专利名称：一种球磨机钢球用钢及其制备方法
技术领域：
本发明涉及钢铁冶金领域，更具体地说，涉及一种主要应用于球磨机钢球的钢及 其制备方法。
背景技术：
球磨机钢球，无疑是全世界粉碎工业目前乃至可预见将来的第一大耐磨材料消 耗件，2009年国内仅选矿一个行业即消耗了约200万吨各种材质的钢球，而我国水泥工业 2010年预计也将消耗创记录的20万吨。球磨机钢球是球磨机重要的基础零部件，尤其是精 密工业钢球在国民经济发展中起着巨大作用，其广泛用于水泥厂、发电厂等。球磨机钢球在运转过程中，工作条件十分复杂，当运动件高速运转时，钢球与其支 撑装置之间主要是以点或线相接触，承受着集中的周期性的交变载荷，其应力变化可由零 到最大，再由最大到零，接触面积越小，承受的应力就越大。同时钢球还要承受由于离心力 引起的负荷和与其支撑装置之间产生的弹性变形。除此之外，钢球在工作过程还受到润滑 油等其它杂质的腐蚀，因此对钢的综合性能有着较高的要求。已采用一种耐磨性能好、抗冲击能力强、耐腐蚀性强、硬度高的高铬合金铸球作为 研磨体，产品回火后硬度(HRC)可达到56以上、冲击值> 3J/cm2以上、单个落球次数10000 次以上、耐磨性是普通低铬球的2倍以上，充分显示出传统高铬铸球无与伦比的高耐磨性 能。例如，某种高铬钢球，其化学成分为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可达56以上。例如，牌号为ZQCrl2的 高铬淬火球,其化学成分为C :2. 0 3. 2%, Cr 11 14%，Si彡1. 0%,Μη 0. 5 2. 5%, P^O. 10%, S^O. 10%，冲击值彡 3J/cm2。在现有技术中，采用铸造工艺生产钢球用钢材料，要求化学成分中合金元素高，生 产效率低，成本高，质量波动大。迄今没有涉及大规模钢铁工业生产钢材料。
发明内容
针对现有技术中的钢存在的不足，本发明对钢的成分及制备工艺进行了优化设 计，从而提供了一种具有高硬度、高强度和高耐磨性的球磨机钢球用钢及其制备方法。该球 磨机钢球用钢还可用于对硬度、强度和耐磨性要求较高的领域，部分代替价格昂贵的高合 金耐磨钢。本发明的一方面提供了 一种球磨机钢球用钢，其组成按重量百分比计为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%，余量为 Fe
和不可避免的杂质。优选地，所述球磨机钢球用钢的组成中按重量百分比计可以含有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%。本发明另一方面提供了一种球磨机钢球用钢的制备方法，所述制备方法包括以下步骤(1)冶炼钢水；(2)采用炉外精炼工艺处理钢水，将钢水的成分按重量百分比计控制 为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%,
余量为Fe和不可避免的杂质；(3)采用连铸工艺将经过炉外精炼处理的钢水形成铸坯；(4) 预热铸坯，然后进行轧制，得到所述球磨机钢球用钢。优选地，在所述步骤(2)中，可以将钢水的成分按重量百分比计控制为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%，余量为 Fe 和不可避
免的杂质。根据本发明的球磨机钢球用钢的制备方法，所述步骤(1)还可包括在完成冶炼 后，对得到的钢水中的Mn和Cr的含量进行调整，以使所述Mn的含量处于0. 55% 0. 65% 的范围内，Cr的含量处于0. 25% 0. 45%的范围内。根据本发明的球磨机钢球用钢的制备方法，所述步骤(2)中的炉外精炼工艺可以 包括钢包炉精炼、真空脱气及合金化处理以及出钢前采用钙类合金对钢水中的夹杂物进行 改性处理。进一步来说，在所述步骤(2)中，进行所述钢包炉精炼时，钢包吹氩流量可以为 35 80L/min ；进行所述真空脱气处理时，真空脱气装置中的绝对压强可以小于67Pa、保持 时间可以为9 12min ；合金化处理可以包括喂入铝对钢水进行终脱氧并调整钢水中的铝 含量；夹杂物改性处理后，可以进行吹氩处理10分钟以上。这里，所述真空脱气装置中的绝 对压强还可以为30 65Pa。根据本发明的球磨机钢球用钢的制备方法，所述步骤(3)中，连铸时，中间包中的 钢水的过热度可以为15 30°C。进一步来说，所述中间包中的钢水的过热度还可以为15 25 °C。根据本发明的球磨机钢球用钢的制备方法，所述步骤(4)中，预热时，均热温度可 以为1180 1220°C，预热时间大于或等于2. 5h，轧制时，开轧温度可以为1080 1150°C， 终轧温度可以为850 1000°C。与现有技术相比，本发明的技术方案有下列优点(1)本发明的球磨机钢球用钢是通过降低有害元素P、S的含量，采用高碳加锰和 增加其它合金元素如铬等以及利用铝质材料来增加脱氧和细化晶粒的方法，保证了钢的高 硬度、高强度和高耐磨性。(2)本发明的球磨机钢球用钢具有高的综合性能，主要体现在以下几方面与其 它钢相比，合金元素含量低，利于节约能源，缩短生产周期，降低生产成本，且加入作为复合 变质剂的Cr和铝质材料来改善显微组织与碳化物的形态和分布，显著地提高材料的力学 性能和位错密度，钢的韧性得到明显改善，耐磨性能显著提高，取得了良好的效果。采用本 发明的钢制备的钢球使用寿命达到甚至超过一般耐磨钢材料。
具体实施例方式根据本发明的钢的组成按重量百分比计为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%，余量为Fe和不可避免的杂质。优选地，所述球磨机钢球用钢的组成中按重量百分比计可以含有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%。在本说明 书中，涉及到的所有组分的含量均为重量百分比含量。其中，钢中的C能够通过增加钢中珠光体的含量来提高钢的强度，Si、Mn固溶在钢 中同样能大幅度地提高强度，但随着钢中C、Si、Mn组分的增加，钢的韧性和可焊性随之下 降。C含量为0. 75 0. 85%、Si含量为0. 17 0. 35 %、Mn含量为0. 70 0. 90 %，优选 地，C 含量为 0. 75 0. 82%,Si 含量为 0. 17 0. 30%、Mn 含量为 0. 75 0. 85%。Cu、Ni 和Cr元素可以提高钢的耐大气腐蚀能力，但这些元素也会降低钢的韧性和可焊性，因此Cu 含量为不超过0. 20%,Ni含量不超过0. 20% Xr含量为0. 40 0. 60 %，优选地，Cr含量为 0. 45 0. 55%。P会提高低温脆性转变温度，不利于钢的低温冲击性能，所以P含量不超 过0. 030%。除易切削钢外，S是有害元素，越低越好，本发明的钢的S含量不超过0. 030%。 Al是很强的脱氧元素，如果Al含量过高，则在氩气保护不良的条件下，会使钢液在浇铸时 形成大量的Al2O3，使浇铸水口结瘤，影响钢液的可浇性，因此，Al含量为0. 010 0. 060%, 优选地，为0. 010 0. 040% ο根据本发明的上述钢的制备方法，包括以下步骤(1)冶炼钢水；(2)采用炉外精炼工艺处理钢水，将钢水的成分按重量百分比计 控制为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%，余量为Fe和不可避免的杂质；(3)采用连铸工艺将经过炉外精炼处理的钢水 形成铸坯；(4)预热铸坯，然后进行轧制，得到所述球磨机钢球用钢。在下文中，将主要以包括超高功率电炉(UHP)、钢包炉精炼法(LF)、真空脱气法 (VD)、连铸和连轧等工序的工艺流程来执行根据本发明的球磨机钢球用钢的制备方法。根据本发明的球磨机钢球用钢的制备方法的一种实施方式可以为(1)采用超高功率电炉冶炼钢水，以确保钢水成分按重量百分比计满足 C^O. 15%,P^O. 020%，温度满足1600 1700°C。这里，将钢水的碳、磷含量和温度设定 在上述范围内，主要是为了后续精炼步骤的便利和顺行，然而本发明不限于此，例如，这里 也可以仅通过后续的精炼步骤，将钢水中的碳、磷含量控制在目标范围内；对于带有调温功 能的炉外精炼工艺来说，钢水的温度可以不在上述温度范围内。在出钢过程中，对钢水中的 Mn和Cr的含量进行调整，以使所述Mn和Cr的含量分别处于0. 55% 0. 65%和0. 25% 0. 45%的范围内。(2)采用钢包精炼(LF)炉和真空脱气(VD)炉进行炉外精炼，以将钢水的成分按重 量百分比计控制为: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%,余量为Fe和不可避免的杂质。优选地，将钢水的成分按重量百分比计控制为 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%，余量为 Fe 和不可避免的杂质。其中，钢包炉精炼处理中钢包吹氩的流量可以为35 80L/min。真空 脱气处理过程中，真空脱气装置中的绝对压强可以小于67Pa，优选地，真空脱气装置中的绝 对压强为30 65Pa，保持时间为9 12min。例如，经过真空脱气的钢水中，氢含量可以小于0.00025%。可通过喂入铝对钢水进行终脱氧并调整钢水中的铝含量满足上述范围。可 通过合金化工艺对钢水中的合金元素成分进行调整，使其满足各自的成分范围。出钢前采 用钙类合金对钢水中的夹杂物进行改性处理，夹杂物改性处理后，进行吹氩处理(也可称 为，氩气软吹处理)10分钟以上。所述钙类合金可以为CaAl合金、CaSi合金以及其它钙类 合金。将钙类合金加入钢水中，可以使串簇状Al2O3变为球状的CaO-Al2O3系夹杂物，后者易 于从钢水中分离出去，从而能够改善钢水的质量并能够防止钢水在浇铸过程中堵塞水口。 夹杂物改性处理后，进行吹氩处理，能够起到使钢中夹杂物上浮和均勻温度的作用。在进行 吹氩处理时，如果氩气流量太小，则起不到软吹效果，达不到促使钢中夹杂物上浮和均勻温 度的效果，反之，如果氩气流量太大，则会造成钢液面裸露，造成钢水二次氧化，恶化钢水质 量，因此氩气流量可以为20 60L/min。(3)采用连铸工艺浇注铸坯。铸坯可以为方坯或矩形坯，当然也可以为圆坯。控 制连铸中间包钢水过热度为15 30°C，如果中包钢水过热度低于15°C，钢水易被夹杂物污 染，同时易使水口发生堵塞甚至冻结，迫使浇注中断，如果中包钢水过热度大于30°C，则会 加剧钢水的二次氧化和对包衬耐火材料的侵蚀，从而使铸坯中非金属夹杂物增多，恶化铸 坯质量，同时还会使坯壳减薄和厚度不均，造成漏钢。优选地，中间包钢水过热度为15 25°C。按常规操作规程来控制浇注速度。例如，对于尺寸规格为260X350mm的大方坯型铸 坯，拉坯速度可以为0. 50 0. 75m/min ；对于尺寸规格为150X220mm的小方坯型铸坯，拉 坯速度可以为0. 90 1. 30m/min。这里，如果拉坯速度过低，则会影响生产效率，如果拉坯 速度过高，则会造成铸坯的坯壳太薄和厚度不均，同时还会影响铸坯质量，甚至造成漏钢。 连铸时，还可采用结晶器和末段组合电磁搅拌工艺，以提高铸坯质量。(4)预热铸坯，然后进行连轧。为了保证铸坯加热的均勻性，防止奥氏体晶粒粗大 化，使钢中碳氮化物充分固溶，从而提高轧材性能，以及为了防止脱碳和粘炉，制定钢坯在 加热炉的均热温度为1180 1220°C，加热时间为彡2. 5h，连轧工艺中，开轧温度1080 1150°C，终轧温度850 1000°C。完成轧制后，收集产品并缓冷。虽然在上述实施例中，同时在电炉冶炼出钢时和炉外精炼过程中对合金成分进行 调整，但是本领域技术人员应该清楚也可以仅通过在炉外精炼过程中对合金成分进行调 整，从而得到本发明的球磨机钢球用钢。尽管在上述内容中已经将由超高功率电炉(UHP)、钢包炉精炼法(LF)、真空脱气 法(VD)、连铸和连轧等工序组成的工艺流程作为本发明的一个实施方式进行了描述，但是 本领域技术人员应该理解，本发明的球磨机钢球用钢的制备方法也可以采用除上述工艺流 程之外的其他工艺流程来实现。例如，也可以通过诸如转炉、氩氧脱碳法(AOD)、真空循环脱 气法(RH)、真空吹氩脱气法(VAD)等工序的组合来实现本发明的方法。下面通过具体实施例来说明本发明的有益效果。这些实施例均采用上述的由超高 功率电炉(UHP)、钢包炉精炼法(LF)、真空脱气法(VD)、连铸和连轧等工序组成的工艺流程 来实施。钢坯的尺寸规格为180mmX220mm。在连铸工序中，通过结晶器电磁搅拌和末段电 磁搅拌来提高钢坯质量，并且结晶器电磁搅拌的工作电流为300A，频率为3. 0ΗΖ，末段电磁 搅拌的工作电流为250A，频率为12. OHZ关于实施例的具体参数见表1、表2、表3和表4。表1示出了实施例中的钢的化学成分。表2是中间包钢水过热度、浇注速度、铸坯加热温度、时间及终轧温度。表3是钢低倍组织级别，表4是钢材非金属夹杂物检验级别， 表3和表4均为通过国家标准检测方法获得的数据。表5为钢材硬度、强度和耐磨性能检 验值。表1钢球用钢实施例化学成分(重量，％ )
权利要求
一种球磨机钢球用钢，其特征在于，其组成按重量百分比计为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％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的球磨机钢球用钢，其特征在于，其组成中按重量百分比计含有 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%。
3.一种球磨机钢球用钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤(1)冶炼钢水；(2)采用炉外精炼工艺处理钢水，将钢水的成分按重量百分比计控制为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%，余量为 Fe 和不可避 免的杂质；(3)采用连铸工艺将经过炉外精炼处理的钢水形成铸坯；(4)预热铸坯，然后进行轧制，得到所述球磨机钢球用钢。
4.如权利要求3所述的球磨机钢球用钢的制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)中， 将钢水的成分按重量百分比计控制为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%，余量为Fe和不可避免的杂质。
5.如权利要求3所述的球磨机钢球用钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)还包 括在完成冶炼后，对得到的钢水中的Mn和Cr的含量进行调整，以使所述Mn的含量处于 0. 55% 0. 65%的范围内，Cr的含量处于0. 25% 0. 45%的范围内。
6.如权利要求3所述的球磨机钢球用钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的炉 外精炼工艺包括钢包炉精炼、真空脱气及合金化处理以及出钢前采用钙类合金对钢水中的 夹杂物进行改性处理。
7.如权利要求6所述的球磨机钢球用钢的制备方法，其特征在于，在所述步骤(2)中， 进行所述钢包炉精炼时，钢包吹氩流量为35 80L/min ；进行所述真空脱气处理时，真空脱 气装置中的绝对压强小于67Pa、保持时间为9 12min ；进行所述合金化处理包括喂入铝对 钢水进行终脱氧并调整钢水中的铝含量；夹杂物改性处理后，进行吹氩处理10分钟以上。
8.如权利要求7所述的球磨机钢球用钢的制备方法，其特征在于，所述真空脱气装置 中的绝对压强为30 65Pa。
9.如权利要求3所述的球磨机钢球用钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，连 铸时，中间包中的钢水的过热度为15 30°C。
10.如权利要求3所述的球磨机钢球用钢的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，预 热时，均热温度为1180 1220°C，预热时间大于或等于2. 5h，轧制时，开轧温度为1080 1150°C，终轧温度为850 IOOO0C0
全文摘要
本发明涉及一种球磨机钢球用钢及其制备方法，所述钢的组成按重量百分比计为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％，余量为Fe和不可避免的杂质；所述制备方法包括冶炼、炉外精炼、连铸和连轧。根据本发明的钢具有高硬度、高强度和高耐磨性的特点并且生产周期短、生产成本低，可以替代高合金耐磨钢用作球磨机钢球。
文档编号B02C17/20GK101962734SQ20101029473
公开日2011年2月2日 申请日期2010年9月28日 优先权日2010年9月28日
发明者倪友来, 刘金玲, 卢栋, 孙永喜, 张君平, 杨密平, 范夕荣, 赵冠夫, 马传庆 申请人:莱芜钢铁股份有限公司