Введение

На сегодняшний день одним из основных направлений повышения твердости, износо- и ударостойкости стальных мелющих шаров является совершенствование их химического состава [1 ‒ 3]. Данный факт объясняется тем, что стандартные шаровые стали не обеспечивают необходимого уровня приведенных показателей качества мелющих шаров [4 ‒ 6].

Целый ряд разработок направлен на совершенствование химического состава сталей с целью повышения эксплуатационных характеристик производимых мелющих шаров. В работах [7; 8] проведено опытно-промышленное опробование производства шаров диаметром 35 мм пятой группы твердости из стали, легированой марганцем и хромом до концентрации 0,90 ‒ 1,05 и 0,40 соответственно. Согласно полученным результатам произведенные из указанной стали шары после термической обработки обладают следующими характеристиками:

– твердость на поверхности 59 ‒ 64 HRC;

– твердость на глубине 1/2 радиуса 55 ‒ 60 HRC;

– коэрцитивная сила (внутренние напряжения шара) 44 ‒ 50 единиц.

Существует значительное количество изобретений [9 ‒ 11], в которых качественный и количественный составы легирующих элементов в предлагаемых шаровых сталях изменяется в достаточно широких пределах. При этом в изобретениях отечественных авторов в качестве основных легирующих элементов выступают марганец и хром при их содержании в сталях до 0,90 и 0,60 % соответственно. Отличительные особенности изобретений зарубежных авторов от отечественных аналогов: значительно более широкий перечень легирующих элементов в шаровых сталях, в который, помимо марганца и хрома, также входят кремний, никель, молибден, ниобий; более высокая степень легирования марганцем и хромом (верхний предел их концентрации в сталях составляет 2,0 и 1,5 %).

В настоящее время следует констатировать отсутствие единого мнения об оптимальном химическом составе стали для производства мелющих шаров. Однако имеется общая тенденция к повышению степени легирования рассматриваемых сталей. Увеличение концентрации легирующих элементов в стали в большинстве случаев повышает их сопротивление деформации в процессе прокатки [12 ‒ 14], что приводит к соответствующему увеличению нагрузок на оборудование прокатных станов [15; 16].

С учетом значительной погрешности, возникающей при экстраполяции данных о сопротивлении деформации известных марок на стали нового химического состава [17 ‒ 19], имеет место необходимость в проведении экспериментальных исследований рассматриваемых показателей применительно к шаровым сталям новых марок. Помимо станов поперечно-винтовой прокатки в технологическом цикле производства мелющих шаров задействованы многоклетьевые крупно- или среднесортные прокатные станы, используемые для производства исходных заготовок круглого поперечного сечения.

Методика проведения исследований

В качестве объекта исследований использовали образцы пяти вариантов химического состава, для которых ранее [20] проведены исследования процессов формирования микроструктуры шаров после их термической обработки. Основными отличительными особенностями указанных вариантов было следующее (табл. 1):

1) наличие и степень легирования хромом и никелем;

2) содержание углерода и марганца в стали.

При разработке указанных химических составов шаровых сталей учитывали опыт отечественных и зарубежных исследователей. При этом диапазон концентрации углерода, марганца, хрома и никеля в опытных сталях выбирали с учетом возможности дальнейшего обобщения результатов исследований в виде зависимостей механических и деформационных характеристик от содержания указанных элементов и возможности их применения для шаровых сталей стандартных марок (табл. 2).

Исследования сопротивления деформации шаровых сталей проводили на специализированной лабораторной установке (рис. 1) методом горячего кручения. Конструкция включает в себя подвижный и неподвижный валы, расположенные внутри печи сопротивления. Образцы в форме цилиндров с дополнительными головками на концевых участках фиксируются в пазах указанных валов и после нагрева до заданной температуры испытываются на кручение путем вращения подвижного вала.

Наличие в блоке программного управления установки информации о крутящем моменте и накоплении степени деформации позволяет определить сопротивление деформации:

где d0 – диаметр образца до испытания; M – крутящий момент.

Адекватность использования указанной установки для определения пластических и деформационных характеристик сталей подтверждена ранее проведенными исследованиями рельсовых сталей [21].

