專利名稱：一種球磨機鋼球用鋼及其制備方法
技術領域：
本發明涉及鋼鐵冶金領域，更具體地說，涉及一種主要應用于球磨機鋼球的鋼及 其制備方法。
背景技術：
球磨機鋼球，無疑是全世界粉碎工業目前乃至可預見將來的第一大耐磨材料消 耗件，2009年國內僅選礦一個行業即消耗了約200萬噸各種材質的鋼球，而我國水泥工業 2010年預計也將消耗創記錄的20萬噸。球磨機鋼球是球磨機重要的基礎零部件，尤其是精 密工業鋼球在國民經濟發展中起著巨大作用，其廣泛用于水泥廠、發電廠等。球磨機鋼球在運轉過程中，工作條件十分復雜，當運動件高速運轉時，鋼球與其支 撐裝置之間主要是以點或線相接觸，承受著集中的周期性的交變載荷，其應力變化可由零 到最大，再由最大到零，接觸面積越小，承受的應力就越大。同時鋼球還要承受由于離心力 引起的負荷和與其支撐裝置之間產生的彈性變形。除此之外，鋼球在工作過程還受到潤滑 油等其它雜質的腐蝕，因此對鋼的綜合性能有著較高的要求。已采用一種耐磨性能好、抗沖擊能力強、耐腐蝕性強、硬度高的高鉻合金鑄球作為 研磨體，產品回火后硬度(HRC)可達到56以上、沖擊值> 3J/cm2以上、單個落球次數10000 次以上、耐磨性是普通低鉻球的2倍以上，充分顯示出傳統高鉻鑄球無與倫比的高耐磨性 能。例如，某種高鉻鋼球，其化學成分為C :2.0 3.0%，Cr :12 17%，Si彡1.0%, Mn: 0. 5 1. 5%,P ^ 0. 10%,S^O. 06%，表面硬度HRC可達56以上。例如，牌號為ZQCrl2的 高鉻淬火球,其化學成分為C :2. 0 3. 2%, Cr 11 14%，Si彡1. 0%,Μη 0. 5 2. 5%, P^O. 10%, S^O. 10%，沖擊值彡 3J/cm2。在現有技術中，采用鑄造工藝生產鋼球用鋼材料，要求化學成分中合金元素高，生 產效率低，成本高，質量波動大。迄今沒有涉及大規模鋼鐵工業生產鋼材料。
發明內容
針對現有技術中的鋼存在的不足，本發明對鋼的成分及制備工藝進行了優化設 計，從而提供了一種具有高硬度、高強度和高耐磨性的球磨機鋼球用鋼及其制備方法。該球 磨機鋼球用鋼還可用于對硬度、強度和耐磨性要求較高的領域，部分代替價格昂貴的高合 金耐磨鋼。本發明的一方面提供了 一種球磨機鋼球用鋼，其組成按重量百分比計為C: 0. 75 0. 85%, Si 0. 17 0. 35%, Mn 0. 70 0. 90%, Cr 0. 40 0. 60%, Al 0. 010 0. 060%, Cu 彡 0. 20%, Ni 彡 0. 20%, P 彡 0. 030%, S 彡 0. 030%, 0 彡 0. 002%，余量為 Fe
和不可避免的雜質。優選地，所述球磨機鋼球用鋼的組成中按重量百分比計可以含有C:0.75 0. 82%,Si 0. 17 0. 30%,Mn 0. 75 0. 85%，Cr 0. 45 0. 55%，Al 0. 010 0. 040%。本發明另一方面提供了一種球磨機鋼球用鋼的制備方法，所述制備方法包括以下步驟(1)冶煉鋼水；(2)采用爐外精煉工藝處理鋼水，將鋼水的成分按重量百分比計控制 為C 0. 75 0. 85 %，Si 0. 17 0. 35 %，Mn 0. 70 0. 90 %，Cr 0. 40 0. 60 %，Al 0. 010 0. 060%, Cu 彡 0. 20%, Ni 彡 0. 20%, P 彡 0. 030%, S 彡 0. 030%, 0 彡 0. 002%,
余量為Fe和不可避免的雜質；(3)采用連鑄工藝將經過爐外精煉處理的鋼水形成鑄坯；(4) 預熱鑄坯，然后進行軋制，得到所述球磨機鋼球用鋼。優選地，在所述步驟(2)中，可以將鋼水的成分按重量百分比計控制為C 0. 75 0. 80%,Si 0. 17 0. 35%,Mn 0. 80 0. 90%,Cr 0. 54 0. 60%,Al 0. 010 0. 040%, Cu ^ 0. 20%, Ni ^ 0. 20%, P ^ 0. 025%, S ^ 0. 020%, 0 ^ 0. 002%，余量為 Fe 和不可避
