твердости, наибольшие различия наблюдаются в мельницах с каскадным и водопадным скоростным режимом измельчения. В первом случае шары работают преимущественно на истирание, во втором ключевая эксплуатационная характеристика - сопротивление разрушению при ударе, поэтому для первых важна более высокая абразивная стойкость, а во втором случае - высокая ударная устойчивость шаров при умеренной абразивной стойкости. Кроме способа измельчения, также немаловажную роль играет тип измельчения (сухое или мокрое), а также состав продукта измельчения (руды).
АО «ЕВРАЗ-НТМК», позиционируя себя как клиентоориентированное предприятие, в последние годы активно развивает производство мелющих шаров, что включает в себя строительство и запуск нового шаропрокатного стана в 2018 году, с возможностью получения мелющих шаров диаметрами от 60 до 120 мм с группами твердости от второй до пятой (максимальной) [3], разработку проекта строительства R&D центра, для испытания мелющих шаров не только на твердость и ударную стойкость, а также на абразивную и абразивно-адгезионную устойчивость, исследование структуры металла и совершенствование режимов термической обработки. Значимым направлением является разработка сталей различного состава, для производства мелющих шаров, которые отвечают эксплуатационным требованиям потребителя, и предназначены для измельчения конкретного типа руд.
Наиболее проблемным и затратным является этап освоения новой марки стали. Первоначально, основываясь на накопленном опыте, рассчитывается состав стали с учетом необходимых технологических и эксплуатационных свойств: прокаливаемости, ударной стойкости, твердости. Затем производится расчет режимов термической обработки, а также моделирование процессов, для проверки возможности применения той или иной марки стали в условиях производства шаропрокатного стана [4]. После проведения расчетов, производится опытная плавка из заявленной марки стали, прокатка шаровой заготовки, затем мелющих шаров по расчетным режимам, а также комплекс испытаний полученных шаров. С учетом вышесказанного, в течении года проходят апробацию от 5 до 10 новых марок стали для производства мелющих шаров, что повышает загрузку конверторного производства в части проведения плавок из новых марок стали. В случае получения несоответствий плавка в 150 т
признается некондиционной и передается на повторную переплавку. Для снижения затрат и времени освоения новых марок стали, был предложен способ отливки штучных заготовок в условиях фасонно-литейного цеха (ФЛЦ), что потребовало проверки сопоставимости полученных результатов, с традиционной технологией «конвертер-МНЛЗ».
Проведение производственного эксперимента
В качестве экспериментальной была выбрана сталь Ш-11 (61ХГФНМСД) [5], которая в настоящее время используется для производства мелющих шаров, и пригодна для производства пятой группы твердости диаметрами 100 и 120 мм, для условий работы мельниц с водопадным методом измельчения. Из данной стали произведен слиток сечением 300x380 мм длиной 3500 мм, в условиях ремонтного-заготовительного производства ФЛЦ АО «ЕВРАЗ-НТМК». На всех этапах производства проводилось сопоставление качественных показателей заготовок одинакового сечения, произведенных на МНЛЗ и в ФЛЦ.
В виду отсутствия кессона и оснастки для возможности осуществления вертикальной заливки слитка, литье заготовки осуществлялось в разовую песчано-глинистую форму по деревянной модели в парных опоках. Перед производством заготовки, было осуществлено математическое моделирования литейного процесса получения литого слитка посредством программы моделирования ЬУМНо'^ Предварительный расчет и результат моделирования показали необходимость установки 3-х прибылей (рис. 1) с целью получения плотной отливки без внутренних и поверхностных дефектов в виде усадочных раковин (рис. 2) и засоров (рис. 3).
Щ: 12.40", Ьс!: 12.2:]
Рис. 1. Прогнозирование линейной усадки
Рис. 2. Прогнозирование усадочной пористости
Выплавка стали производилась в дуговой сталеплавильной печи ДСТ-5, разливка осуществлялась из стопорного ковша. С учетом объема печи ФЛЦ - 5 т и с учетом требуемого массы расплава на слиток 5,3 т по жидкому, расчетная длина заготовки с необходимыми элементами литниковой системы составила 3,5 м, что является допустимым размером для посада в печь с шагающими балками.
Рис. 3. Заполнение формы
Сопоставление формы слитка с прибылями (рис. 4) с числовой моделью, показало высокий процент сходимости результатов (более 90 %). После удаления прибылей на слитке (рис. 5) видно, что под прибыльной частью дефектов усадки не наблюдается, что показывает правильную работу прибылей и достаточную сходимость с непрерывнолитой заготовкой по плотности металла.
