高碳低铬多元素合金钢锻球 本发明属于耐磨材料领域，特别是一种制造锻球的高碳低铬多元素合金钢成分及其冶炼工艺和这种锻球的热处理工艺。
黑色冶金矿山选矿磨矿作业应用的磨矿介质(磨球)主要有铸铁球和锻钢球。目前大量应用的铸铁球主要有铬合金白口铁铸球和合金球墨铸铁球。铬合金铸铁球一般采用电炉熔炼，铁模或砂模铸造，经正火、淬火和回火处理，其铬含量为1.5～18％，还含有钼、铜等元素。其金相组织主要为珠光体。这种球的表面硬度为HRC45～55，冲击韧性3～5J/cm2。主要用于水泥行业。合金球黑铸铁一般采用冲天炉熔炼，铁模或砂模铸造，经过等温处理，金相组织为贝氏体或贝氏体-马氏体。表面硬度为HRC50，冲击韧性8～10J/cm2，部分应用于黑色冶金矿山选矿厂。
铸铁球存在的主要问题是冲击韧性低，表面硬度也不高，除高铬球超过HRC50以上外，其余都低于HRC50，一般在HRC45～48之间，不能满足黑色冶金矿山选矿厂大型球磨机使用要求，也难以降低钢球消耗。
黑色冶金矿山选矿厂普遍采用锻造钢球(简称锻球)，大部分是以中高碳普碳钢为原料，经过锻造、锻后余热淬火。这种钢球冲击韧性较高，但表面硬度只有HRC40左右，因此磨损快，消耗高。
目前较先进的技术是采用合金钢锻球，经过专门的热处理，包括正火、淬火和回火处理，其表面硬度达到HRC55左右，中心硬度HRC50左右，冲击韧性12J/cm2以上。表1为CAPITOL铸业公司的高碳多合金钢球典型样化学成分；表2为ARMCO公司铜钼低合金钢球典型样化学成分；表3为MAX/COP公司高碳多合金钢球典型样化学成分。
从上述合金钢锻球化学成分分析可知，较合适的碳含量范围为0.70～1.00％。普遍使用的锰含量为0.6～0.8或0.65～0.95，铬含量≤0.65。MAX/COP公司的锻球还含有钒。
所有这些公司所采用的冶炼方法都用电炉炼钢，以废钢为主原料，以其它铁合金为合金料。热处理过程为先正火，再采用专用淬火介质进行淬火，因此从冶炼到热处理的全过程，生产成本都比较高，在合金元素成分设计上也有不够合理的地方。
表1 CAPITOL铸业公司高碳多合金钢球典型样化学成分球径近似尺寸 化学元素含量 (％) 英寸 mm 碳 锰 硅 铬 钼 磷 硫 铁 1.5″ 38 0.87 0.80 0.37 0.18 0.02 0.060max 0.070max余量 2″ 50 0.87 0.80 0.37 0.30 0.02 0.060max 0.070max余量 2.5″ 65 0.87 0.80 0.37 0.45 0.02 0.060max 0.070max余量 3″ 76 0.87 0.80 0.37 0.55 0.02 0.060max 0.070max余量 3.5″ 90 0.87 0.80 0.37 0.60 0.02 0.060max 0.070max余量 4″ 100 0.87 0.80 0.37 0.60 0.20 0.060max 0.070max余量 4.5″ 115 0.87 0.80 0.37 0.60 0.02 0.060max 0.070max余量 5″ 127 0.75 0.70 0.37 0.50 0.02 0.060max 0.070max余量
表2 ARMCO公司铜钼低合金钢球典型样化学成分 元 素 含量(％) 元 素 含量(％) 碳 0.70～1.00 铜 ≤0.45 锰 0.65～0.95 铬 0.15～0.65 硅 0.15～0.45 钼 0.02～0.20 磷 ≤0.04 镍 ≤0.25 硫 ≤0.05 铁 余量
表3 MAX/COP公司高碳多合金钢球典型样的化学成分
本发明的目的是提供一种适合于生产锻球的合金钢化学成分，除了碳、锰、硅、铬、钼、钒之外，还含有钛元素，整个合金成分重新进行优化。
本发明的另一个目的提供一种用于制造锻球的合金钢冶炼方法，以铬钒钛铁为主要原料，采用在氧气顶吹转炉中用恒压变枪位操作法炼钢，获得符合要求的钢水。
本发明的又一个目地是提供一种间歇式水淬火加回火的热处理工艺，以达到降低成本、提高钢球性能的目的。
按照本发明，首先进行成分设计。
首先将含碳量控制在0.70～0.90％范围内，使钢球具有良好的淬透性，并使钢球具有可能获得的最高硬度。
