CN1018938B - 铸态屈氏体磨球 - Google Patents

Abstract

一种用于粉磨矿山物料的铸态屈氏体磨球，其化学组成是：C2.7-3.5% Cr11-18%、Si0.8-2.5%、V0.05-0.3%、Mn0.3-1.5%、Ti0.05-0.15%、Mo0-0.5%、Mi或Cu0-0.5%。其余为Fe及不可避免的微量杂质，铸球不需经过高温热处理。铸态下即可获得屈氏体组织。本发明磨球硬度高。耐磨性好，球耗率低，能满足高硬度、高碱性、高冲蚀条件下的磨矿作业要求，在各种工况条件下(干、湿磨)和粉磨各种物料均可取得较好效果。不破碎、不剥皮、不变形。

Description

本发明属于各类球磨机粉磨物料用磨球，特别涉及一种用于粉磨矿山物料的铸态屈氏体磨球。

用磨球粉磨矿山物料比水泥物料困难得多。一是矿山磨中的物料（金矿石、铁矿石、铝矿石、铜矿石等）的硬度比水泥物料高;二是有些矿山磨中的浆液呈高碱性;三是矿山磨属湿法作业，而水泥磨属干法作业。这就说明了矿山磨的工况条件比水泥磨恶劣得多。近几年来，淬火马氏体高铬铸球在水泥、发电等行业已得到广泛的应用，磨球材质多数属于Cr-Mo-Cu系列，制球工艺采用砂型铸造，致使磨球的耐磨性和韧性达不到理想的配合，因此必须经过高温淬火及回火处理，才能得到马氏体组织，从而使制球工艺复杂，能耗高。同时，淬火马氏体高铬铸球在矿山湿磨中应用玻璃率高，影响磨机的台时产量，因而是不宜应用的。在CN89102932专利文献中公开了一种高铬铸铁磨球。该磨球化学组成不合理，首先是含碳量的设计不合理，因为在高铬铸铁中，含碳量必须低于共晶碳量，否则，会出现粗大条状初生碳化物，使耐磨性和韧性都下降，而共晶碳量是根据JackSon公式决定的，即：共晶碳量（%）＝4.40-0.054（Cr%），含Cr10%时，共晶碳量是3.86%，含Cr25%时，共晶碳量是3.05%，因此该磨球成份规定C为2.0-4.0%，Cr为10-25%是不合理的。再则是硅量设计不合理，该成分中Si为0.3-2.0%，高硅有利于球光体的形成，在含硅量2%的情况下，铸态下得不到奥-贝基体，如得到奥-贝基体，硅的用量不能超过0.8%。另外奥-贝基体的磨球，在水泥上应用剥皮、破碎很严重，在矿山上应用更加严重，因为在反复冲击下，奥氏体会发生马氏体相变和加工硬化，产生巨大应力，加之奥氏体导热性差，易产生微裂纹，裂纹一旦产生，扩展得又很快，因此剥皮、破碎严重，在矿山上是不能使用的。目前我国矿山用磨球大都是普通锻钢球，但使用效果并不理想，球耗高，并且消耗大量的钢材。

本发明的目的之一是提供一种用于各类球磨机粉磨矿山物料的铸态屈氏体磨球的化学组成成分。

本发明的目的之二是提供一种铸态屈氏体磨球的制造方法。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

用于各类球磨机粉磨矿山物料的铸态屈氏体磨球的化学组成成分是（重量%）：

C2.7-3.5%    Cr11-18%

Si0.8-2.5%    V0.05-0.3%

Mn0.3-1.5%    Ti0.5-0.15%

Mo0-0.5%    Ni或Cu0-0.5%

其余为铁和不可避免的微量杂质。

按以上化学成分组成的铸态屈氏体磨球的制造方法，其熔炼及浇注工艺步骤是：

①钒钛生铁和废钢加热熔化后，分批加入铬铁，再升温;

②温度升至1420-1480℃时，加入调节成分的钼铁、镍和锰铁、硅铁，然后再升温;

③温度升至1500-1540℃时加入脱氧剂硅铁、锰铁和工业用纯铝;

④温度升至1540-1560℃时出炉浇注;

⑤用金属型铸造，浇注温度为1380-1450℃;

⑥浇注5-10分钟后打箱;

⑦铸球冷却后，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺;