Рис. 4. Слиток с прибылями
Рис. 5. Слиток с удаленными прибылями
Анализ геометрических размеров слитка показал, что его фактические размеры составили 300-50 мм по высоте и 380-430 мм по ширине, при этом сечение заготовки немонотонно изменялось в центральной зоне и в зоне прибылей. Причина увеличения размера по высоте связана с остатками прибылей после их обрезки, а по ширине вызвано поддутостью отливки. В свою очередь размеры непрерывнолитой заготовки, для производства шаровой заготовки, ограничены допуском ±3 мм. Отклонения геометрических размеров по сечению слитка превышают в 8 раз допускаемые отклонения непрерывнолитой заготовки (рис. 6).
Рис. 6. Отличие заготовок: а) МНЛЗ; б) ФЛЦ
Специфика геометрии слитка потребовала изменения схемы прокатки с предварительным обжатием слитка на гладкой бочке в обжимной клети в 2-х сечениях до получения фактического сечения заготовки 300x380 мм.
После прокатки слитка в местах удаления прибылей на поверхности шаровой заготовки образовались плены глубиной до 4 мм и длиной до 0,5 м, недопустимые согласно нормативной документации. Однако, несмотря на это, заготовки были перекатаны в шаровую заготовку диаметром 120 мм, а размеры круглого сечения шаровой заготовки при этом оказались в поле допуска и соответствовали требованиям ГОСТ 2590-2006 (рис. 7).
Для оценки макроструктуры и химического анализа из полученной заготовки были отобраны темплеты от передней (головной) части заготовки (№ 1), средней (центральной) части заготовки (№ 2) и задней (хвостовой) части заготовки № 3, а также проба для оценки наличия флокенов.
Рис. 7. Проба шаровой заготовки 0120 мм
Согласно результатам химического анализа, массовые доли восьми элементов (С, Mn, Si, P, Сг, V, Л!, К) не соответствуют (с разной степенью погрешности) требованиям нормативной документации. Следует отметить, что углерод (основной элемент), неравномерно распределён по длине заготовки: в центральной пробе № 2 его массовая доля составила 0,57%, что более близко к значению, требуемому в нормативной документации (0,58-0,63%), по сравнению с содержанием концевых проб (проба № 1, проба № 3 по 0,54%). При этом, по ковшевой пробе, взятой в процессе отливки, значение углерода составило 0,6%, что укладывается в диапазон значений по нормативной документации.
Неоднородное травление, наблюдаемое на поперечных темплетах свидетельствует о развитых ликвационных процессах в отливке и химической неоднородности по сечению шаровой заготовки (рис. 8).
Рис. 8. Макротемплеты шаровой заготовки 0120 мм
Кроме того, на всех темплетах, как поперечных, отобранных от разных частей заготовки, так и продольном обнаружены флокены (рис. 8 и 9), что исключает возможность производства из неё шаров с последующей закалкой в потоке стана. Весьма вероятное разрушение шаров в закалочном барабане под действием возникающих при термической обработке напряжений, приведёт к длительному простою стана для удаления их остатков, что недопустимо в производственных условиях [6].
Рис. 9. Продольный темплет заготовки из слитка для оценки наличия флокенов
В связи с этим для продолжения экспериментальных работ было принято решение прокатать шаровую заготовку 0120 мм без проведения термической обработки в условиях участка ШПС РБЦ. Закалку провести по различным режимам от «жестких» до «мягких» после повторного нагрева в муфельной печи до 1000° С и подстуживания до 780, 840 и 900° С. Шары охлаждались в воде при температуре 35±1° С. Выдержка в закалочном баке составляла 4 мин, что соответствует максимальному времени выдержки в закалочном барабане ШПС РБЦ. В результате, все шары выдержали назначенные режимы закалки без разрушения. Из шара, закалённого по самым «жестким» режимам (с температуры 900° С), изготовлены тем-плеты. Макроструктура шара представлена на рис. 10.
Рис. 10. Макроструктура мелющего шара 0120 мм (сталь 61ХГФМНСД) из опытной литой заготовки, после термической обработки
Исследования темплета термообработанного шара, выявило наличие глубоких флоке-нов, раскрывшихся в результате термической обработки. Однако, их вскрытия и выхода на поверхность с образованием сквозных трещин не обнаружено, что говорит о хороших технологических свойствах исследуемой стали и высокому сопротивлению разрушению.
Дальнейшие опыты освоения новых марок стали в условиях ФЛЦ целесообразны при совершенствовании способов и режимов литья заготовок, и приближения их по параметрам к непрерывнолитой заготовке, что возможно после техперевооружения ФЛЦ, с обустройством площадей и оснастки для возможности вертикальной заливки подобных длинномерных заготовок, внедрения и установки доводки расплава по химическому составу и вакууматора.