免的雜質。根據本發明的球磨機鋼球用鋼的制備方法，所述步驟(1)還可包括在完成冶煉 后，對得到的鋼水中的Mn和Cr的含量進行調整，以使所述Mn的含量處于0. 55% 0. 65% 的范圍內，Cr的含量處于0. 25% 0. 45%的范圍內。根據本發明的球磨機鋼球用鋼的制備方法，所述步驟(2)中的爐外精煉工藝可以 包括鋼包爐精煉、真空脫氣及合金化處理以及出鋼前采用鈣類合金對鋼水中的夾雜物進行 改性處理。進一步來說，在所述步驟(2)中，進行所述鋼包爐精煉時，鋼包吹氬流量可以為 35 80L/min ；進行所述真空脫氣處理時，真空脫氣裝置中的絕對壓強可以小于67Pa、保持 時間可以為9 12min ；合金化處理可以包括喂入鋁對鋼水進行終脫氧并調整鋼水中的鋁 含量；夾雜物改性處理后，可以進行吹氬處理10分鐘以上。這里，所述真空脫氣裝置中的絕 對壓強還可以為30 65Pa。根據本發明的球磨機鋼球用鋼的制備方法，所述步驟(3)中，連鑄時，中間包中的 鋼水的過熱度可以為15 30°C。進一步來說，所述中間包中的鋼水的過熱度還可以為15 25 °C。根據本發明的球磨機鋼球用鋼的制備方法，所述步驟(4)中，預熱時，均熱溫度可 以為1180 1220°C，預熱時間大于或等于2. 5h，軋制時，開軋溫度可以為1080 1150°C， 終軋溫度可以為850 1000°C。與現有技術相比，本發明的技術方案有下列優點(1)本發明的球磨機鋼球用鋼是通過降低有害元素P、S的含量，采用高碳加錳和 增加其它合金元素如鉻等以及利用鋁質材料來增加脫氧和細化晶粒的方法，保證了鋼的高 硬度、高強度和高耐磨性。(2)本發明的球磨機鋼球用鋼具有高的綜合性能，主要體現在以下幾方面與其 它鋼相比，合金元素含量低，利于節約能源，縮短生產周期，降低生產成本，且加入作為復合 變質劑的Cr和鋁質材料來改善顯微組織與碳化物的形態和分布，顯著地提高材料的力學 性能和位錯密度，鋼的韌性得到明顯改善，耐磨性能顯著提高，取得了良好的效果。采用本 發明的鋼制備的鋼球使用壽命達到甚至超過一般耐磨鋼材料。
具體實施例方式根據本發明的鋼的組成按重量百分比計為C 0. 75 0. 85 %，Si 0. 17 0. 35 %, Mn 0. 70 0. 90 %，Cr 0. 40 0. 60 %，Al 0. 010 0. 060 %, Cu ^ 0. 20 %, Ni彡0. 20%, P彡0. 030%, S彡0. 030%, 0^ 0. 002%，余量為Fe和不可避免的雜質。優選地，所述球磨機鋼球用鋼的組成中按重量百分比計可以含有C 0. 75 0. 82%, Si 0. 17 0. 30%, Mn 0. 75 0. 85%, Cr 0. 45 0. 55%, Al 0. 010 0. 040%。在本說明 書中，涉及到的所有組分的含量均為重量百分比含量。其中，鋼中的C能夠通過增加鋼中珠光體的含量來提高鋼的強度，Si、Mn固溶在鋼 中同樣能大幅度地提高強度，但隨著鋼中C、Si、Mn組分的增加，鋼的韌性和可焊性隨之下 降。C含量為0. 75 0. 85%、Si含量為0. 17 0. 35 %、Mn含量為0. 70 0. 90 %，優選 地，C 含量為 0. 75 0. 82%,Si 含量為 0. 17 0. 30%、Mn 含量為 0. 75 0. 85%。Cu、Ni 和Cr元素可以提高鋼的耐大氣腐蝕能力，但這些元素也會降低鋼的韌性和可焊性，因此Cu 含量為不超過0. 20%,Ni含量不超過0. 20% Xr含量為0. 40 0. 60 %，優選地，Cr含量為 0. 45 0. 55%。P會提高低溫脆性轉變溫度，不利于鋼的低溫沖擊性能，所以P含量不超 過0. 