⑧铸球在230-270℃温度下进行低温时效处理4-6小时，然后空气冷却。

合金材质的性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分的合理选择，本发明的化学成分选择是这样分析设计的;

碳：是影响高铬铸铁硬度和耐磨性的主要元素，其含量高，组织中碳化物数量多，基体硬度高，耐磨性好，若其含量超过3.5%，会产生粗大片状碳化物，使材质变得硬而脆，而且由于粗大片状碳化物易碎裂剥落，致使耐磨性下降。若其含量小于2.7%，共晶碳化物数量减少，基体硬度下降，耐磨性也下降，因此碳的含量在2.7-3.5%为宜。

硅：一定量的硅起脱氧作用，对流动性也有利，较高的硅有利于屈氏体组织的形成，而且较高的硅溶于基体后，提高基体的电极电位，提高抗蚀性能。同时，在高铬铸铁中随硅量的增加，硅化物数量增加，硬度和耐磨性也增加。但当硅量大于2.5%以后，韧性明显下降，过低的含硅量又不利于屈氏体组织的形成。因此硅量的选择在0.8-2.5%为宜。

锰：是形成奥氏体的元素，对碳化物的形成也起作用，过高的锰将使组织中出现奥氏体，奥氏体组织不宜作磨球，因为奥氏体磨球不论在干磨和湿磨中，都会造成大量破碎和剥落。但由于脱氧和去硫都用锰，因此选锰的含量为0.3-1.5%时较适宜。

铬：铬是碳化物形成元素，铬除与碳结合成碳化物外，其余部分溶解在基体内，从而提高基体的电极电位，对抗腐蚀是有利的。若其含量小于11%，可能会出现M₃C型碳化物，使硬度和韧性都降低。若其含量大于18%，结晶时碳化物数量显著增多，使韧性明显下降，同时由于基体中含碳量降低，导致基体的硬度降低，从而耐磨性降低，因此铬的含量控制在11-18%为宜。

钼：钼的主要作用是细化基体，细化碳化物，提高基体的电极电位，提高耐蚀性。因价格高，多加不经济。在金属型铸造条件下，加入量小于0.5%即可明显起作用。

镍（铜）：镍（铜）是奥氏体形成元素，多加了组织中出现奥氏体。在屈氏体磨球中加镍主要作用是提高基体电极电位，提高耐蚀性，因此加入量小于0.5%为宜。

钒、钛：这两种元素是生铁中自然带入的，属于微量合金元素，它们能形成硬度很高的碳氧化物，弥散在基体中，有利于提高基体的显微硬度和耐磨性，同时对晶粒的细化也是有利的。

不可避免的微量杂质是原料中带入的，其中有磷和硫，均是有害元素。其含量越低越好。为了保证磨球的硬度及其耐磨性，我们将磷的含量控制在0.1%以下，将硫的含量控制在0.05%以下。

附图说明如下：

图1为本发明φ60球的硬度及其分布图;

图2为本发明φ80球的硬度及其分布图;

图3为本发明φ100球的硬度及其分布图;

图4为本发明φ50球金相组织（放大500倍，4%硝酸酒精浸蚀）;

图5为本发明φ70球金相组织（放大500倍，4%硝酸酒精浸蚀）;

图6为本发明φ90球金相组织（放大500倍，4%硝酸酒精浸蚀）;

图7为本发明磨球屈氏体的层片结构（放大3000倍）;

图8为本发明磨球中Cr的面分布图;

图9为本发明磨球中Si的面分布图;

图10为本发明磨球中Mn的面分布图;

图11为本发明磨球中Mo的面分布图;

图12为本发明磨球中Cu的面分布图。

取一组本发明磨球进行机械性能试验，结果如表1：

从磨球本体切片取样测得的硬度值及其分布状况如图1、图2、图3所示。从图中可以看出，从磨球表面到中心，硬度差值较小，这就保证了磨球的磨损均匀性。

经过多次试验测定，磨球的机械性能和硬度是：

洛氏硬度HRC54-60

冲击韧性αμ≥4焦耳/厘米²

抗弯强度σW≥500牛顿/毫米²

挠度    f    为1.7-2.4毫米

分别从铸态屈氏体磨球和锻钢球上切取15×15×12毫米的试块在模拟磨损机上，强碱溶液中进行模拟磨损试验。试验条件压重1公斤相对磨片是120目砂布，试验机主轴转速550转/分，每隔半小时称重一次，并更换砂布，调换试块位置。以锻钢球的总 磨损量为基数，计算铸态屈氏体磨球的相对耐磨性如表2：