При проведении экспериментальных исследований температуру деформации варьировали в пределах 900 ‒ 1200 °С с шагом 50 °С, относительную степень деформации – в пределах 5 ‒ 35 % с шагом 5 %; использовали скорость деформации 1, 5 и 10 с‒1. Выбранный интервал варьирования параметров деформации соответствует диапазону их изменения при производстве сортовых заготовок и мелющих шаров в условиях промышленных прокатных станов.

Результаты исследований и их обсуждение

Обобщение результатов экспериментальных исследований позволило установить (рис. 2, табл. 1), что вне зависимости от сочетания температурно-скоростных параметров и степени деформации наиболее труднодеформируемой из рассматриваемых является сталь 4, а значительно меньшим сопротивлением деформации обладает сталь 1. При этом сопротивления деформированию сталей химического состава по оставшимся вариантам 2, 3, 5 находятся примерно на одном уровне и занимают промежуточное положение.

Полученные результаты можно интерпретировать следующим образом. Для сталей 1, 2, 4 и 5 наиболее значимое влияние на сопротивление деформации оказало содержание в них хрома и никеля. Фактически сопротивление деформации данных сталей пропорционально концентрации в них указанных элементов. При этом данная зависимость проявляется особенно явно с учетом незначительного отклонения концентраций остальных элементов. Отклонение по среднему содержанию углерода в образцах не превышает 0,045 %, кремния – 0,065 %, марганца – 0,060 % (табл. 1). Применительно к стали 3 влияние хрома и никеля на ее деформируемость не является определяющим, так как при значительно более низкой концентрации рассматриваемых элементов в сталях 2 и 5 (табл. 1) сопротивление деформации имеет близкое с указанными сталями значение. Такие значения сопротивления деформации стали 3, очевидно, явились следствием повышенного содержания в ней углерода на 0,120 и 0,075 % и марганца на 0,06 и 0,09 % по сравнению со сталями 2 и 5. В целом полученные результаты свидетельствуют о превалирующем в количественном отношении влиянии содержания углерода в шаровых сталях на их сопротивление деформации по отношению к другим рассматриваемым элементам.

Определено, что для всех рассматриваемых вариантов химического состава сталей увеличение степени и скорости деформации, а также уменьшение температуры деформации приводит к снижению их деформируемости (повышению сопротивления деформации). При этом влияние всех перечисленных параметров на сопротивление деформации имеет выраженный нелинейный характер, что качественно согласуется с общепринятыми представлениями. Наибольшее влияние на сопротивление деформации в рамках рассматриваемых интервалов изменения параметров деформации оказывают ее температурные условия. Так, снижение температуры деформации с максимального до минимального значений (с 1200 до 900 °С) приводит к увеличению сопротивления деформации в среднем в 2,7 раза при аналогичных скорости и степени деформации. В то же время повышение истинной деформации с нижней до верхней границ рассматриваемого интервала (с 0,05 до 0,35) увеличивает сопротивление деформированию при аналогичных температурно-скоростных параметрах только в среднем на 36 %, а влияние скорости деформации проявляется в возможном увеличении сопротивления деформации только на 9 %.

Обобщение и обработка полученных результатов экспериментальных исследований позволили получить уравнение регрессии, устанавливающее количественную взаимосвязь сопротивления деформации сталей для производства мелющих шаров с их химическим составом и параметрами прокатки:

где σs – сопротивление деформации стали, МПа; [C], [Mn], [Cr] и [Ni] – содержание углерода, марганца, хрома и никеля в стали, %; t – температура прокатки, °С; ε – истинная деформация; u – скорость деформации, с‒1.

Проверку адекватности уравнения проводили путем сравнения усилия прокатки, полученного расчетным путем с использованием вычисленных сопротивлений деформации, с фактическими усилиями прокатки при производстве шаровых заготовок диаметром 60 мм из сталей марок Ш2.1 и Ш2.3 (табл. 2) на непрерывном среднесортном стане 450 АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат». По полученным данным, отклонения не превысили 10 % (рис. 3). Это свидетельствует об адекватности уравнения и возможности его использования при разработке и совершенствовании режимов прокатки как мелющих шаров, так и исходных заготовок.

Выводы

На основании экспериментальных исследований определены закономерности качественного и количественного влияния химического состава шаровых сталей и параметров их деформации на сопротивление пластическому деформированию. Полученные результаты обобщены в виде уравнения множественной регрессии, адекватность которого подтверждена применительно к условиям производства заготовок из шаровых сталей на непрерывном среднесортном стане 450 АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат».