Моделирование и разработка технологических режимов производства мелющих шаров повышенной твердости и ударной стойкости

Введение

В последние годы в отечественном шаропрокатном производстве наблюдается переход от изготовления мелющих шаров из отбраковки заготовок сталей различного назначения к применению специализированных шаровых сталей. Это обусловлено значительным повышением требований потребителей к параметрам качества мелющих шаров, а именно, к твердости, износо- и ударостойкости. Указанные изменения требований нашли отражение в основном нормативном документе на производство данного вида продукции. В ГОСТ 7524 – 2015 по сравнению с предыдущей его редакцией (ГОСТ 7524 – 89) предусмотрено производство шаров высокой поверхностной твердости с нормированной объемной твердостью (5-ая группа твердости), а также расширен сортамент шаров, производимых по 4-ой группе твердости (шары с высокой твердостью поверхности и нормированной твердостью на глубине 0,5 радиуса шара) (табл. 1).

Кроме того, в редакции ГОСТ 7524–2015 впервые зафиксирована возможность поставки мелющих шаров 4 и 5-ой групп твердости с контролем их ударной стойкости.

Анализ литературных данных показывает наличие значительного количества исследований, направленных на совершенствование химического состава мелющих шаров с целью повышения их эксплуатационных характеристик. При этом рекомендации, касающиеся как перечня и концентрации легирующих элементов, так и содержания углерода в стали, значительно разнятся. Так, авторами исследования [1] разработана хромомолибденовая сталь условной марки ШХМ с содержанием углерода на уровне 0,69 %, хрома и молибдена – на уровне 0,56 и 0,26 % соответственно. В работе [2] обоснована целесообразность производства мелющих шаров 5-ой группы твердости из экспериментальной среднеуглеродистой стали, легированной марганцем (0,90 – 1,01 %) и хромом (до содержания 0,34 – 0,41 %). Исследователями [3] предложены два варианта заэвтектоидных сложнолегированных сталей для производства шаров. Такие стали имеют содержание углерода на уровне 0,9 – 1,2 % и одновременно легированы марганцем (0,8 – 1,5 %), хромом (1,0 – 1,7 %), ванадием (0,15 – 0,25 %) и молибденом (0,2 – 0,4 %) или никелем (0,4 – 0,6 %).

Необходимо отметить, что обеспечение повышенных требований к качеству мелющих шаров помимо применения оптимального химического состава сталей закономерно требует также совершенствования режимов прокатки и термической обработки шаров.

При определении оптимальных температурных режимов прокатки мелющих шаров необходимо учитывать, что, с одной стороны, избыточное повышение температуры прокатки может отрицательно сказываться на качестве структуры шаров – приводить к формированию рыхлости и внутренних полостей в осевой зоне шаров [4], а с другой стороны, снижение температуры прокатки неизбежно приводит к увеличению нагрузки на оборудование прокатной клети вследствие роста сопротивления стали пластической деформации сталей широкого номенклатурного ряда: нержавеющих [5; 6], высокоуглеродистых [7; 8], для автомобиле- и судостроения [9; 10], сверхвысокопрочных [11]. Также необходимо учитывать влияние изменения температурного режима прокатки шаров на их последующую закалку, которая на подавляющем большинстве современных шаропрокатных станов осуществляется с прокатного нагрева.

