CN1055507C - 一种球磨机用高韧性高铬耐磨球及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种球磨机用高韧性高铬耐磨球及其制造方法，其主要化学成分百分含量为C1.8-3.0，Si0.5-0.7，Mn0.7-1.2，Cr12-14，W0.1-1.0，Nb0.01-1.0，RE0.001-0.05，Mg0.001-0.005，Al0.1-1.0，Ti0.001-0.1和/或Ta0.001-0.005，余为铁，HRC50-60，ak≥8J/cm2。可采用电炉熔炼，Al脱氧并变质，浇入到三元铸型中，热处理制得。本发明磨球耐磨性好，冲击次数达20万次以上，寿命长，主要在电厂大型球磨机中使用。
Description
本发明涉及含铬的铸铁合金技术领域，具体是一种球磨机用高韧性高铬耐磨球及其制造方法。
球磨机是电力、矿山冶金、建材、化工等行业广泛使用的重要粉磨设备，磨球是球磨机中最常用研磨体，在粉磨行业的各类易损件中消耗量最大。随着电力工业的发展，高参数大容量机组的投入运行，各式大型磨煤机逐年增加，磨球的消耗将会大幅度增长。这不仅消耗大量的钢铁材料，而且大量的铁粉进入锅炉，浸蚀锅炉零部件，降低其使用寿命。因此，不断地研究、提高磨球的耐磨性，降低其单位磨耗，对保证火力发电厂安全经济发电，有着重大的经济意义。目前，火力发电厂仍大量使用低碳白口铸铁球、稀土镁中锰球、低铬合金铸铁球以及45Mn2淬火锻钢球等等。这些磨球硬度低、耐磨性差，球耗高达184-485克/吨煤，消耗量大，且韧性差，碎球率高，失圆，变形严重，造成补加球频繁，严重影响着机组安全经济运行。近年来国内外用含铬大于11％的高铬铸铁制造磨球，首先在水泥厂使用，磨球的磨耗由普通锻钢球的800-1200克/吨水泥，降低到100克/吨水泥以下。其典型代表是已列入美国国家标准ASTMA 532-75a中15-3HC(C 3.1-3.6％，Mo 2.5-3.5％，Cr 14-18％)以及西德的Cr15Mo3。这些高铬钼材质须经过高温(980-1100℃)淬火，再进行低中温回火热处理，才能获得坚硬的马氏体基体组织，并在其基体上分布着高硬度的CrFe7C3型碳化物，因此，所制得磨球具有高硬度以及高耐磨性。目前，国内一些厂家仍应用类似于这种材质，采用砂型或金属型铸球，高温淬火+中低温回火工艺生产高铬铸铁磨球。采用这种材质及生产工艺生产的高铬铸铁磨球，虽硬度高，耐磨性好，但脆性大，落球试验，φ80，落程3.5m高，冲击次数均在1.2-3万次。其碎球率较高，使用表明，均在30％以上，在大型φ3.8M磨煤机使用碎球率更高。其次，加入较多贵重合金材料Mo、Ni、Cu及经复杂的高温热处理，大幅度提高了生产成本。同时这种高含量的Mo、Ni、Cu高铬铸铁磨球，热处理后通常残存较多的奥氏体，经过大量疲劳试验及装机使用证明，残余奥氏体是导致磨球破碎的重要原因。另外其制球工艺采用砂型或金属型铸球，使磨球内部常出现缩松、缩孔等缺陷，在使用中更加剧了碎球。致使这种磨球得不到有效地推广应用，更不能满足火力发电厂大型球磨机的使用要求。
本发明的目的之一是提供一种球磨机用高韧性高铬耐磨球及其制备方法，这种磨球具有良好的综合性能，即同时具备高硬度、高耐磨性、高韧性和高抗冲击疲劳性能。
本发明的目的之二是提供一种上述耐磨球的制造方法，其制造工艺易行，生产成本较低。
本发明目的之一是这样实现的：一种球磨机用高韧性高铬耐磨球，其特征在于化学成分百分含量为：C 1.8-3.0，Si 0.5-0.7，Mn 0.7-1.2，Cr 12-14，W 0.1-1.0，Nb 0.01-1.0，RE0.001-0.05，Mg 0.001-0.005，Al 0.1-1.0，P＜0.08，S＜0.06，Ti 0.001-0.1和/或Ta 0.001-0.005，余为铁，球试验硬度HRc 50-60，冲击韧性ak≥8J/cm2。
最佳化学成分百分含量为：C 2.4-2.65，Si 0.5-0.6，Mn 0.8-1.0，Cr 12.5-13.5，W 0.3-0.6，Nb 0.01-0.7，S＜0.06，P＜0.08，Al 0.2-0.6，Mg 0.001-0.003，RE 0.008-0.02，Ti 0.001-0.02和/或Ta 0.002-0.004，余为Fe。
