CN108823505B - 一种稀土合金化研磨球用钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种稀土合金化研磨球用钢及其制造方法。钢的牌号YM60Si2CrReA，包含：碳0.55～0.65％，硅1.60～2.20％，锰0.60～1.00％，铬0.80～1.20％，钼0.10～0.20％，钒0.07～0.15％，镍≤0.05％，铜≤0.15％，铝0.015～0.05％，磷≤0.025％，硫≤0.025％，稀土Re 0.02～0.08％。本发明通过稀土进行合金化处理，保证矿山研磨球用钢YM60Si2CrReA具有更高的硬度，更高的洁净度，更稳定的性能，更高的使用寿命。

Description

一种稀土合金化研磨球用钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及研磨球用钢技术领域，特别是涉及一种稀土合金化研磨球用钢及其制造方法。
背景技术
研磨球用钢广泛应用于冶金矿山、水泥建材、火力发电、烟气脱硫、磁性材料、化工、水煤浆、球团矿、矿渣、超细粉、粉煤灰、碳酸钙、石英砂等行业球磨机。它是一种消耗品，主要用途是研磨物料，使物料研磨得更细，以达到使用标准。中国钢球每年消耗量在300-500万t，是钢球消耗大国。
该领域长期以来以铸造钢球为主，传统的工艺需要先按照尺寸下料，然后用煤或者天然气将料加热到一定温度，空气锤锻打，热处理，产品检验。该生产方式有太多的弊端，最主要的有生产效率低下、环境污染严重、工人劳动强度很大、热辐射和噪音辐射等严重危害工人健康。因此，近年来，随着装备技术的进步，热轧钢球得到了快速发展，热轧钢球工艺基本思路是将整根的圆钢加热，通过输送装置送入轧辊，通过电机和减速机带动轧辊旋转，轧辊就可以利用其自身的球槽设计将高温的圆钢热轧成球。该生产工艺无需下料，无需空气锤锻打，大大提高了生产效率，生产出来的钢球不管是表面质量还是内在品质都远高于铸造钢球，工人劳动强度也大大降低，受到的噪音等危害也大大减少。但是，热轧钢球因其特殊的加工工艺对原材料的性能要求极其严格，如何开发出高硬度(表面硬度和体积硬度)、高寿命(低变形率、低破碎率、低自耗率)、高质量(纯净度、细晶粒)的热轧研磨钢球用钢成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明就是针对上述存在的缺陷而提供一种稀土合金化研磨球用钢及其制造方法。钢牌号YM60Si2CrReA，通过添加稀土Re进行合金化以及优化关键过程控制点，有效的保证YM60Si2CrReA具有高的硬度，更高的洁净度，更高的性能稳定性及抗疲劳性能，达到了高寿命的使用要求。
本发明的一种稀土合金化研磨球用钢及其制造方法技术方案为，一种稀土合金化研磨球用钢，钢牌号YM60Si2CrReA，成分包括按质量百分比的：碳0.55～0.65％，硅1.60～2.20％，锰0.60～1.00％，铬0.80～1.20％，钼0.10～0.20％，钒0.07～0.15％，镍≤0.05％，铜≤0.15％，铝0.015～0.05％，磷≤0.025％，硫≤0.025％，稀土Re 0.02～0.08％。
作为优选Mo的作用：钼元素能够提高过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体转变，从而提高钢材淬透性，Mo的加入可提高钢材在高热处理之后性能的要求，加入量在0.10～0.20％可以兼顾性能和成本。
作为优选V元素的作用：主要通过形成碳、氮化物来影响钢材的组织结构和性能，比A1元素更容易熔入钢中，钒能起到细化晶粒的作用，显著提高钢材的强度、韧性和耐磨性，钒含量在钢中≤0.15％时，生成的化合物主要以氮化钒的形式存在，能细化晶粒，提高强度和韧性。但是当钢中钒含量大于0.15％后，随着碳化钒化合物的增多，材料的冲击韧性有降低的趋势，所以产品设计钒含量：V:0.07～0.15％。