Режимы термической обработки мелющих шаров, применяемые в условиях современных шаропрокатных комплексов, существенно разнятся по организации и по конкретным температурно-временным параметрам основных стадий процесса. Например, на шаропрокатном стане АО «ЕВРАЗ Нижне-Тагильский металлургический комбинат» (ЕВРАЗ НТМК), запущенном в эксплуатацию в 2017 г., для производства шаров 5-й группы твердости успешно применяется одностадийная закалка [12], а на новых шаропрокатных станах ПАО «Северсталь», введенных в эксплуатацию в 2014 и 2017 гг. – более сложная технология прерванной закалки [13]. Находят применение как самоотпуск шаров в специальных контейнерах (бункерах), так и низкий отпуск путем нагрева и выдержки при заданной температуре в специализированных печах. При этом рекомендуемая температура самоотпуска по данным различных исследователей [14 – 16] изменяется от 60 до 210 °C, а длительность процесса – от 12 до 24 ч. Также значительные колебания рекомендуемых параметров термообработки имеют место и применительно к низкому отпуску в отдельных печах. Диапазон оптимальной температуры отпуска находится в пределах от 160 до 300 °С, а длительность выдержки – от 2 до 10 ч [17 – 19]. Рядом авторов применительно к производству мелющих шаров доказывается целесообразность использования такого нестандартного процесса, как Quenching and Partitioning (Q&P) [20], ранее разработанного [21] и обоснованного к применению зарубежными исследователями для термообработки сталей широкого номенклатурного ряда [22 – 24]. Другими зарубежными авторами [25; 26] представлены рекомендации по совершенствованию термической обработки мелющих шаров в рамках стандартных технологических решений. Также в ряде работ утверждается о потенциальной эффективности применения технологии термоциклирования при производстве мелющих шаров [3; 27], заключающейся в повторении циклов закалки и отпуска.

В целом можно констатировать существенные различия в подходах к оптимизации химического состава, режимов прокатки и термообработки мелющих шаров. Это не позволяет использовать рекомендации отдельных авторов для совершенствования режимов производства мелющих шаров в условиях конкретного стана без соответствующей адаптации, которая, в свою очередь, предопределяет необходимость проведения дополнительных исследований.

Целью работы является обоснование оптимальных режимов производства мелющих шаров 5-ой группы твердости по ГОСТ 7524 – 2015 из экономнолегированной стали в условиях действующего шаропрокатного производства. В настоящее время на указанном предприятии производят шары только 2, 3 и 4 групп твердости.

Методика и исходные условия
проведения исследований

Исследования проводили применительно к условиям шаропрокатного стана 40-100 в два этапа. На первом этапе провели математическое моделирование процесса прокатки и охлаждения мелющих шаров перед их закалкой в программном комплексе DEFORM. Необходимо отметить, что в последние годы моделирование процессов производства мелющих шаров с использованием стандартных прикладных программных комплексов (в том числе DEFORM) широко используется исследователями как эффективный инструмент для оптимизации технологии прокатки и термообработки шаров. В частности, отечественными [28; 29] и зарубежными [30 – 32] исследователями проведено моделирование напряженного и деформированного состояния металла при прокатке шаров по различным калибровкам, а также моделирование распределения температурных полей в процессе термомеханической обработки шаров [13; 33].

В рамках второго этапа проведены металлографические и дюрометрические исследования полнопрофильных образцов шаров (разрезанные на две равные части мелющие шары) после закалки. Для металлографических исследований использовали оптический микроскоп OLYMPUS GX-71, а для дюрометрических исследований – твердомер ТК-2М.

Сортамент рассматриваемого стана включает мелющие шары диаметром от 40 до 100 мм, производимые из стандартных марок стали в зависимости от группы твердости и диаметра (табл. 2).

Технология производства мелющих шаров включает в себя нагрев заготовок, прокатку, подстуживание шаров на конвейере с последующей их закалкой в шнековом барабане и самоотпуском в бункерах. Регламентированы и фактически контролируются в потоке производства следующие основные параметры технологии: температура в нагревательной печи и продолжительность нагрева заготовок, температура заготовок на выдаче из печи, длительность охлаждения прокатанных шаров на конвейере перед закалкой, температура шаров перед закалкой, длительность охлаждения шаров в закалочном устройстве, температура и длительность самоотпуска шаров.

В рамках настоящего исследования рассматривали производство мелющих шаров диаметром 60 мм, допустимые диапазоны изменения технологических параметров для которых не зависят от марки стали. Основные технологические параметры производства мелющих шаров диаметром 60 мм следующие:

Выбор объекта исследований обусловлен наибольшей отсортировкой шаров данного профилеразмера и группы твердости при значительной доле производства таких шаров в общем сортаменте.

Дополнительно проводили моделирование производства мелющих шаров диаметром 60 мм из стали условной марки Ш76ХФ (сталь 76ХФ по ГОСТ Р 51685 – 2013 с зауженным допустимым интервалом изменения химических элементов) (табл. 3). Выбор данной марки стали обоснован результатами ранее проведенных исследований [34], показавших возможность производства мелющих шаров высокой твердости и потенциально высокой ударной стойкости при ее использовании.

Результаты исследований и их обсуждение

Результаты моделирования производства мелющих шаров из стали Ш2.3, представленные в виде распределения интенсивности напряжений по укрупненным зонам поверхности шаров, свидетельствуют о формировании значительной неравномерности напряжений (рис. 1).

Наибольшая интенсивность напряжений закономерно наблюдается в зонах врезки реборды в исходную заготовку, достигая в этих зонах значительных величин. Несмотря на наличие схожих схем напряженного состояния поверхности мелющих шаров при их прокатке по различным температурным режимам, необходимо отметить, что снижение температуры выдачи заготовок из нагревательной печи до нижней границы допустимого предела (880 °С) приводит к значительному повышению напряжений по сравнению с прокаткой при температуре, соответствующей верхнему допустимому пределу (1000 °С). Так, максимальные напряжения в отдельных точках контакта металла с валками достигают 400 МПа при температуре деформации 880 °С, в то же время при температуре прокатки 1000 °С такие точечные напряжения не превышают 325 МПа.

Аналогичная картина наблюдается и применительно к точечным напряжениям в других зонах поверхности шаров, а также применительно к средним значениям напряжений по укрупненным областям поверхности прокатываемых шаров. Это, в свою очередь, обуславливает существенное повышение усилия прокатки (рис. 2), приводит к повышенному износу прокатных валков, и, кроме того, значимо увеличивает риск формирования дефектов шаров.

При прокатке мелющих шаров из стали Ш76ХФ имеют место закономерности напряженного состояния их поверхности, аналогичные вышеприведенным для стали Ш2.3 (рис. 1). При этом интенсивности напряжений, особенно в локальных зонах внедрения реборды в заготовку, незначительно превышают напряжения, формирующиеся в этих же зонах при прокатке шаров из стали Ш2.3, что обуславливает соответствующую разницу в усилиях прокатки при производстве шаров из указанных сталей (рис. 3).

В целом вышеприведенные данные свидетельствуют, что существующий температурный режим прокатки мелющих шаров является неоптимальным как применительно к производству шаров 4-ой группы твердости из стандартной стали, так и для производства шаров 5-ой группы твердости из стали Ш76ХФ. Целесообразным является проработка направления по повышению температуры прокатки мелющих шаров.

Как указано выше, технологическая схема производства мелющих шаров на рассматриваемом прокатном стане включает закалку шаров с прокатного нагрева после соответствующего охлаждения на движущемся конвейере. Поэтому к вопросу изменения температурного режима прокатки шаров необходимо подходить комплексно с учетом влияния указанного изменения на последующую термическую обработку и производительность прокатного стана как единой технологической системы.

С целью обоснования изменения температуры прокатки мелющих шаров проведено моделирование температурного состояния их поверхности после прокатки и перед закалкой с учетом допустимых интервалов температуры прокатки и длительности охлаждения шаров перед закалкой.

По полученным данным (табл. 4), после прокатки происходит снижение температуры поверхности шаров в среднем на 70 °С; при этом вне зависимости от температуры нагрева заготовок имеет место значительная (до 50 °С) неравномерность распределения температуры по поверхности шаров. В наибольшей степени это обусловлено наличием локальных зон повышенной температуры в местах наиболее интенсивной деформации (в местах внедрения реборды в заготовку при прокатке).