上述aE试验方法是根据国标测得的。
本发明的目的之二是提供一种生产上述磨球的方法，其特征是C、Mn、Cr、W、Nb、Ti和/或Ta按所要求的化学成分配料，在电炉中熔化，把熔炼烧损考虑进去，升温至1500-1580℃，加入铝脱氧及合金化，使Al达到所要求的化学成分，将高稀土低镁硅铁合金加入包底，用铁水冲熔，进行炉前变质处理，使RE、Mg、Si等达到所要求的化学成分；将铁水浇注到石墨型-金属型-砂型三元复合成型的腔中，凝固后，取出磨球，在500-650℃温度下进行中温热处理8-12小时，然后空气中冷却，以消除残余奥氏体及铸造应力。
本发明的基理如下：
碳：在高铬铸铁中是最基本、最重要的元素，其含量多少直接决定共晶碳化物和基体的相对量，提高含碳量，可提高硬度、耐磨性，含碳量降低，韧性增加，故含碳量控制在1.8-3.0％范围内是合适的。
铬：是最重要的合金元素，为了保证有足够数量高耐磨性的CrFe7C3型碳化物，必须控制铬的含量大于12％，但其含量过多，碳化物数量增多，导致脆性增大，且生产成本增加。本发明将铬控制在较低含量12-14％范围内。
锰和硅：锰是稳定奥氏体的元素，使Ms点下降使残余奥氏体增加，本发明磨球经中温热处理可消除残余奥氏体，加入较高Mn量，主要用来脱S、脱O，以增加韧性，故控制锰含量在0.7-1.2％范围内。适量的硅主要用于脱氧，因为过高的硅将导致碳化物数量增多，使韧性下降，会使磨球使用过程有剥落现象，故将硅量控制在0.5-0.7％范围内。
钨：钨的作用是显著提高淬透性，且具有较强的促进贝氏体相变的作用。钨既可固溶于铁素体或奥氏体中，强化基体，提高基体的硬度，又可形成复杂碳化物，能明显细化碳化物。因此加适量钨0.1-1.0％能提高磨球的综合力学性能。本发明以W-Fe或钨渣铁合金形式加入。
硫与磷：为有害元素，降低材质力学性能，硫与磷是炉料带入的，所以要严格控制炉料质量，使所生产磨球硫磷含量分别控制在0.06％、0.08％以下为宜。
铌、铝、稀土、钛、钽、镁：微量合金元素Nb、RE、Ti、Ta、Mg，这些元素可以相应以铁合金(除铝外)形式或钨渣铁合金形式加入。本发明以钨渣铁合金形式加入W、Nb、Ta、Ti、也可以以Nb-Fe、W-Fe、Ti-Fe形式加入Nb、Ti和W。RE和Mg以高稀土低镁合金形式加入。稀土RE、Al有净化、变质和合金化作用，能脱氧、除气、净化铁水，所生成氧化物可作为异质形核核心，细化基体组织，改善碳化物的形态与分布。
镁：镁是强成分过冷元素，加入微量镁，可使晶核数量大大增加，使初生奥氏体、碳化物明显细化。
铌、钛、钽：能与碳、氮形成高熔点化合物，可作为外来晶核，细化晶粒，形成高硬度硬化相，可提高材质强度、韧性和耐磨性。上述微量元素加入量不可过多，否则会使碳化物数量增加或产生夹杂，故需控制在上述范围。
本发明制球工艺采用石墨型-金属型-砂型三元复合型，下型为石墨型，由于其激冷作用，显著提高铁水凝固时的温度梯度，上型为金属型和砂型，形成强烈的顺序凝固，可充分补缩，消除缩孔、缩松，使铸球组织结构致密，碳化物精细，明显提高材质抗冲击能力，且铁水利用率达90％以上。
本发明磨球由于加入W、Cr、Mn等提高淬透性元素，又采激冷铸型，必然导致铸球金相组织中残留部分奥氏体。为此，采用500-650℃热处理工艺，使残余奥氏体转变为(α+碳化物)稳定组织，消作了引起磨球使用中剥落碎球的残余奥氏体。
本发明的高铬耐磨球与现有技术相比有以下特点：
1、本发明的磨球材质中不含昂贵含量大的Mo、Ni、Cu。通过加入多元微量元素，使该材质达到复合合金化效果，使磨球既具有高硬度，HRC50-60，又具有高韧性，ak≥8J/cm2；
2、抗冲击疲劳寿命长，按标准落球试验，可达20万次；
3、工艺出品率高；
4、耐磨性能好；
5、有较高的经济性，来源充足，成本低。
以下结合实施例作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
图1是下面实施例中的三元复合铸型结构示意图。
图1中，1为石墨下型，2为金属上型，3为砂型冒口套，4为磨球。
实施例1：