从上表可以看出，在强碱水溶液的腐蚀介质条件下，屈氏体球的耐磨性是普通锻钢球的7.2倍。

本发明屈氏体磨球分别在铝矿、铜矿、金矿、铁矿磨机上进行装机试验，并与淬火马氏体高铬球、锻钢球、中锰球进行耐磨性和破碎率对比试验。从装机试验数据计算本发明磨球与马氏体高铬球、锻钢球、中锰球的耐磨倍率是：磨铝矿石是马氏体高铬球的2倍，是锻钢球的4.68倍，是中锰球的6倍;磨铜矿石是中锰球的4.65倍;磨铁矿石是锻钢球的3.99倍;磨金矿石是锻钢球的3.6倍。在各类磨机上使用破碎率为0-0.166%。倒磨后的磨球表面光亮，圆整，基本无变形，无剥皮，使补球量和补球次数大大减少，使倒球清仓周期大大延长。

下面结合实施例对本发明作进一步详述：

实施例1：

1.配料：各种物料的用量（重量%）：

钒钛生铁    32%，高碳铬铁21%，

废钢    47%，锰铁    1.15%，

钼铁    0.15%，镍板    0.1%，

硅铁    0.85%。

脱氧剂锰铁、硅铁、铝各占铁水重量的0.15%。

2.熔炼：用500公斤中频感应电炉。

①将160公斤的钒钛生铁和235公斤的废钢加热全部熔化后，分批加入105公斤的铬铁，再升温;

②当温度升至1460℃时，按顺序加入0.75公斤的钼铁，0.5公斤的镍板，5.75公斤的锰铁，4.25公斤的硅铁，继续升温;

③温度升至1530℃时，加入0.75公斤的硅铁、0.75公斤的锰铁、0.75公斤的铝作脱氧剂;

④温度升至1550℃时，出炉浇注;

⑤用金属型铸造，浇注温度为1400℃;

⑥浇注8分钟后打箱;

⑦铸球冷却后，打掉浇冒口，用砂轮磨去浇口残根、飞边、毛刺;

⑧工件放入时效炉中，在250℃下进行低温时效处理5小时，取出，空气冷却。制得370公斤磨球。

从磨球上取样进行化学分析，成分如下：

C2.78%    Si0.92%    Mn0.53%

Cr12.6%    Mo0.08%    Ni0.09%

V0.09%    Ti0.051%

P0.08%    S0.035%

取磨球试样切片进行测试，其硬度值及其分布如图1所示。

装机试验：

1.粉磨铜矿物料

磨机类型及规格：MOG2.7×3.6M湿式格子磨

矿浆碱度：pH值＞12

矿石硬度：莫氏硬度大于6度

台时产量：32吨/台时

分级溢流细度：-200目的占56-70%

在同等条件下与中锰球进行对比试验结果如表3：

从上表可看出，本发明磨球单耗比中锰球单耗低1.012kg/吨矿，吨矿石耗球成本降低0.9488元/吨矿。

Ⅱ.粉磨铝矿物料：

磨机类型及规格：φ2.6×13M、烧结法管磨

转速19.5转/分

矿浆碱度：Ma₂O占固体量的15-17%

水份占37-38%

矿石入磨粒度：＜25毫米

出料细度：-120目残余量＜12%

矿石硬度：莫氏硬度6-9度

磨机内温度：70-80℃

在相同条件下与淬火马氏体高铬球进行对比试验，其结果如表4：

从上表可以看出，本发明磨球的耐磨性是马氏体高铬球的2倍多，破碎率仅是淬火马氏体球的1/60。

实施例2：

1.配料：各种物料的用量（重量%）：

钒钛生铁    33%    高碳铬铁21%

废钢    46%    锰铁1.0%

钼铁    0.15%    铜0.1%

硅铁    0.78%

脱氧剂硅铁、锰铁、铝各占铁水重量的0.15%。

2.熔炼：用500公斤中频感应电炉。

①将165公斤钒钛生铁和230公斤废钢加热，全部熔化后，分批加入105公斤的铬铁，再升温;