Выводы
1. С целью снижения затрат и времени освоения новых марок стали для производства мелющих шаров, был предложен способ отливки штучных заготовок в условиях ФЛЦ, и была проведена работа по проверке сходимости полученных результатов по качеству на всех этапах в сравнении с непрерывнолитой заготовкой.
2. Из положительных результатов по степени сходимости стоит отметить что: по плотности структуры слиток имеет высокую сходимость с непрерывнолитой заготовкой сечением 300x380 мм, с допустимой усадкой и без видимой пористости металла; размеры горячекатаной шаровой заготовки 0120 мм, прокатанной из слитка, произведенного в ФЛЦ, соответствуют требованиям ГОСТ 2590-2006
3. Из недостигнутых показателей по сходимости с непрерывнолитой заготовкой то, что: отклонения размеров сечения слитка в 8 раз превышают допускаемые по нормативной документации на непрерывнолитую заготовку сечением 300x380 мм; на большей части поверхности горячекатаной шаровой заготовки 0120 мм имеются недопустимые дефекты в виде плен; массовые доли элементов (С, Мп, Si, Р, Сг, V, А1, К) не соответствуют (с разной степенью погрешности) требованиям нормативной документации; распределение (ликвация) элементов неравномерно как по длине заготовки, так и по сечению.
4. На всех темплетах: поперечных, отобранных от разных частей заготовки, и продольном обнаружены флокены, что исключает возможность производства из неё шаров с последующей закалкой, из-за потенциального разрушения шаров в закалочном барабане, что приведёт к длительному простою для удаления их остатков.
5. Сталь Ш-11 (61ХГФМНСД) имеет высокую стойкость к разрушению, даже при наличии флокенов по сечению шаров.
6. Дальнейшие опыты освоения новых марок стали в условиях ФЛЦ целесообразны при совершенствовании способов и режимов литья заготовок, и приближения их по параметрам к НЛЗ, что возможно после техперевооружения ФЛЦ, с обустройством площадей и оснастки для возможности вертикальной заливки подобных длинномерных заготовок, внедрения и установки доводки расплава по химическому составу и вакуумато-ра.
Библиографический список
1. Задорожный В.Ф., Быбин Ф.Ф. Удоканское месторождение в стратегии освоения севера Забайкалья // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири. 2012. № 3. С. 90-94.
2. ГОСТ 7524-2015 Шары мелющие стальные для шаровых мельниц. М.: Стандартин-форм, 2016. 8 с.
3. Новый шаропрокатный стан ЕВРАЗ НТМК - новые возможности для потребителей / К.А. Улегин, К.Н. Шведов, А.Н. Бородин, В.Ю. Рубцов // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2020. Т. 76. № 6. С. 602-608.
4. Сидоров А.А., Семенов А.А., Лановенко И.Э., Галимьянов И.К., Ильиных Р.А., Беспамятных А.Ю. Компьютерное моделирование процесса термической обработки мелющих шаров // Металлург. 2021. № 7. С. 35-43.
5. Патент 2778651 РФ: МПК51 C21D 9/36; С22С 38/28; B21H 1/14. Способ производства мелющих шаров / К.Н. Шведов, С.В. Борисов, И.Э. Лановенко [и др]. Опубл. 22.08.2022, Бюл. № 24. 11 с.
6. Галимьянов И.К. Влияние температуры и структуры круглой заготовки на раскол мелющих шаров // Черные металлы. 2019. № 10. С. 63-66.
•- INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH -•
V.Yu. Rubtsov, K.O. Erjomin, I.E. Lanovenko
EVRAZ Nizhny Tagil Metallurgical Plant
O.I. Shevchenko
Nizhny Tagil Institute of Technology (branch) UrFU
DEVELOPING GRINDING BALLS FROM CASTING BLUM INSTEAD
OF CONTICAST BILLET
Abstract. In this paper, experience of mastering grinding balls from billet obtained in conditions of a shaped-casting shop, instead of a continuously cast billet, is presented in order to reduce costs and time for development of new steel grades. The experiment was carried out on alloyed steel grade Sh-11, with the production of ingot with cross section of 300x380 mm - identical to continuously cast billet, and then rolling it into a round billet and balls with a diameter of 120 mm. Further experiments in development of new steel grades under conditions of shaped-casting shop are expedient when improving methods and modes of casting billets, and bringing them closer in parameters terms to continuous casting machine.
Keywords: shaped-casting shop, continuously cast billet, grinding ball, casting, billet cross section, defects, flocks.
