高碳磨球用钢的研究与开发

卢乃双 梁 娜 况兴宇

（山东钢铁股份有限公司）

0 引言

磨球是广泛应用于冶金、矿山、建材和电力等行业的主要易损件，全球年消耗量在2 000万吨以上。伴随着矿山开采业的飞速发展，对磨球用钢的质量提出了较高的要求，要求其具有良好的内部质量及耐磨性，整体硬度的均匀性要好，并且要有良好的韧性，以降低在矿料破碎中耐磨材料的消耗。

传统的磨球制造工艺为铸造，材料主要有高碳钢和高铬合金钢两种，在使用过程中破碎率高、冲击韧性小，球越大、磨机越大，产生破碎的几率也就越大等原因，使其不能满足矿山机械发展的需求。锻造、轧制磨球具有生产效率高，所生产的磨球表面光滑，内部致密、晶粒度高，球的抗跌落性和冲击韧性较强，球的破碎率低等特点。以轧代铸、以轧代锻工艺成为耐磨球生产的主要方式，特别是随着转炉—连铸特殊钢冶炼生产技术的日趋成熟，耐磨球用钢的生产主要采用连铸—连轧生产圆棒，进而轧球的生产工艺。笔者论述了采用电炉短流程生产高碳磨球用钢的关键技术及产品的实物质量。

1 钢的主要技术要求

1.1 化学成分

钢的化学成分（熔炼分析）应符合表1的规定。

表1 钢的化学成分

1.2 低倍组织

钢材的横截面酸浸低倍组织试片上不得有目视可见的缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻皮、白点、晶间裂纹等缺陷。酸浸低倍组织级别应符合表2的规定。

1.3 非金属夹杂物

钢材应按ASTM E45进行非金属夹杂物检验，按A法评定，其合格级别应符合表3的规定。

表2 低倍组织

表3 非金属夹杂物

1.4 晶粒度

按ASTM E112测定钢材的奥氏体晶粒度，合格级别6～8级。

1.5 硬度

钢材交货硬度为270～350 HB。

1.6 表面质量

清除深度从钢材的实际尺寸算起，不得超过钢材公称尺寸公差。清除宽度不小于深度的5倍，同一截面达到最大清除深度不应多于1处。允许有从实际尺寸算起，不超过尺寸公差之半的个别细小划痕、压痕、麻点以及深度不超过0.2 mm的小裂纹存在。

钢材端部整齐，两端不能有毛刺和横切裂纹。

2 工艺流程及控制要点

2.1 工艺流程

配料（热装40%以上铁水）→50 t电炉→LF炉精炼＋VD真空脱气处理→连铸→入坑缓冷/热送→轧制成材。

2.2 关键技术

2.2.1 高碳磨球钢的内控成分设计

高碳磨球用钢对钢材的强度、硬度及耐磨性具有很高的要求，根据提供的DI目标值及其计算公式设计碳、硅、锰、铬等主要元素的内控成分。

碳是影响钢强度、硬度、韧性及淬透性、耐磨性的至关重要的元素。碳含量过高，热处理后形成的高碳马氏体硬度高，但韧性低，易形成裂纹；碳含量过低，硬度低，耐磨性不佳，由于产品标准要求碳含量不小于0.90%，因此碳含量内控按下限控制。锰对钢的硬度和冲击韧性影响很大，并且可以显著提高淬透性，而硬度随锰含量的提高而上升，冲击韧性则随之下降。锰和铁形成固溶体，可以提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，同时它又是碳化物形成元素，可以进入渗碳体中取代一部分铁原子；锰在钢中由于降低临界转变温度，起到细化珠光体的作用，间接地起到提高珠光体钢强度的作用，因此锰元素按中限控制。铬是耐磨材料的基本元素，主要作用是提高钢的淬透性，同时固溶强化基体，细化组织，显著改善钢的抗氧化作用，铬与铁形成连续固溶体，与碳形成多种化合物，铬的复杂碳化物（Cr，Fe）7C3对于钢的性能有显著的影响，特别是可以提高钢的耐磨性。在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，因此铬元素按中限控制。同时，为满足晶粒度6～8级的要求，加入适量的钛、铝以细化晶粒，钛：0.010%～0.040%，铝：0.010%～0.030%。

2.2.2 高碳磨球钢的均匀性控制

高碳合金钢由液态向固态转变时，由于元素的偏析易形成液析，碳化物液析对钢的耐磨性影响很大，暴露在表面时容易引起剥落，是疲劳裂纹的发源地，容易引起产品硬度不均匀、力学性能各向异性，增大淬火时的开裂倾向。

为了满足钢材硬度均匀性、低倍组织、晶粒度的要求，加强钢的均匀性控制，VD后适当延长软吹时间；连铸过程采用合适的浇铸温度和二冷配水，确保电搅正常使用；在加热过程中，按轴承钢加热制度进行加热，达到均热温度后保温时间不少于2.0 h，确保加热均匀，防止脱碳和粘炉，控制终轧温度900～980 ℃，压缩比不得小于14。

2.2.3 高碳磨球钢的洁净度控制

为防止因非金属夹杂物导致的磨球的过早失效，需要严格控制钢材的氧含量和非金属夹杂物。

电炉冶炼过程前期充分促进炉渣的脱碳、脱磷反应，减少吸氮，全过程造泡沫渣操作；严格控制终点[C]≥0.10%，[P]≤0.015%，控制出钢温度在1 620～1 640 ℃之间，出钢过程采用“增碳剂+复合脱氧剂+合成渣”的预脱氧工艺。LF精炼白渣保持时间大于20 min；取一次样前，喂入铝线，降低溶解氧含量，增强脱硫效果，LF出钢前喂入Ti线。对钢水进行真空脱气，真空处理后软吹，控制软吹氩流量。连铸全程保护浇注，采用大包长水口、整体中间包及GCr15连铸保护渣，中包覆盖剂与碳化稻壳配合使用，以防止钢水二次氧化。

2.2.4 高碳磨球钢的缓冷工艺研究

为防止高碳钢 冷却快/冷却不均匀造成应力裂纹，连铸坯落地缓冷，入坑缓冷时间大于24 h，出坑温度不大于250 ℃。

3 产品实物质量

3.1 化学成分

高碳磨球钢的 C、Si、Mn、P、S、Cr、Ti、Al成分主要集中范围见表4，钢材的化学成分控制稳定。

表4 钢材的化学成分

3.2 硬度

硬度的统计结果如图1所示。

图1 硬度统计结果

从图1可以看出，硬度范围为285～321 HB，控制较稳定，符合钢材硬度要求。

3.3 低倍组织

钢材的低倍组织级别为一般疏松0.5级，中心疏松0.5～1级，偏析0.5级，中心偏析0～1级，无其他低倍缺陷。

3.4 非金属夹杂物

对钢材的非金属夹杂物进行统计，A细1级，A粗0～0.5级；B细0～1.5级，B粗0～1.5级；C细0级，C粗0级；D细0～0.5级，D粗0级；钢材的洁净度较高。

3.5 晶粒度

对钢材的晶粒度进行统计，结果如图2所示。晶粒度级别6.5～8级，符合技术要求。

综合以上统计结果可以看出，生产的高碳磨球钢各项性能均能很好的满足技术要求，且性能稳定，洁净度高，具有良好的综合性能。

图2 晶粒度统计结果

4 结论

（1）采用50 t电炉短流程生产工艺开发了高碳磨球用钢，生产工艺稳定可行，生产的产品的各项性能可以满足磨球用钢的使用要求。

（2）生产的磨球用钢具有洁净度高、均匀性好，性能控制稳定等优点，综合性能良好。