CN111004973A - 低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢及其生产方法 - Google Patents

低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢，钢中各元素的质量百分比为：C：0.21~0.38%，Si：0.17~0.27%，Mn：0.5~1.6%，Cr：0.2~1.2%，Ti:0.012~0.050%，ALs：0.015~0.045%，B：0.0010~0.0020%，N≤80ppm，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。生产方法加热工序中，板坯在加热炉内的加热时间为4.0 h~6.0h，加热终了时刻的表面温度控制在1100℃～1250℃范围内；轧制工艺采用控制轧制方式轧制，开轧温度为930～1050℃；一阶段终轧温度＞950℃；二阶段开轧温度≤880℃，二阶段开轧时的待温厚度为钢板成品厚度的3倍以上，精轧累计压下率≥66%，终轧温度控制在860～900℃范围内。本发明通过设计专用的成分体系降低成本，同时采用低温加热+控制轧制的方法，辅以合适的热处理工艺，得到细小回火马氏体组织的耐磨衬板。

Description

低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢及其生产方法
技术领域
本发明涉及金属轧制及热处理技术领域，具体涉及一种低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢及其生产方法。
背景技术
球磨机是一种被广泛应用于选矿、建材、化工和电力等工业部门的磨料设备，球磨机衬板是其主要消耗件之一。球磨机衬板材料使用最广泛的是高锰钢，含 C 0.9wt%～1.4wt% ，Mn 10 wt %～ 14wt%，经水韧处理后为单一的奥氏体组织，它抗磨是由于受冲击后引起的表面硬化效果所致，初始硬度仅为179~229HBW，经检测，磨损后的硬度也只有 240～350 HBW；但在实际使用过程中，特别是在中小型球磨机上，由于载荷冲击较小，高锰钢并没有得到充分的加工硬化效应，没能充分发挥其抗冲击的耐磨性能；同时，它的屈服强度低，容易产生塑性变形，使衬板凸起，严重时会拉断安装螺栓，使拆卸困难。由于高锰钢用作球磨机衬板有它的局限性，因此各种中、高碳钢应运而生。
专利申请号为201810757851 .9的中国专利公开了“一种高铬合金衬板的制备方法”，C含量0 .9-1 .1wt%，Cr含量达到18.4wt%，同时添加有0.35wt%的Ni，合金添加过多，成本太高。
专利申请号为 201410286455.4的中国专利公开了“一种矿山专用低合金衬板”，，C含量0.38~0.48wt％，Sc：0.20~0.60wt ％，C r：1.80~2.20wt％，Lu：≤ 0.50％，合金添加过多，同时加入稀土元素，成本偏高。
从以上数据可以看出，目前中、高碳合金耐磨钢的实际思路都是添加高铬和高碳来提高淬透性，采用多元合金化成分设计，通过适当提高 Cr、Mo 等中强碳化物形成元素来增加中高碳合金钢组织中的碳化物含量，这样做的好处是可以获得较高的强度和硬度，但同时生产成本过高，塑性和韧性较差，尤其是对于球磨机这种持续反复受到研磨体和物料冲击的设备，塑性和韧性差会影响到衬板的使用寿命。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供一种低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢及其生产方法，通过设计专用的成分体系降低成本，同时采用低温加热+控制轧制的方法，辅以合适的热处理工艺，得到细小回火马氏体组织的耐磨衬板，保证各项指标满足国标要求。
解决上述技术问题的技术方案为：
低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢，钢中各元素的质量百分比为：C：0.21~0.38%，Si：0.17~0.27%，Mn：0.5~1.6%，Cr：0.2~1.2%，Ti:0.012~0.050%，ALs：0.015~0.045%，B：0.0010~0.0020%，N≤80ppm，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。
上述的低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢，钢中各元素的质量百分比为：C：0.22~0.26%，Si：0.17~0.27%，Mn：0.5~1.6%，Cr：0.3~0.9%，Ti:0.025~0.050%，ALs：0.015~0.045%，B：0.0010~0.0020%，N≤80ppm，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。
上述的低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢，钢中各元素的质量百分比为：C：0.27~0.32%，Si：0.17~0.27%，Mn：0.5~1.6%，Cr：0.3~1.0%，Ti:0.012~0.050%，ALs：0.015~0.045%，B：0.0010~0.0020%，N≤80ppm，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。