作为优选稀土Re元素的作用：稀土被称为“工业味精”，微量的稀土就能起到显著提高钢材性能的作用。稀土元素因独特的电子壳结构而具有极强的化学活性，4f壳层结构的能价态可变和和大原子尺寸，是钢极强的净化剂和洁净钢夹杂物的有效变质剂，是有效控制钢中弱化源、降低局域区能态和钢局域弱化的强抑制剂。具体作用如下：
1.深度净化,控制弱化源：主要表现在：可深度降低氧和硫的含量,降低磷、硫、氢、砷、锑、铋、铅、锡等低熔点元素的有害作用。用俄歇能谱和离子探针研究了硫和稀土元素在高速钢晶界上的偏聚。稀土元素使晶界P偏聚减少，消除形成Fe3P弱化晶界的有害作用，改善了晶界状态，从而强化了晶界，阻碍了晶间断裂，增加穿晶断裂分数。
2.变质作用：稀土不仅能净化钢液，而且能细化钢的凝固组织,改变夹杂物的性质、形态和分布，从而提高钢的各项性能。夹杂物的“形态控制”，是稀土在钢中的主要作用之一，稀土可控制硫、氧夹杂物的形态，如图1-图3所示，明显地表现在改善横向韧性、高温塑性、焊接性能、疲劳性能、耐大气腐蚀性能等。稀土夹杂物的热膨胀系数和钢的近似，如图4所示，可以避免钢材热加工冷却时在夹杂物周围产生大的附加应力，有利于提高钢的疲劳强度。
3.凝固“组织控制”：二次枝晶间距的大小将影响显微偏析、夹杂及疏松，因而对机械性能产生影响。稀土在钢中形成较高熔点的化合物,在钢液凝固前析出，呈细小的质点分布在钢液中，作为非均质形核中心，降低钢液结晶的过冷度因而可细化钢的凝固组织，减少偏析，实现凝固“组织控制”。
4.微合金化作用：稀土在钢中有净化和明显的变质作用。钢的洁净度不断提高，稀土元素的微合金强化作用日益突出。稀土的微合金化包括微量稀土元素的固溶强化，稀土元素与其他溶质元素或化合物的交互作用、稀土原子的存在状态(原子、夹杂物或化合物)大小、形状和分布，特别是在晶界的偏聚，以及稀土对钢表面和基体组织结构的影响等。
所述的一种稀土合金化研磨球用钢，优选的，包括按质量百分比的：碳0.59～0.61％，硅1.88～1.92％，锰0.78～0.82％，铬0.98～1.02％，钼0.14～0.16％，钒0.09～0.11％，镍≤0.005％，铜≤0.015％，铝0.018～0.025％，磷≤0.015％，硫≤0.005％，稀土Re 0.03～0.05％。
稀土合金化研磨球用钢的碳波动值≤0.04％，碳偏析指数控制在0.95-1.05，带状组织≤1级，晶粒度≥7级。
所述稀土合金化研磨球用钢的A类夹杂物控制在≤0.5级，B类夹杂物≤1级，C类夹杂物≤0.5级，D类夹杂物≤1级，Ds类≤0.5级。
所述稀土合金化研磨球用钢的T[O]含量控制在≤12×10-6，H含量控制在≤1×10-6，N含量控制在60×10-6。
所述的一种稀土合金化研磨球用钢的制造方法，包括以下步骤：
S1、电炉冶炼加料前往炉中加入预制脱磷剂保证电炉冶炼的脱磷能力，出钢一次性加入脱氧剂铝锭；
S2、精炼渣系采用高碱度精炼渣系，渣二元碱度R(CaO/SiO2)＝4-7,精炼石灰按11-14kg/t加入，高碱度高铝精炼渣300公斤/炉，加入10-30公斤/炉萤石进行调渣，加入硅铁合金进行成分硅的调整，LF精炼末期喂入Ca-Si线240m/炉；控制VD真空时间≥15min，控制软吹时间15-30min，于钢液脱氧和脱硫良好的情况下加入稀土；
S3、连铸过程采用φ500圆连铸坯进行浇铸，连铸过程保证低过热度浇铸，控制过热度≤20℃，中间包采用整体式水口中间包，连铸过程采用结晶器电磁搅拌，控制参数为电流：300A频率：3HZ和末端电磁搅拌控制参数为电流：420A频率：5HZ，同时采用脉冲磁致振荡设备，使中心等轴晶面积显著提高，等轴晶率达到55％～75％，晶粒尺寸得到显著细化，铸坯低倍组织显著改善，消除了缩孔；降低了碳偏析指数；
S4、轧制加热炉控制加热时间10h，保证偏析元素的高温扩散，降低碳偏析指数同时减轻带状组织，均热温度控制在1230℃，防止晶粒粗大，加热炉控制中性气氛，防止钢材脱碳，保证材料淬火后的硬度，控制高压水除鳞压力19MPa～20MPa，除鳞率≥95％，控制开轧温度1120-1150℃(即除鳞后温度)。开坯机总压下量不变的前提下，第二、四道次上较常规轧制增加20mm，收集温度≥550℃。吊运至缓冷坑缓冷，冷却至100℃以下后精整入库。
S1中，所述的预制脱磷剂为石灰CaO与氧化铁皮Fe2O3按质量比1:1组成。
S1中，出钢磷含量控制在≤0.08％，高拉碳出钢，出钢碳含量控制在≥0.4％，控制铁水比例≥50％，出钢温度控制1610-1660℃，出钢一次性加入脱氧剂铝锭2.2kg/t。
S2中，硅铁合金的加入时机，在LF精炼过程当钢水中Al≤0.015％，S≤0.005％，根据目标值加入硅铁合金；
稀土的加入时机，VD末期钢液脱氧良好，[Al]含量在0.01％～0.02％，T[O]≤10×10-6时快速加入稀土，控制稀土加入量25-30kg/炉。
本发明的有益效果为：通过对成分进行微量元素稀土合金化，以及制造过程中的各项控制措施，使得制造出的研磨球用钢具有更高的洁净度，更稳定的力学性能，更高的强度和硬度从而实现了更好的耐磨性和更高的疲劳寿命。
附图说明：
图1所示为稀土对钢中氧含量的影响；
图2所示为钢中氧含量与夹杂物平均尺寸；
图3所示为稀土对钢中夹杂物尺寸的影响；
图4所示为氧化物夹杂应力；
图5所示为稀土氧化物夹杂应力；
图6所示为本发明用高纯稀土金属照片；
图7所示为夹杂物变性情况一；
图8所示为夹杂物变性情况二；
图9所示为铸坯等轴晶率示意图；
图10所示为钢材偏析点示意图。
具体实施方式：
为了更好地理解本发明，下面用具体实例来详细说明本发明的技术方案，但是本发明并不局限于此。
实施例1
本实施例中设计的稀土合金化研磨球用钢，钢牌号YM60Si2CrReA，其具体包含以下成分：
碳0.55～0.65％，硅1.60～2.20％，锰0.60～1.00％，铬0.80～1.20％，钼0.10～0.20％，钒0.07～0.15％，镍≤0.05％，铜≤0.15％，铝0.015～0.05％，磷≤0.025％，硫≤0.025％，稀土Re 0.02～0.08％。所用稀土购自中科院金属所，为纯镧、铈稀土，纯度≥99％。
根据以上的成份设计，实施过程中的成分控制实测值见表1：
表1、化学成分内控控制范围
在制造稀土合金化研磨球用钢YM60Si2CrReA的过程中，实际控制成分的过程能力控制指数Cpk≥1.75，达到A+级水平，达到了设计要求，具体试验炉号成分见表2。
表2、实测化学成分控制值
炉号 C Si Mn P S Cr Mo V Al Cu Ni RE
1 0.60 1.90 0.80 0.008 0.001 0.99 0.14 0.10 0.020 0.010 0.02 0.04
2 0.59 1.89 0.79 0.009 0.002 1.00 0.15 0.09 0.021 0.012 0.03 0.04
3 0.61 1.91 0.80 0.005 0.003 0.99 0.16 0.11 0.023 0.009 0.02 0.03
4 0.60 1.90 0.78 0.006 0.002 1.01 0.15 0.10 0.018 0.010 0.03 0.04
5 0.59 1.88 0.82 0.010 0.001 1.02 0.16 0.10 0.021 0.010 0.02 0.05
6 0.60 1.90 0.80 0.013 0.002 1.00 0.14 0.10 0.020 0.008 0.02 0.04