按本发明的化学成分及合金收得率配料称重，装入0.5吨中频感应炉内。原材料用优质生铁、废钢、碳素铬铁、钨铁、铌铁、钛铁、纯铝、高稀土低镁硅铁合金，通电熔化，升温1550-1570℃，加入铝脱氧及合金化，将高稀土低镁硅铁合金加入包底，用铁水冲熔，进行炉前变质处理，扒净炉渣，覆盖珍珠岩，将1420-1460℃铁水浇注到石墨型-金属型-砂型型腔中，铸出磨球，铸球冷却后，清理掉浇冒口，将成品球装入台车式加热炉中，升温至550-570℃，保温8小时，出炉空气冷却。
测得磨球化学成分，见下表。
在磨球表面测6点硬度为：
HRC 57.5、57、58、57、57.5、57.6。
从3个磨球本体取10×10×55mm无缺口试样，测冲击韧性为：10J/cm2、9.8J/cm2、9J/cm2。在落程3.5m落球试验机上，试验φ60磨球，冲击次数20万次以上，较一般高铬球提高10倍以上。
实施例2：
制造方法、步骤与实施例1相同，仅略改变炉料配比。另外，W、Nb、Ta、Ti以钨渣铁合金形式加入。根据成分计算W、Nb不够时可以W-Fe、Nb-Fe补充。测得化学成分见下表。
经600-620℃，保温10小时处理后，测磨球硬度为HRC 59.5，HRC 60，HRC 59.5。
从磨球本体取10×10×55mm无缺口试样，测冲击韧性值为10.5J/cm2，10.1J/cm2，10.3J/cm2，冲击次数达20万次，试验方法同上。
实施例3：
制造方法与实施例1相同，仅改变炉料配比。测所生产磨球化学成分见下表。
磨球经650℃、10小时保温空冷后，测磨球硬度为：HRC 54，HRC 53，HRC 52，冲击值为：10J/cm2，11J/cm2，10.5J/cm2。
按实施例共生产φ60磨球500余吨，分别装入三个发电厂DZM 380/550大型磨煤机中，已分别运行1-3年，经检测其单位磨耗为：A厂运行3年后检测，单位磨耗为34.3克/吨煤；B厂运行2年后检测，单位磨耗为32克/吨煤；C厂运行1年后检测，单位磨耗为28.1克/吨煤，与现有的低铬白口球(磨耗为374克/吨煤)、45Mn2淬火钢球(磨耗为184克/吨煤)、贝氏体钢球(磨耗为139.8克/吨煤)相比，本发明磨球耐磨性分别提高3-10倍，冲击次数20万次以上，使用中不破碎、不剥落、不变形、不失圆，经济效益显著。
以下是实施例的化学成分测值表：
注：实施例4、5、6性能均符合要求，略。
| MgRESPTiTa | 0.00120.0180.0580.050.012 | 0.00210.0120.050.0290.0110.0024 | 0.0020.0150.040.0350.013 | 0.0010.0010.050.070.0010.001 | 0.0030.0080.0550.060.100.005 | 0.0050.050.060.08 |
Claims (3)
1、一种球磨机用高韧性高铬耐磨球，其特征在于化学成分重量百分含量为：C 1.8-3.0，Si 0.5-0.7，Mn 0.7-1.2，Cr 12-14，W 0.1-1.0，Nb 0.01-1.0，RE 0.001-0.05，Mg 0.001-0.005，Al 0.1-1.0，P＜0.08，S＜0.06Ti 0.001-0.1和/或Ta 0.001-0.005，余为铁，球试验硬度HRC 50-60，冲击韧性ak≥8J/cm2。
2、根据权利要求1所述的耐磨球，其特征是化学成分百分含量为：C 2.4-2.65，Si 0.5-0.6，Mn 0.8-1.0，Cr 12.5-13.5，W 0.3-0.6，Nb 0.01-0.7，S＜0.06，P＜0.08，Al 0.2-0.6，Mg 0.001-0.003，RE 0.008-0.02，Ti 0.001-0.02和/或Ta 0.002-0.004，余为Fe。
3、根据权利要求1或2所述的球磨机用高韧性高铬耐磨球的制造方法，其特征是C、Mn、Cr、W、Nb、Ti和/或Ta按所要求的化学成分配料，在电炉中熔化，把熔炼烧损考虑进去，升温至1500-1580℃，加入铝脱氧及合金化，使Al达到所要求的化学成分，将高稀土低镁硅铁合金加入包底，用铁水冲熔，进行炉前变质处理，使RE、Mg、Si达到所要求的化学成分；将铁水浇注到石墨型-金属型-砂型三元复合成型的腔中，下型为石墨型，上型为金属型和砂型，形成强烈的顺序凝固，凝固后，取出磨球，在500-650℃温度下进行中温热处理8-12小时，然后空气中冷却而成。
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