上述的低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢，钢中各元素的质量百分比为：C：0.28~0.32%，Si：0.17~0.27%，Mn：0.5~1.6%，Cr：0.5~0.9%，Ti:0.025~0.050%，ALs：0.015~0.045%，B：0.0010~0.0020%，N≤80ppm，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。
上述的低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢，钢中各元素的质量百分比为：C：0.33~0.38%，Si：0.17~0.27%，Mn：0.5~1.6%，Cr：0.5~1.2%，Ti:0.012~0.050%，ALs：0.015~0.045%，B：0.0010~0.0020%，N≤80ppm，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。
上述的低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢，钢中各元素的质量百分比为：C：0.34~0.37%，Si：0.17~0.27%，Mn：0.5~1.6%，Cr：0.7~1.1%，Ti:0.012~0.050%，ALs：0.015~0.045%，B：0.0010~0.0020%，N≤80ppm，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。
一种低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢的生产方法，包括转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸、加热、控制轧制、精整、淬火和回火工序；所述低合金中碳耐磨钢钢中各元素的质量百分比为：C：0.21~0.38%，Si：0.17~0.27%，Mn：0.5~1.6%，Cr：0.2~1.2%，Ti:0.012~0.050%，ALs：0.015~0.045%，B：0.0010~0.0020%，N≤80ppm，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。
上述的低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢的生产方法，所述加热工序中，板坯在加热炉内的加热时间为4.0 h ~6.0h，加热终了时刻的表面温度控制在1100℃～1250℃范围内；
所述轧制工艺采用控制轧制方式轧制，开轧温度为930～1050℃；一阶段终轧温度＞950℃；二阶段开轧温度≤880℃，二阶段开轧时的待温厚度为钢板成品厚度的3倍以上，精轧累计压下率≥66%，终轧温度控制在860～900℃范围内。
上述的低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢的生产方法，所述淬火工艺中，淬火加热温度为850~920℃，钢板淬火时在炉时间系数为1.7min/mm~2.1min/mm，淬火后冷却介质为水，淬火冷却速度为20~40℃/S;
所述回火工艺中，回火加热温度为150~400℃，钢板回火时在炉时间系数为2.5min/mm~4.5min/mm，回火冷却方式为空冷。
上述的低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢的生产方法，所述转炉冶炼工艺中控制钢中的O含量在400ppm以下，控制出钢下渣量在钢水量的0.005%以下，确保钢水的洁净度，吹氧结束后加入铬铁，保证合金充分发挥微合金化作用；
所述LF精炼工艺中精炼时间控制在35min以上，造渣完成后, w( Al) ≥0.035wt%，之后加入钛铁进行微合金化，然后加硼铁，提高有效硼含量；出站前保证净吹时间≥6min，有效控制钢中夹杂物级别总和不超过1.0级；
所述连铸工艺中钢水过热温度控制在8℃~35℃范围内，拉速全程控制在0.75~0.95m/min范围内；铸坯下线堆垛缓冷24~36h处理；
上述的低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢，所述耐磨钢钢板的厚度为6~45mm；表面布氏硬度为450~580HBW，心部布氏硬度为420~550HBW，冲击功介于27~60J之间。
本发明为了保证硬度和冲击韧性满足要求，采用实验室研究，中试实验和现场验证的方法得到各项工艺参数：
a：本发明为确保成分满足要求，设计思路如下：C是保证钢铁材料硬度和耐磨性的重要元素，但对淬火回火钢而言，碳含量过高时淬火后会得到粗大的马氏体组织，导致脆性增大，塑韧性和焊接性能会变差，而且生产过程和火焰切割加工过程中很容易出现热裂纹，因此，本发明碳含量在中、低碳范围设计C重量百分比为:0.21~0.38%；Si在合金钢中的主要作用是固溶强化，但硅会降低钢的韧性，本发明Si既可以达到固溶强化作用，又不会对韧性产生较大影响,设计Si重量百分比为:0.17~0.27%；Mn可以提高钢的淬透性，但其含量过高时会增加材料的回火脆性，同时造成成分偏析，形成MnS等夹杂，因此本发明的Mn控制范围既可以提高淬透性，同时又减少夹杂和偏析,设计Mn的重量百分比为:Mn 0.5~1.6%；Cr在钢铁材料中可提升钢的淬透性，同时部分形成多种碳化物，起弥散强化作用，但添加过多，会造成成本增加，生产难度加大。本发明的Cr既可以提升淬透性，又控制成本增加，设计Cr重量百分比为：0.2~1.2%；Ti可以和C结合形成微米级的超硬合金粒子，同时Ti可以固N，防止N和钢种的B结合，形成无效BN，从而降低冲击韧性，因此设计Ti重量百分比为:0.012~0.050%；B作为钢种提高淬透性的元素，B超过一定量时，实际上对钢的淬透性也不再发生有益的作用，因此，硼的总含量应控制在B：0.0010~0.0020wt%；同时为了防止钢中N含量过高，和Ti和B形成TiN和BN等析出物，降低钢的冲击韧性，因此N≤80ppm。
