CN105821312B

CN105821312B - 一种低碳中合金湿式球磨机用衬板及其制备方法

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Publication number: CN105821312B
Application number: CN201610170138.5A
Authority: CN
Inventors: 宋仁伯; 谭志东; 彭世广; 蔡长宏; 冯帆; 冯一帆
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2017-07-04
Anticipated expiration: 2036-03-23
Also published as: CN105821312A

Abstract

一种矿山湿式球磨机用新型低碳中合金衬板及制备方法，属于金属材料技术领域。其特征是所述衬板按重量百分比的化学成分：C 0.15～0.3％,Si 0.3～0.6％,Mn 1.0～1.5％,Cr 4.0～6.0％,Cu 0.8～1.2％,B 0.001～0.003％,RE(Y)0.1～0.4％,P,S≤0.03％，余量为Fe及不可避免杂质。制备步骤采用中频感应电炉冶炼的工艺，熔炼温度为1580～1620℃；出钢温度为1600～1620℃，出钢前在钢包内加入稀土变质剂；浇铸成型的浇铸温度为1550～1570℃，浇铸前铸型在200～400℃之间预热，并在铸型型腔内吹氩气保护；热处理工艺采用完全退火+油淬+低温回火或者是完全退火+正火+低温回火方式，本发明具有较高的硬度和韧性，能够满足湿式球磨机衬板的抗冲击性，生产成本低、使用寿命长。

Description

一种低碳中合金湿式球磨机用衬板及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种矿山湿式球磨机用低碳中合金衬板及制备方法，属于金属材料技术领域。

背景技术

湿磨衬板一般用于矿山企业，由于在磨机工作时物料伴水混合冲刷，加之矿石成分复杂，且酸碱度较高，对衬板的腐蚀严重，所以湿磨衬板磨损严重，使用寿命较短。

衬板材料经过30多年的发展，经历了高锰钢、普通白口铸钢、镍硬铸铁、高铬白口铁到改性高锰钢和各种淬火回火工艺的中低合金钢的发展阶段。国内的实际应用中，仍以高锰钢为主，并未被中合金铸铁、中低合金马氏体钢所取代，这主要是由中低合金钢等本身质量、稳定性及工艺上存在的问题所决定的。目前的几种主流材质中，高锰钢韧性有余，耐磨性、耐蚀性均不足；高铬铸铁耐磨，但韧性较差；中低合金钢韧性和耐蚀性较差，因此这些材质综合的冲击腐蚀磨损性能并不好。

中国专利CN104498831A公开了一种湿磨机专用低碳中铬合金钢耐磨衬板，其含有的化学元素按重量百分比C：0.27～0.29％Si:1.5～1.8％Mn:0.8～1.1％Cr:1.8～2.2％Mo:0.2～0.5％Cu:0.2～0.5％Ti:0～0.4％B:28～29％Re:0～0.25％,余量为Fe。该材质硬度HRC45～48，冲击韧性140～150J·cm^-2，但该发明含有大量的B，成本很高。为了适应矿山严酷的工况，延长衬板使用寿命，提高湿磨机运转效率，研制一种成本低、韧性高、耐蚀性好、抗冲击性好的新材料迫在眉睫。

发明内容

为了克服目前湿式球磨机衬板的不足，本发明提供一种高强度、高韧性、耐蚀性耐磨性较好、生产成本较低、使用寿命长的湿式球磨机用衬板的制备方法与工艺。

为实现上述目的采用如下技术方案：衬板化学成分重量百分比为：C 0.15～0.3％,Si 0.3～0.6％,Mn 1.0～1.5％,Cr 4.0～6.0％,Cu 0.8～1.2％,B 0.001～0.003％,RE(Y)0.1～0.4％,P,S≤0.03％，余量为Fe及不可避免杂质。

一种矿山湿式球磨机用低碳中合金衬板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)配料：按合金成分的重量百分比选取优质碎钢板料、硅铁、增碳剂、纯锰、纯铜、高碳铬、硼铁、稀土等。

(2)熔炼：采用5t中频炉。配料后首先检查5t中频炉的电器及水循环系统，保证正常运转；修补好炉衬，保证炉衬干净无杂物；通过冷炉启动工艺，即炉料在红热后保温1h再大功率融化，可自动闭合；炉底加碎钢板料，再加增碳剂和纯铁，做到紧密堆放，同时避免对炉衬造成大的冲击；炉料熔化过程中，要注意勤捣料，利于炉料平稳快速下落熔化，防止搭桥及封盖的现象发生；炉料熔毕，打渣。温度达1580～1600℃时，取熔毕样进行元素分析，主要看C、P、S、B，需保证P、S在成分上线以下；补加增碳剂调节C含量，再加高碳铬铁、硅铁、纯锰、纯铜；合金充分熔化后，温度达到1600℃再次取样分析；然后根据分析结果调节各元素成分，再加入稀土；化学成分合格，进行出钢，出钢温度1600～1620℃。

(3)浇铸成型：钢液在钢包内镇静6～8min，然后进行浇注，浇铸温度为1550～1570℃，浇铸前铸型在200～400℃之间预热，并在铸型型腔内吹氩气保护；浇注时，按照基本浇注工艺守则进行浇注，遵循先大流，冒口上三分之一后收小流的原则，避免停流，保证平稳充型浇注。

(4)热处理：

Ⅰ.完全退火+油淬+低温回火：铸锭首先在900～950℃之间保温1～6h进行完全退火；油淬工艺制度:以80～100℃/h的加热速度加热至400～500℃，保温0.5～2h，再以150～200℃/h的加热速度加热至900～980℃，保温1～2h；低温回火：在200～300℃保温0.5～2h，空冷至室温。

Ⅱ.完全退火+正火+低温回火：铸锭首先在900～950℃之间保温1～6h进行完全退火；正火工艺制度：以80～100℃/h的速度常温加热到400～500℃，保温0.5～2h后，再以150～200℃/h的加热速度加热至880～960℃，保温1～2h后取出空冷至室温；低温回火：在200～300℃保温0.5～2h，空冷至室温。

优选的，其组分按重量百分比包括：C 0.2～0.25％,Si 0.4～0.5％,Mn 1.0～1.3％,Cr 4.0～6.0％,Cu 0.9～1.1％,B 0.001～0.003％,RE(Y)0.3～0.4％,P,S≤0.03％，余量为Fe及不可避免杂质。

优选的，所述步骤(2)中变质剂为Y基重稀土变质剂，变质剂颗粒尺寸小于10mm，经过160～180℃的温度烘烤后所得。

优选的，所述步骤(4)中铸锭首先在920～950℃之间保温2～4h进行完全退火。

优选的，所述步骤(4)Ⅰ中以80～90℃/h的加热速度加热至450～500℃，保温1～2h，再以180～200℃/h的加热速度加热至920～960℃，保温1～2h后进行油淬，随后在200～250℃保温1～2h，空冷至室温。

优选的，所述步骤(4)Ⅱ中以80～90℃/h的加热速度加热至450～500℃，保温1～2h，再以180～200℃/h的加热速度加热至940～980℃，保温1～2h后进行油淬，随后在200～250℃保温1～2h，空冷至室温。

铬可提高钢的淬透性，强化基体，也有利于韧性的提高，还能提高钢的耐磨性、耐蚀性。当铬>4％时，钢中就会出现高硬度M₇C₃型共晶碳化物。而铜能强化基体，是非碳化物形成元素，固溶于铁素体，也可以溶入奥氏体，稳定其性能，使强度和韧性同时上升。加入少量的铜具有类似于镍的作用，能提高钢的淬透性和基体的电极电位，提高耐腐蚀性能，在金属矿山弱酸介质工况作业环境下，以铜替换镍，可降低生产成本。在稀土改性方面，调研得知Y基重稀土的净化变质效果优于Ce基轻稀土。但加入过量可能恶化钢的性能。加入量一般依据[RE]/[S]的比值和稀土回收率确定。

本发明是为了避免现有高锰钢和中低合金钢等衬板用钢冲击磨蚀磨损性能较差、使用寿命较短的不足，提供一种矿山湿式球磨机用新型低碳中合金衬板及制备方法。该钢不添加贵重金属镍和钼，仅添加少量的铜和适量的铬，并用Y基重稀土改性，得到具有良好冲击磨蚀磨损性能低碳中合金衬板，而且成本较低。本发明方法制备的低碳中合金耐蚀衬板具备性能指标：热处理工艺Ⅰ：完全退火+油淬+低温回火：的硬度HRC＞45，标准V型缺口的冲击韧性＞31J/cm²；热处理工艺Ⅱ：完全退火+正火+低温回火：硬度HRC＞45，标准V型缺口的冲击韧性＞35J/cm²。

附图说明

图1为热处理工艺Ⅰ：完全退火后，油淬+低温回火；

图2为热处理工艺Ⅱ：完全退火后，正火+低温回火；

图3为本发明衬板铸件经过940℃-2h完全退火+940℃-1.5h油淬+200℃-1h回火的金相组织；

图4为本发明衬板铸件经过940℃-2h完全退火+960℃-1h正火+200℃-1.5h回火的金相组织。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明了，以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

本发明的设计依据是：

碳：含C量是决定钢硬度的主要元素。当碳含量在0.15～0.30％范围内，在钢种其它元素匹配下，力学性能可达HRC48～55，ak＝50～150J/cm²；当含碳量较低时(<0.3％)，其淬火后的显微组织为板条马氏体+残余奥氏体或者板条马氏体+贝氏体+残余奥氏体；当碳含量大于0.30％时硬度有所增加，但韧性下降明显。因此本设计选择C:0.15～0.30％。

铬：Cr提高钢的淬透性、固溶强化基体，还能提高钢的耐磨性、耐蚀性。在回火时阻止或延缓碳化物析出与积聚，使其保持分散，有利于提高强度和硬度，且性能稳定。但Cr含量过高，易形成柱状晶和枝晶偏析，降低钢的导热性，易在铸造中形成热裂并促使回火脆性产生；含量过低时，其淬透性不足。考虑生产成本，因为Cr是较贵重的合金元素，因此本设计选择Cr:4～6％。

铜：Cu是固溶强化基的主要元素，能强化铁素体，都能改善钢的耐蚀性。少量的Cu具有类似于Ni的作用，提高钢的淬透性和基体的电极电位，提高耐腐蚀性能，在金属矿山弱酸介质工况作业环境下，以Cu替换Ni，可降低生产成本。因此本设计选择Cu:0.8～1.2％。

硅：Si能阻碍回火过程中碳化物晶核的形成和长大，抑制回火脆性，不会在铁素体前沿析出碳化物，增加了残余奥氏体的稳定性，提高马氏体的回火稳定性。因此本设计选择Si:0.3～0.6％。

锰：一定的Mn含量可有效提高奥氏体基体的稳定性，从而提高材料的韧性。但Mn是过热敏感性元素，加热温度过高会引起晶粒粗大，增加回火脆性和残余奥氏体量。因此本设计选择Mn:1.0～1.5％。

硼：微量元素B可细化晶粒、改善韧性，还可在与Mn配合下获得空冷贝氏体钢。B是强烈稳定奥氏体元素，可替代Ni、Cr、Mo等贵金属以显著提高钢的淬透性，当固溶在钢中的B含量为0.001～0.003％时提高淬透性最为明显，B作为微量元素加入钢中，能显著提高钢的淬透性，添加0.001％的B对提高钢淬透性的效果就相当于添加2％的Ni和0.2％的Mo；含B量超过0.005％时，韧性降低，所以必须严格控制钢中的含B量。因此本设计选择B:0.001～0.003％。

磷、硫：P和S均为有害元素，易产生MnS以及P的共晶，分布在晶界上，降低材料的冲击韧性(a_k)；随着P含量的增加，衬板的使用寿命降低，其含量越低越好。因此必须严格控制S、P含量，因此:P、S<0.03％。

稀土元素：RE可改善铸态结晶组织，细化晶粒，增加钢的致密度，改善夹杂物性质、形态和分布，降低有害杂质元素在晶界的偏析程度，使钢的韧性得到提高，对钢的耐蚀性也有一定的影响。变质剂在出钢前10min将已预热的稀土变质剂(≤0.4％钢液重量)加入钢包底部稀土的加入量一般依据[RE]/[S]的比值和稀土回收率确定，回收率在10％～30％之间。由经验公式[RE]/[S]＝2.0～2.5，计算出稀土加入量＝0.4％。所以本设计选择0.4％RE(Y基重稀土)。

实施例1

低碳中合金湿式球磨机用衬板按重量百分比的化学成分：C 0.2％,Si 0.4％,Mn1.1％,Cr 4.5％,Cu 0.9％,B 0.002％,RE(Y)0.3％,P,S≤0.03％，余量为Fe及不可避免杂质。

低碳中合金湿式球磨机用衬板及制备方法，包括以下步骤：

(4)热处理：

完全退火+油淬+低温回火：铸锭首先在940℃之间保温2h进行完全退火；油淬工艺制度：以80℃/h的加热速度加热至450℃，保温2h，再以200℃/h的加热速度加热至940℃，保温1.5h；低温回火：在200℃保温1h，空冷至室温。

实施例2

设计成分及配料、熔炼和浇铸成型步骤同实施例1。

热处理工艺如下：完全退火+正火+低温回火：铸锭首先在940℃之间保温2h进行完全退火；正火工艺制度：以80℃/h的速度常温加热到450℃，保温2h后，再以200℃/h的加热速度加热至960℃，保温1h后取出空冷至室温；低温回火：在200℃保温1.5h，空冷至室温。

实施例3

设计成分其组分按重量百分比包括：C 0.25％,Si 0.5％,Mn 1.3％,Cr 5.5％,Cu1.1％,B 0.002％,RE(Y)0.4％,P,S≤0.03％，余量为Fe及不可避免杂质。

配料、熔炼和浇铸成型步骤同实施例1。

热处理工艺为完全退火+油淬+低温回火：铸锭首先在940℃之间保温2h进行完全退火；油淬工艺制度：以80℃/h的加热速度加热至450℃，保温2h，再以200℃/h的加热速度加热至940℃，保温1.5h；低温回火：在200℃保温1h，空冷至室温。

实施例4

设计成分同实施例3，配料、熔炼和浇铸成型步骤同实施例1。

热处理工艺为完全退火+正火+低温回火：铸锭首先在940℃之间保温2h进行完全退火；正火工艺制度：以80℃/h的速度常温加热到450℃，保温2h后，再以200℃/h的加热速度加热至960℃，保温1h后取出空冷至室温；低温回火：在200℃保温1.5h，空冷至室温。

Claims

1.一种矿山湿式球磨机用低碳中合金衬板，其特征在于：所述衬板钢的组织为板条马氏体及少量残余奥氏体，按重量百分比的合金成分为：

余量为Fe及不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述矿山湿式球磨机用低碳中合金衬板的制备方法，其特征是所有合金成分经过配料、熔炼、浇铸成型以及热处理，具体步骤是：

(1)配料：按合金成分的重量百分比选取优质碎钢板料、硅铁、增碳剂、纯锰、纯铜、高碳铬、硼铁、稀土；

(2)熔炼：采用5t中频炉，配料后首先检查5t中频炉的电器及水循环系统，保证正常运转；修补好炉衬，保证炉衬干净无杂物；通过冷炉启动工艺，即炉料在红热后保温1h再大功率融化，可自动闭合；炉底加碎钢板料，再加增碳剂和纯铁，做到紧密堆放，同时避免对炉衬造成大的冲击；炉料熔化过程中，要注意勤捣料，利于炉料平稳快速下落熔化，防止搭桥及封盖的现象发生；炉料熔毕，打渣；温度达1580～1600℃时，取熔毕样进行元素分析，主要看C、P、S、B，需保证P、S在成分上限以下；补加增碳剂调节C含量，再加高碳铬铁、硅铁、纯锰、纯铜；合金充分熔化后，温度达到1600℃再次取样分析；然后根据分析结果调节各元素成分，再加入稀土变质剂；化学成分合格，进行出钢，出钢温度1600～1620℃；

(3)浇铸成型：钢液在钢包内镇静6～8min，然后进行浇注，浇铸温度为1550～1570℃，浇铸前铸型在200～400℃之间预热，并在铸型型腔内吹氩气保护；浇注时，按照基本浇注工艺守则进行浇注，遵循先大流，冒口上三分之一后收小流的原则，避免停流，保证平稳充型浇注；

(4)热处理，热处理制度分两种：

Ⅰ.完全退火+油淬+低温回火：铸锭首先在900～950℃之间保温1～6h进行完全退火；然后油淬、低温回火；

Ⅱ.完全退火+正火+低温回火：铸锭首先在900～950℃之间保温1～6h进行完全退火；然后正火、低温回火；

其中，所述步骤(2)中稀土变质剂为Y基重稀土变质剂，变质剂颗粒尺寸小于11mm，经过150～180℃的温度烘烤后所得；

其中，所述出钢温度的1600～1620℃，浇注温度为1550～1570℃。

3.根据权利要求2所述的矿山湿式球磨机用低碳中合金衬板的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)热处理第I步的油淬制度是：以80～100℃/h的加热速度加热至400～500℃，保温0.5～2h，再以150～200℃/h的加热速度加热至900～980℃，保温1～2h；低温回火是：在200℃～300℃保温0.5～2h，空冷至室温。

4.根据权利要求2所述的矿山湿式球磨机用低碳中合金衬板的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)热处理第Ⅱ步的正火制度是：以80～100℃/h的速度加热到400～500℃，保温0.5～2h后，再以150～200℃/h的加热速度加热至880～960℃，保温1～2h后取出空冷至室温；低温回火是：在200～300℃保温0.5～2h，空冷至室温。