②温度升至1480℃时，加入5公斤的锰铁、3.9公斤硅铁，0.75公斤钼铁，0.5公斤铜，继续升 温;

③温度升至1540℃时加入0.75公斤锰铁、0.75公斤的铝、0.75公斤硅铁作脱氧剂;

④温度升至1550℃时，出炉浇注;

⑤用金属型铸造，浇注温度为1450℃;

⑥浇注10分钟后打箱;

⑦铸球冷却后，打掉浇冒口，用砂轮磨去浇口残根、飞边、毛刺;

⑧铸球放入时效炉中，在250℃下进行低温时效处理6小时，取出，空气冷却。制得380公斤磨球。

从磨球上取样化验成分如下：

C3.34%    Si1.29%    Mn0.51%

Cr13.9%    Mo0.11%    Cu0.087%

V0.11%    Ti0.075%

P0.09%    SO.0.043%

取磨球试样切片进行测试，其硬度值及其分布如图2所示。

装机试验：

Ⅰ粉磨铁矿物料：

磨机类型及规格：φ1.5×3M，转速32.7转/分

入磨物料粒度：＜φ18毫米

矿石硬度：莫氏硬度大于8度

物料出磨细度：-200目的大于55%

浆液碱度：pH≈7

磨机衬板：高锰钢

在相同条件下与锻钢球进行对比试验，其结果如表5：

从上表可看出，本发明磨球的耐磨性是锻钢球的4倍。

Ⅱ、粉磨金矿物料：

磨机类型及规格：φ1.0×1.5M，转速32.7转/分。

生产方式：一段闭路式

矿浆碱度：pH≈7

矿石硬度：莫氏硬度大于8

矿石入磨粒度：小于17毫米

出料细度：-200目

在相同条件下与锻钢球进行对比试验，其结果如表6：

从以上表可看出，本发明磨球的耐磨性是锻钢球的3.6倍。

本发明磨球在水泥磨机上均可使用，粉磨各种物料均无破碎，无剥皮、无变形，都有较好的使用效果。

本发明与现有技术相比有如下优点：

减少了配料中的贵重元素钼和铜，降低了原材料成本;磨球在铸态下即可获得屈氏体组织，减少了热处理工艺及其设备，降低了生产成本;磨球硬度高，耐磨性好，球耗率低，能满足高硬度、高碱性、高冲蚀条件下的磨矿作业要求;在各种工况条件下（干、湿磨）和粉磨各种物料均可取得较好效果，不破碎、不剥皮、不变形。

表1：磨球的机械性能试验

试样    1＃    2＃    3＃    4＃    5＃

性能

ακ（J/cm³） 6.4 5.8 4.8 5.9 6.7

σω（MPa）    629    578    563    525    658

f（MM）    1.9    2.0    2.2    2.1    2.4

表2：磨球的模拟磨损试验

材质名称    2小时总磨损量    对比耐磨倍率    硬度（HRC）

（克）

锻钢球    5.20    1    38

屈氏体球    0.72    7.2    55

Claims (3)

1、一种用于各类球磨机粉磨矿山物料的铸态屈氏体磨球，其特征在于，磨球的化学组成成分(重量%)为：

C2.7-3.5%，Cr11-18%，

Si0.8-2.5%，V0.05-0.3%，

Mn0.3-1.5%，Ti0.05-0.15%，

P＜0.1%，S＜0.05%，其余为铁和不可避免的微量杂质。

2、按照权利要求1所说的磨球，其特征在于，磨球的化学组成成分中可以再加入Mo0-0.5%、Ni或Cu0-0.5%（重量%）。

3、如权利要求1或2所说的磨球的制造方法，其特征在于，制造磨球的熔炼及浇注工艺步骤是：

①将钒钛生铁和废钢加热熔化后，分批加入铬铁，再升温;

②温度升至1420-1480℃时，加入调节成分的钼铁、镍和锰铁、硅铁，然后再升温;

③温度升至1500-1540℃时加入脱氧剂硅铁、锰铁和工业纯铝;

④温度升至1540-1560℃时出炉浇注;

⑤用金属型铸造，浇注温度为1380-1450℃;

⑥浇注5-10分钟后打箱;

⑦铸球冷却后，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺;

⑧铸球在230-270℃温度下进行低温时效处理4-6小时，然后空气冷却。

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