7 0.60 1.89 0.81 0.008 0.004 1.00 0.15 0.09 0.020 0.010 0.03 0.04
8 0.60 1.92 0.81 0.004 0.005 1.00 0.14 0.10 0.022 0.009 0.02 0.04
9 0.61 1.90 0.80 0.009 0.002 0.99 0.15 0.11 0.020 0.008 0.03 0.04
10 0.60 1.90 0.79 0.010 0.002 1.01 0.15 0.09 0.019 0.010 0.02 0.04
实施例2
稀土合金化研磨球用钢，钢牌号为YM60Si2CrReA的制造方法：
S1、电炉冶炼
在电炉冶炼加料前往炉中加入预制脱磷剂(所述的预制脱磷剂为石灰CaO与氧化铁皮Fe2O3按质量比1:1组成)，保证电炉冶炼的脱磷能力，出钢磷含量控制在≤0.08％，高拉碳出钢，出钢碳含量控制在≥0.4％，控制铁水比例≥50％，出钢温度控制1610-1660℃，出钢一次性加入脱氧剂铝锭2.2kg/t。
S2、LF精炼与VD真空
具体的精炼渣系采用高碱度精炼渣系，渣二元碱度R(CaO/SiO2)＝4-7，精炼石灰按11-14kg/t加入，高碱度高铝精炼渣300公斤/炉，根据精炼渣实际情况加入10-30公斤/炉萤石进行调渣，尤其硅铁的加入时机，LF精炼末期喂入Ca-Si线240m/炉；控制VD真空时间≥15min，控制软吹时间15-30min。
硅铁合金的加入时机，在LF精炼过程当钢水中Al≤0.015％，S≤0.005％，根据目标值加入硅铁合金；
稀土的加入时机，VD末期钢液脱氧良好，[Al]含量在0.01％～0.02％，T[O]≤10×10-6时快速加入稀土，控制稀土加入量25-30kg/炉，从而实现了夹杂物变性细化的目的，如图7和图8所示。
S3、连铸过程
具体的连铸过程采用φ500圆连铸坯进行浇铸，连铸过程保证低过热度浇铸，控制过热度≤20℃，中间包采用整体式水口中间包，连铸过程采用结晶器电磁搅拌，控制参数为(电流：300A频率：3HZ)和末端电磁搅拌控制参数为(电流：420A频率：5HZ)，同时采用脉冲磁致振荡设备，使中心等轴晶面积显著提高，等轴晶率达到70％，如图9所示，晶粒尺寸得到显著细化，铸坯低倍组织显著改善，消除了缩孔，降低了碳偏析指数。
S4、控制轧制
具体的轧制加热炉控制加热时间10h，保证偏析元素的高温扩散，降低碳偏析指数同时减轻带状组织，如图10所示，偏析指数控制在0.95-1.05之间，如表3所示；均热温度控制在1230℃，防止晶粒粗大，加热炉控制中性气氛，防止钢材脱碳，保证材料淬火后的硬度，控制高压水除鳞压力19MPa-20MPa，除鳞率≥95％，控制开轧温度1120-1150℃(除鳞后温度)。开坯机总压下量不变的前提下，第二、四道次上较常规轧制增加20mm，收集温度≥550℃。吊运至缓冷坑缓冷，冷却至100℃以下后精整入库。
表3、实测化学成分控制值
位置 碳含量/％ 偏析指数
O 0.60 1.00
1/4X 0.59 0.98
1/2X 0.63 1.05
3/4X 0.59 0.98
1/4Y 0.62 1.03
1/2Y 0.59 0.98
3/4Y 0.61 1.02
1/4Z 0.59 0.98
1/2Z 0.61 1.02
3/4Z 0.58 0.97
本发明所述的一种稀土合金化研磨球用钢，钢牌号YM60Si2CrReA，通过对成分进行微量元素稀土合金化，以及制造过程中的各项控制措施，使得制造出的研磨球用钢具有更高的洁净度，更稳定的力学性能，更高的强度和硬度从而实现了更好的耐磨性和更高的疲劳寿命。

Claims (7)