030%。除易切削鋼外，S是有害元素，越低越好，本發明的鋼的S含量不超過0. 030%。 Al是很強的脫氧元素，如果Al含量過高，則在氬氣保護不良的條件下，會使鋼液在澆鑄時 形成大量的Al2O3，使澆鑄水口結瘤，影響鋼液的可澆性，因此，Al含量為0. 010 0. 060%, 優選地，為0. 010 0. 040% ο根據本發明的上述鋼的制備方法，包括以下步驟(1)冶煉鋼水；(2)采用爐外精煉工藝處理鋼水，將鋼水的成分按重量百分比計 控制為C 0. 75 0. 85 %，Si 0. 17 0. 35 %，Mn 0. 70 0. 90 %，Cr 0. 40 0. 60 %， Al 0. 010 0. 060%, Cu 彡 0. 20%, Ni 彡 0. 20%, P 彡 0. 030%, S 彡 0. 030%，全氧含量 0^ 0. 002%，余量為Fe和不可避免的雜質；(3)采用連鑄工藝將經過爐外精煉處理的鋼水 形成鑄坯；(4)預熱鑄坯，然后進行軋制，得到所述球磨機鋼球用鋼。在下文中，將主要以包括超高功率電爐(UHP)、鋼包爐精煉法(LF)、真空脫氣法 (VD)、連鑄和連軋等工序的工藝流程來執行根據本發明的球磨機鋼球用鋼的制備方法。根據本發明的球磨機鋼球用鋼的制備方法的一種實施方式可以為(1)采用超高功率電爐冶煉鋼水，以確保鋼水成分按重量百分比計滿足 C^O. 15%,P^O. 020%，溫度滿足1600 1700°C。這里，將鋼水的碳、磷含量和溫度設定 在上述范圍內，主要是為了后續精煉步驟的便利和順行，然而本發明不限于此，例如，這里 也可以僅通過后續的精煉步驟，將鋼水中的碳、磷含量控制在目標范圍內；對于帶有調溫功 能的爐外精煉工藝來說，鋼水的溫度可以不在上述溫度范圍內。在出鋼過程中，對鋼水中的 Mn和Cr的含量進行調整，以使所述Mn和Cr的含量分別處于0. 55% 0. 65%和0. 25% 0. 45%的范圍內。(2)采用鋼包精煉(LF)爐和真空脫氣(VD)爐進行爐外精煉，以將鋼水的成分按重 量百分比計控制為:C 0. 75 ~ 0. 85%,Si 0. 17 ~ 0. 35%,Mn 0. 70 ~ 0. 90%,Cr 0. 40 0. 60%, Al 0. 010 0. 060 %，Cu 彡 0. 20 %，Ni 彡 0. 20 %，P 彡 0. 030 %，S 彡 0. 030 %， 0^0. 002%,余量為Fe和不可避免的雜質。優選地，將鋼水的成分按重量百分比計控制為 C 0. 75 0. 80%, Si 0. 17 0. 35%,Mn 0. 80 0. 90%,Cr 0. 54 0. 60%,Al 0. 010 0. 040%, Cu 彡 0. 20%, Ni 彡 0. 20%, P 彡 0. 025%, S 彡 0. 020%, 0 彡 0. 002%，余量為 Fe 和不可避免的雜質。其中，鋼包爐精煉處理中鋼包吹氬的流量可以為35 80L/min。真空 脫氣處理過程中，真空脫氣裝置中的絕對壓強可以小于67Pa，優選地，真空脫氣裝置中的絕 對壓強為30 65Pa，保持時間為9 12min。例如，經過真空脫氣的鋼水中，氫含量可以小于0.00025%。可通過喂入鋁對鋼水進行終脫氧并調整鋼水中的鋁含量滿足上述范圍。可 通過合金化工藝對鋼水中的合金元素成分進行調整，使其滿足各自的成分范圍。出鋼前采 用鈣類合金對鋼水中的夾雜物進行改性處理，夾雜物改性處理后，進行吹氬處理(也可稱 為，氬氣軟吹處理)10分鐘以上。所述鈣類合金可以為CaAl合金、CaSi合金以及其它鈣類 合金。將鈣類合金加入鋼水中，可以使串簇狀Al2O3變為球狀的CaO-Al2O3系夾雜物，后者易 于從鋼水中分離出去，從而能夠改善鋼水的質量并能夠防止鋼水在澆鑄過程中堵塞水口。 夾雜物改性處理后，進行吹氬處理，能夠起到使鋼中夾雜物上浮和均勻溫度的作用。