Полученные результаты свидетельствуют, что после охлаждения шаров на конвейере температура их поверхности практически выравнивается вне зависимости от температуры прокатки и длительности подстуживания (табл. 4). При этом необходимо обратить внимание, что при минимально допустимой температуре прокатки заготовок температура поверхности шаров перед закалкой близка к температуре A_C3 для стали Ш2.3. На практике такая температура закалки не позволяет получить однородную мартенситную структуру, высокие твердость и ударную стойкость шаров. Данный факт подтвержден металлографическими исследованиями мелющих шаров из стали Ш2.3 текущего производства, при прокатке которых температура находилась на нижнем допустимом пределе. В микроструктуре таких шаров после закалки в дополнение к мартенситу выявлен феррит (рис. 4), поверхностная твердость шаров и твердость на глубине 1/2 радиуса ниже требований к шарам 4-ой группы и фактически соответствуют только 2-ой группе твердости по ГОСТ 7524 – 2015 (табл. 5).

Гарантированное соответствие температуры шаров перед закалкой оптимальному интервалу согласно результатам моделирования имеет место при температуре начала прокатки 980 – 1000 °С. Металлографические исследования мелющих шаров аналогичного химического состава, но прокатанных с указанной температурой, показали, что их микроструктура после закалки представляет собой мелкоигольчатый мартенсит (рис. 5). Показатели твердости таких шаров позволяют отнести их к 4-ой группе твердости (табл. 5). На основании вышеприведенных исследований применительно к мелющим шарам диаметром 60 мм установлен оптимальный температурный интервал выдачи заготовок под прокатку 980 – 1030 °С.

Прокатка заготовок 20 плавок указанной стали с использованием измененного температурного режима подтвердила соответствие таких шаров 4-ой группе твердости при одновременном повышении ударной стойкости. На всем объеме прокатанных шаров не выявлены дефекты макроструктуры в виде рыхлости и внутренних полостей. Это подтверждает результаты исследований, ранее проведенных в условиях Гурьевского металлургического завода, об отсутствии отрицательного влияния повышения температуры прокатки шаров на качество их макроструктуры [35; 36].

Ударная стойкость мелющих шаров приведена ниже.

Далее провели моделирование изменения температуры шаров из стали Ш76ХФ в процессе их прокатки и охлаждения перед закалкой, которое позволило выявить закономерности, аналогичные определенным применительно к стали Ш2.3.

Проведенными экспериментальными исследованиями производства мелющих шаров из стали Ш76ХФ с повышенной температурой их прокатки определено, что полученные шары соответствуют 5-ой группе твердости и при этом обладают повышенной ударной стойкостью по отношению к шарам из стали Ш2.3.

Таким образом, применение нового температурного режима прокатки позволяет гарантированно получать мелющие шары диаметром 60 мм 4-ой группы твердости по ГОСТ 7524 – 2015 при их производстве из стандартной марки стали Ш2.3 и шары 5-ой группы твердости – при использовании экономнолегированной стали Ш76ХФ. При этом производимые шары как 4-ой, так и 5-ой групп твердости обладают повышенной ударной стойкостью.

Выводы

На основании комплекса теоретических и экспериментальных исследований разработан новый температурный режим прокатки мелющих шаров повышенных твердости и ударной стойкости. Опытно-промышленное опробование разработанного температурного режима прокатки в условиях действующего шаропрокатного стана подтвердило соответствие получаемых шаров 4-ой и 5-ой группам твердости по ГОСТ 7524 – 2015 при их производстве из стандартной стали Ш2.3 и экспериментальной стали Ш76ХФ соответственно. Также подтверждено значимое повышение ударной стойкости таких шаров по сравнению с шарами из стали Ш2.3, произведенными с применением стандартного режима прокатки.