b：本发明根据合金钢中关键合金 Ti、B的控制技术，为了减少 Ti 的氧化，使 Ti起到良好的固氮效果，转炉出钢进行预脱氧，精炼初期控铝强脱氧。通过试验得知，当铝含量w( Al) ≥0.035wt%以后加入钛铁，将会提高钛的合金收得率；为了稳定硼的收得率，避免硼的氮化，硼铁应在钛铁之后加入。
C：本发明研究不同的加热温度和晶粒尺寸的关系，加热温度为1150℃时，晶粒尺寸为100μm左右，加热温度为1200℃以上时，晶粒尺寸急剧增加，达到200μm以上，根据实际生产情况，钢板加热温度同炉温偏差为50-60℃，同时考虑轧制时的板形、轧制难度和表面质量，确定最终的炉温设置为1100℃～1250℃，得到的原始奥氏体晶粒尺寸≤250μm，同时在此温度区间可以减少钢板表面氧化现象，提高钢板表面质量。
本发明的有益效果为：
采用本发明工艺生产的25CrMnB低合金耐磨钢，微观组织结构为细小尺寸的回火马氏体，表面布氏硬度为450~480HBW，心部布氏硬度为420~450HBW，冲击功27~60J。
采用本发明工艺生产的30CrMnB低合金耐磨钢，微观组织结构为细小尺寸的回火马氏体，表面布氏硬度为500~530HBW，心部布氏硬度为470~500HBW，冲击功27~60J。
采用本发明工艺生产的35CrMnB低合金耐磨钢，微观组织结构为细小尺寸的回火马氏体，表面布氏硬度为550~580HBW，心部布氏硬度为520~550HBW，冲击功27~40J。
本发明工艺生产的球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢产品，不仅成本较低，具有较高的强度和耐磨性能，同时具有良好的冲击韧性，解决了球磨机衬板成本高，安装使用麻烦的问题，尤其是在环保压力和绿色制造的推动下，本发明工艺生产的球磨机衬板在中小球磨机上完全可以取代铸造的高锰耐磨衬板，具有较高的推广价值。
附图说明
图1为实施例1 生产的25CrMnB钢板热处理后显微组织图（1000倍）；
图2为实施例2生产的30CrMnB钢板热处理后显微组织图（1000倍）；
图3为实施例3生产的35CrMnB钢板热处理后显微组织图（1000倍）；
图4为实施例4生产的25CrMnB钢板热处理后显微组织图（1000倍）；
图5为实施例5生产的30CrMnB钢板热处理后显微组织图（1000倍）；
图6为实施例6生产的35CrMnB钢板热处理后显微组织图（1000倍）；
图7为实施例7生产的25CrMnB钢板热处理后显微组织图（1000倍）；
图8为实施例8生产的30CrMnB钢板热处理后显微组织图（1000倍）；
图9为实施例9生产的35CrMnB钢板热处理后显微组织图（1000倍）；
图10为实施例10生产的25CrMnB钢板热处理后显微组织图（1000倍）；
图11为实施例11生产的30CrMnB钢板热处理后显微组织图（1000倍）；
图12为实施例12生产的35CrMnB钢板热处理后显微组织图（1000倍）；
图13为实施例13生产的25CrMnB钢板热处理后显微组织图（1000倍）；
图14为实施例14生产的30CrMnB钢板热处理后显微组织图（1000倍）；
图15为实施例15生产的35CrMnB钢板热处理后显微组织图（1000倍）。
具体实施方式
以下通过具体实施例1～15对本发明做进一步说明：
实施例1～15选用260mm大断面连铸坯以保证压缩比，生产厚度规格为6mm~45mm的25CrMnB、30CrMnB和35CrMnB成品钢；所述转炉冶炼工艺中控制钢中的O含量在400ppm以下，控制出钢下渣量在钢水量的0.005%以下，确保钢水的洁净度，吹氧结束后加入铬铁，保证合金充分发挥微合金化作用；在炼钢生产LF精炼工艺中精炼时间控制在35min以上，全程微正压操作防止钢水吸氮；采用石灰、铝线、铝粒造白渣脱硫，快速成渣，脱硫过程合理控制气量，严禁采用大气量搅拌；采用锰铁、硅铁、铝线、钛铁进行成分调整，在LF后期成白渣脱硫后进行Als调整，精炼结束前10min~15min加钛铁进行微合金化，分调整完成后取样前软吹时间不低于3min；出站Ca≥25ppm，有效控制钢种夹杂物级别总和不超过1.0级；连铸工艺中浇注过程中全程保护性浇铸，使用二冷区电磁搅拌和动态轻压下，钢水过热温度稳定控制在8℃~35℃范围内，拉速全程控制在0.75m/min~0.95m/min范围内；铸坯下线堆垛缓冷，冷却时间为24~36h。
根据上述方法试验的厚度规格为6~45mm的25CrMnB、30CrMnB和35CrMnB成品钢，化学成分质量百分含量（wt%）如表1所示，冶炼工艺如表2所示，轧制及热处理工艺如表3和表4所示，力学性能检测结果如表5所示：
表1 各实施例的化学成分( wt%，余量为Fe)
Figure DEST_PATH_IMAGE001
表2 各实施例的冶炼工艺参数
Figure 806072DEST_PATH_IMAGE002
表3 各实施例的控轧及热处理工序参数
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表4 各实施例的控轧及热处理工序参数
Figure 473945DEST_PATH_IMAGE004
表5 各实施例的力学性能
Figure DEST_PATH_IMAGE005
实施例1～15表明，所生产的25CrMnB、30CrMnB和35CrMnB钢板力学性能完全满足用户要求；图1～图15可以看出，各实施例钢板的显微组织均为细小的回火马氏体。

Claims (10)