在進行 吹氬處理時，如果氬氣流量太小，則起不到軟吹效果，達不到促使鋼中夾雜物上浮和均勻溫 度的效果，反之，如果氬氣流量太大，則會造成鋼液面裸露，造成鋼水二次氧化，惡化鋼水質 量，因此氬氣流量可以為20 60L/min。(3)采用連鑄工藝澆注鑄坯。鑄坯可以為方坯或矩形坯，當然也可以為圓坯。控 制連鑄中間包鋼水過熱度為15 30°C，如果中包鋼水過熱度低于15°C，鋼水易被夾雜物污 染，同時易使水口發生堵塞甚至凍結，迫使澆注中斷，如果中包鋼水過熱度大于30°C，則會 加劇鋼水的二次氧化和對包襯耐火材料的侵蝕，從而使鑄坯中非金屬夾雜物增多，惡化鑄 坯質量，同時還會使坯殼減薄和厚度不均，造成漏鋼。優選地，中間包鋼水過熱度為15 25°C。按常規操作規程來控制澆注速度。例如，對于尺寸規格為260X350mm的大方坯型鑄 坯，拉坯速度可以為0. 50 0. 75m/min ；對于尺寸規格為150X220mm的小方坯型鑄坯，拉 坯速度可以為0. 90 1. 30m/min。這里，如果拉坯速度過低，則會影響生產效率，如果拉坯 速度過高，則會造成鑄坯的坯殼太薄和厚度不均，同時還會影響鑄坯質量，甚至造成漏鋼。 連鑄時，還可采用結晶器和末段組合電磁攪拌工藝，以提高鑄坯質量。(4)預熱鑄坯，然后進行連軋。為了保證鑄坯加熱的均勻性，防止奧氏體晶粒粗大 化，使鋼中碳氮化物充分固溶，從而提高軋材性能，以及為了防止脫碳和粘爐，制定鋼坯在 加熱爐的均熱溫度為1180 1220°C，加熱時間為彡2. 5h，連軋工藝中，開軋溫度1080 1150°C，終軋溫度850 1000°C。完成軋制后，收集產品并緩冷。雖然在上述實施例中，同時在電爐冶煉出鋼時和爐外精煉過程中對合金成分進行 調整，但是本領域技術人員應該清楚也可以僅通過在爐外精煉過程中對合金成分進行調 整，從而得到本發明的球磨機鋼球用鋼。盡管在上述內容中已經將由超高功率電爐(UHP)、鋼包爐精煉法(LF)、真空脫氣 法(VD)、連鑄和連軋等工序組成的工藝流程作為本發明的一個實施方式進行了描述，但是 本領域技術人員應該理解，本發明的球磨機鋼球用鋼的制備方法也可以采用除上述工藝流 程之外的其他工藝流程來實現。例如，也可以通過諸如轉爐、氬氧脫碳法(AOD)、真空循環脫 氣法(RH)、真空吹氬脫氣法(VAD)等工序的組合來實現本發明的方法。下面通過具體實施例來說明本發明的有益效果。這些實施例均采用上述的由超高 功率電爐(UHP)、鋼包爐精煉法(LF)、真空脫氣法(VD)、連鑄和連軋等工序組成的工藝流程 來實施。鋼坯的尺寸規格為180mmX220mm。在連鑄工序中，通過結晶器電磁攪拌和末段電 磁攪拌來提高鋼坯質量，并且結晶器電磁攪拌的工作電流為300A，頻率為3. 0ΗΖ，末段電磁 攪拌的工作電流為250A，頻率為12. OHZ關于實施例的具體參數見表1、表2、表3和表4。表1示出了實施例中的鋼的化學成分。表2是中間包鋼水過熱度、澆注速度、鑄坯加熱溫度、時間及終軋溫度。表3是鋼低倍組織級別，表4是鋼材非金屬夾雜物檢驗級別， 表3和表4均為通過國家標準檢測方法獲得的數據。表5為鋼材硬度、強度和耐磨性能檢 驗值。表1鋼球用鋼實施例化學成分(重量，％ )
權利要求
一種球磨機鋼球用鋼，其特征在于，其組成按重量百分比計為C0.75～0.85％，Si0.17～0.35％，Mn0.70～0.90％，Cr0.40～0.60％，Al0.010～0.060％，Cu≤0.20％，Ni≤0.20％，P≤0.030％，S≤0.030％，O≤0.002％，余量為Fe和不可避免的雜質。
2.如權利要求1所述的球磨機鋼球用鋼，其特征在于，其組成中按重量百分比計含有 C 0. 75 0. 82%, Si 0. 17 0. 30%,Mn 0. 75 0. 85%,Cr 0. 45 0. 55%,Al 0. 010 0. 040%。