1.一种稀土合金化研磨球用钢，其特征在于，钢牌号YM60Si2CrReA，由按质量百分比的以下成分组成：碳0.55～0.65％，硅1.60～2.20％，锰0.60～1.00％，铬0.80～1.20％，钼0.10～0.20％，钒0.07～0.15％，镍≤0.05％，铜≤0.15％，铝0.015～0.05％，磷≤0.025％，硫≤0.025％，稀土Re 0.02～0.08％，余量为铁及其他不可避免的杂质；
稀土合金化研磨球用钢的碳波动值≤0.04％，碳偏析指数控制在0.95-1.05，带状组织≤1级，晶粒度≥7级；
所述稀土合金化研磨球用钢的A类夹杂物控制在≤0.5级，B类夹杂物≤1级，C类夹杂物≤0.5级，D类夹杂物≤1级，Ds类≤0.5级；
所述稀土合金化研磨球用钢的T[O]含量控制在≤12×10-6，H含量控制在≤1×10-6，N含量控制在60×10-6。
2.根据权利要求1所述的一种稀土合金化研磨球用钢，其特征在于，包括按质量百分比的：碳0.59～0.61％，硅1.88～1.92％，锰0.78～0.82％，铬0.98～1.02％，钼0.14～0.16％，钒0.09～0.11％，镍≤0.005％，铜≤0.015％，铝0.018～0.025％，磷≤0.015％，硫≤0.005％，稀土Re 0.03～0.05％。
3.如权利要求1所述的一种稀土合金化研磨球用钢的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、电炉冶炼加料前往炉中加入预制脱磷剂保证电炉冶炼的脱磷能力，出钢一次性加入脱氧剂铝锭；
S2、精炼渣系采用高碱度精炼渣系，渣二元碱度R＝CaO/SiO2＝4-7,精炼石灰按11-14kg/t加入，高碱度高铝精炼渣300公斤/炉，加入10-30公斤/炉萤石进行调渣，加入硅铁合金进行成分硅的调整，LF精炼末期喂入Ca-Si线240m/炉；控制VD真空时间≥15min，控制软吹时间15-30min，于钢液脱氧和脱硫良好的情况下加入稀土；
S3、连铸过程采用500圆连铸坯进行浇铸，连铸过程保证低过热度浇铸，控制过热度≤20℃，中间包采用整体式水口中间包，连铸过程采用结晶器电磁搅拌，控制参数为电流：300A，频率：3HZ和末端电磁搅拌控制参数为电流：420A，频率：5HZ，同时采用脉冲磁致振荡设备，使中心等轴晶面积显著提高，晶粒尺寸得到显著细化，铸坯低倍组织显著改善，消除了缩孔；降低了碳偏析指数；
S4、轧制加热炉控制加热时间10h，保证偏析元素的高温扩散，降低碳偏析指数同时减轻带状组织，均热温度控制在1230℃，防止晶粒粗大，加热炉控制中性气氛，防止钢材脱碳，保证材料淬火后的硬度，控制高压水除鳞压力19MPa～20MPa，除鳞率≥95％，控制开轧温度1120-1150℃，开坯机总压下量不变的前提下，第二、四道次上较常规轧制增加20mm，收集温度≥550℃；吊运至缓冷坑缓冷，冷却至100℃以下后精整入库。
4.根据权利要求3所述的一种稀土合金化研磨球用钢的制造方法，其特征在于，S1中，所述的预制脱磷剂为石灰CaO与氧化铁皮Fe2O3按质量比1:1组成。
5.根据权利要求3所述的一种稀土合金化研磨球用钢的制造方法，其特征在于，S1中，出钢磷含量控制在≤0.08％，高拉碳出钢，出钢碳含量控制在≥0.4％，控制铁水比例≥50％，出钢温度控制1610-1660℃，出钢一次性加入脱氧剂铝锭2.2kg/t。
6.根据权利要求3所述的一种稀土合金化研磨球用钢的制造方法，其特征在于，S2中，硅铁合金的加入时机，在LF精炼过程当钢水中Al≤0.015％，S≤0.005％，根据目标值加入硅铁合金；
稀土的加入时机，VD末期钢液脱氧良好，[Al]含量在0.01％～0.02％，T[O]≤10×10-6时快速加入稀土，控制稀土加入量25-30kg/炉。
7.根据权利要求3所述的一种稀土合金化研磨球用钢的制造方法，其特征在于，S3中，等轴晶率达到55％～75％。
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