1.低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢，其特征在于：钢中各元素的质量百分比为：C：0.21~0.38%，Si：0.17~0.27%，Mn：0.5~1.6%，Cr：0.2~1.2%，Ti:0.012~0.050%，ALs：0.015~0.045%，B：0.0010~0.0020%，N≤80ppm，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。
2.如权利要求1所述的低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢，其特征在于：钢中各元素的质量百分比为：C：0.22~0.26%，Si：0.17~0.27%，Mn：0.5~1.6%，Cr：0.3~0.9%，Ti:0.025~0.050%，ALs：0.015~0.045%，B：0.0010~0.0020%，N≤80ppm，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。
3.如权利要求1所述的低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢，其特征在于：钢中各元素的质量百分比为：C：0.27~0.32%，Si：0.17~0.27%，Mn：0.5~1.6%，Cr：0.3~1.0%，Ti:0.012~0.050%，ALs：0.015~0.045%，B：0.0010~0.0020%，N≤80ppm，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。
4.如权利要求1所述的低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢，其特征在于：钢中各元素的质量百分比为：C：0.28~0.32%，Si：0.17~0.27%，Mn：0.5~1.6%，Cr：0.5~0.9%，Ti:0.025~0.050%，ALs：0.015~0.045%，B：0.0010~0.0020%，N≤80ppm，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。
5.如权利要求1所述的低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢，其特征在于：钢中各元素的质量百分比为：C：0.33~0.38%，Si：0.17~0.27%，Mn：0.5~1.6%，Cr：0.5~1.2%，Ti:0.012~0.050%，ALs：0.015~0.045%，B：0.0010~0.0020%，N≤80ppm，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。
6.如权利要求1所述的低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢，其特征在于：钢中各元素的质量百分比为：C：0.34~0.37%，Si：0.17~0.27%，Mn：0.5~1.6%，Cr：0.7~1.1%，Ti:0.012~0.050%，ALs：0.015~0.045%，B：0.0010~0.0020%，N≤80ppm，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。
7.一种低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢的生产方法，包括转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸、加热、控制轧制、精整、淬火和回火工序；其特征在于：所述低合金中碳耐磨钢钢中各元素的质量百分比为：C：0.21~0.38%，Si：0.17~0.27%，Mn：0.5~1.6%，Cr：0.2~1.2%，Ti:0.012~0.050%，ALs：0.015~0.045%，B：0.0010~0.0020%，N≤80ppm，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。
8.如权利要求7所述的低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢的生产方法，其特征在于：所述加热工序中，板坯在加热炉内的加热时间为4.0 h ~6.0h，加热终了时刻的表面温度控制在1100℃～1250℃范围内；
所述轧制工艺采用控制轧制方式轧制，开轧温度为930～1050℃；一阶段终轧温度＞950℃；二阶段开轧温度≤880℃，二阶段开轧时的待温厚度为钢板成品厚度的3倍以上，精轧累计压下率≥66%，终轧温度控制在860～900℃范围内。
9.如权利要求7所述的低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢的生产方法，其特征在于：所述淬火工艺中，淬火加热温度为850~920℃，钢板淬火时在炉时间系数为1.7min/mm~2.1min/mm，淬火后冷却介质为水，淬火冷却速度为20~40℃/S;
所述回火工艺中，回火加热温度为150~400℃，钢板回火时在炉时间系数为2.5min/mm~4.5min/mm，回火冷却方式为空冷。
10.如权利要求1-6任一项所述的低成本球磨机衬板用低合金中碳耐磨钢，其特征在于：所述耐磨钢钢板的厚度为6~45mm；表面布氏硬度为450~580HBW，心部布氏硬度为420~550HBW，冲击功介于27~60J之间。
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