3.一種球磨機鋼球用鋼的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)冶煉鋼水；(2)采用爐外精煉工藝處理鋼水，將鋼水的成分按重量百分比計控制為C:0.75 0. 85%,Si 0. 17 0. 35%,Mn 0. 70 0. 90%,Cr 0. 40 0. 60%,Al 0. 010 0. 060%, Cu ^ 0. 20%, Ni ^ 0. 20%, P ^ 0. 030%, S ^ 0. 030%, O ^ 0. 002%，余量為 Fe 和不可避 免的雜質；(3)采用連鑄工藝將經過爐外精煉處理的鋼水形成鑄坯；(4)預熱鑄坯，然后進行軋制，得到所述球磨機鋼球用鋼。
4.如權利要求3所述的球磨機鋼球用鋼的制備方法，其特征在于，在所述步驟(2)中， 將鋼水的成分按重量百分比計控制為C 0. 75 0. 80%，Si 0. 17 0. 35%，Mn 0. 80 0. 90%,Cr 0. 54 0. 60%,Al 0. 010 0. 040%,Cu ^ 0. 20%,Ni ^ 0. 20%,P ^ 0. 025%, S彡0. 020%, O彡0. 002%，余量為Fe和不可避免的雜質。
5.如權利要求3所述的球磨機鋼球用鋼的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)還包 括在完成冶煉后，對得到的鋼水中的Mn和Cr的含量進行調整，以使所述Mn的含量處于 0. 55% 0. 65%的范圍內，Cr的含量處于0. 25% 0. 45%的范圍內。
6.如權利要求3所述的球磨機鋼球用鋼的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中的爐 外精煉工藝包括鋼包爐精煉、真空脫氣及合金化處理以及出鋼前采用鈣類合金對鋼水中的 夾雜物進行改性處理。
7.如權利要求6所述的球磨機鋼球用鋼的制備方法，其特征在于，在所述步驟(2)中， 進行所述鋼包爐精煉時，鋼包吹氬流量為35 80L/min ；進行所述真空脫氣處理時，真空脫 氣裝置中的絕對壓強小于67Pa、保持時間為9 12min ；進行所述合金化處理包括喂入鋁對 鋼水進行終脫氧并調整鋼水中的鋁含量；夾雜物改性處理后，進行吹氬處理10分鐘以上。
8.如權利要求7所述的球磨機鋼球用鋼的制備方法，其特征在于，所述真空脫氣裝置 中的絕對壓強為30 65Pa。
9.如權利要求3所述的球磨機鋼球用鋼的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中，連 鑄時，中間包中的鋼水的過熱度為15 30°C。
10.如權利要求3所述的球磨機鋼球用鋼的制備方法，其特征在于，所述步驟(4)中，預 熱時，均熱溫度為1180 1220°C，預熱時間大于或等于2. 5h，軋制時，開軋溫度為1080 1150°C，終軋溫度為850 IOOO0C0
全文摘要
本發明涉及一種球磨機鋼球用鋼及其制備方法，所述鋼的組成按重量百分比計為C0.75～0.85％，Si0.17～0.35％，Mn0.70～0.90％，Cr0.40～0.60％，Al0.010～0.060％，Cu≤0.20％，Ni≤0.20％，P≤0.030％，S≤0.030％，O≤0.002％，余量為Fe和不可避免的雜質；所述制備方法包括冶煉、爐外精煉、連鑄和連軋。根據本發明的鋼具有高硬度、高強度和高耐磨性的特點并且生產周期短、生產成本低，可以替代高合金耐磨鋼用作球磨機鋼球。
文檔編號B02C17/20GK101962734SQ20101029473
公開日2011年2月2日 申請日期2010年9月28日 優先權日2010年9月28日
發明者倪友來, 劉金玲, 盧棟, 孫永喜, 張君平, 楊密平, 范夕榮, 趙冠夫, 馬傳慶 申請人:萊蕪鋼鐵股份有限公司