其次是将铬含量控制在0.90～1.40％范围内，铬元素使热处理转变速度减慢，S曲线右移，淬透性增加，减慢碳化物的形成、析出和聚集，提高钢的回火稳定性。
镍、钼、铜、钒等元素都是改善热处理性能的有用元素，来自于合金铁。在冶炼时应该尽量给予保留。
钛是本发明的特有元素，对于改善钢的性能很有用。
硅、锰含量参照优质碳素钢的成分选定。
按照本发明的制造锻球用的高碳低铬多元素合金钢的化学成分重量百分比为：碳0.70～0.90，硅0.22～0.32，锰0.50～0.65，铬0.90～1.40，磷≤0.05，硫≤0.05，钒≥0.02，钛≥0.001，钼≥0.01，镍≥0.05，铜≥0.02，余量为铁。
用来冶炼这种高碳低铬多元素合金钢的主要原料是含有铬、钒、钛等合金元素的合金铁。这种合金铁是铁合金厂、化工厂在提炼铬盐和V2O5过程所产生的含有毒性物质6价铬的铬尾渣为原料，配一定比例高品位铁精矿，经烧结、炼铁，生产出含铬、钒、钛的合金生铁，该工艺已获国家专利。
这种铁水含有较高的碳含量。其典型成分(重量百分比)为：碳3.80～4.42，锰0.65～0.91，硅0.60～1.70，铬1.70～2.10，钒0.28～0.36，钛0.20～0.50，硫0.040～0.10，磷0.06～0.10。
采用氧气顶吹转炉冶炼方式，由于冶炼时间短，降碳速度快，能保留较多的残余合金元素，而且生产成本低，比较适合于冶炼高碳低铬多元素合金钢。所采用的工艺制度是：熔池低料位，恒氧压、变枪位吹炼，快速适时化渣去除硫、磷等杂质，按照高拉碳补吹原则控制终点碳含量，具体地说：
1)熔池料位比常规料位低13～15％；
2)变枪位操作：开吹时高枪位，化渣后降低枪位，倒炉取样测温后第二次开吹枪位低于首次开吹枪位，化渣后缓慢地降低枪位、拉碳前降至最低枪位，最高枪位比常规吹炼低10～15％。
3)采用适时化渣法，终渣碱度比常规吹炼法高0.9～1.1，渣温度高90～110℃，渣中FeO＜10％。
4)高拉碳降碳速度为0.45～0.50％/min。
这种吹炼方法的特点是：前期保渣脱硫，尽量提高炉渣前期脱硫能力。因为铁水含硅较低，化学热源不足，部分进行配硅，以达到补充化学热不足，同时延缓脱碳时间。后期保铬脱碳，其措施是提高炉渣碱度，熔池温度保持高于1500℃，降低渣中(FeO)含量，将其控制在(FeO)＜10％范围内，从而达到脱碳保铬的目的。采用适时化渣法也有利于脱碳保铬，提高铬的回收率。
按照本发明的工艺冶炼出的高碳低铬多元素合金钢，符合本发明对制造锻钢球的高碳低铬多元素合金钢的成分要求。表4给出几炉典型钢水的成分。
与表1、表2、表3所给出的成分相比，本发明的制造锻钢球用高碳低铬多元素合金钢的成分具有下列特点：
1)增加了微量元素钛(Ti)。
2)锰含量低于现有各种钢，
表4 高碳低铬多元素合金钢典型成分，重量％
3)铬含量明显超过现有各种钢；
4)铜、镍含量明显低于现有钢种(ARMCO公司的)。
炼好的钢水直接进入连铸机铸出符合锻球要求规格的连铸坯或小钢锭，用来锻造钢球。钢球的尺寸为40mm～127mm。
对锻造好的钢球进行热处理。按照本发明的热处理工艺的特点是不进行正火，采用间歇式水淬火加回火工艺。
1)淬火工艺为：加热到840～860℃，保温2～3个小时，然后在25～55℃的水中进行间歇式淬火，即先淬火1～3.5分钟，出水空冷0.5分钟，再入水淬火0.5～2分钟。
2)回火温度为220℃，保温3小时后空冷。
间歇式水淬时间随锻球直径不同而改变。对于127mm锻钢球，所述的间歇式淬火工艺为：加热到840～860℃，保温2～3小时，在水中先淬火3.5分钟，然后出水空冷0.5分钟，再入水淬火2分钟。
对于100mm的锻球，所述的间歇性淬火工艺为：加热到840～860℃，保温2～3小时，在水中先淬火2.3分钟，出水空冷0.5分钟，再入水淬火1.2分钟。
对于80mm和60mm及60mm以下的锻钢球，加热到840～860℃，保温2小时，先入水淬火1.5和1.0分钟，然后出水空冷0.5分钟，再入水淬火1分钟和0.5分钟。
采用这种热处理工艺的优点是：成本低，水是最廉价的淬火介质，不经过正火处理，间歇式水淬有效地防止了钢球的脆裂，经处理的钢球性能完全符合要求。经检验，热处理后的锻球机械性能如下：
表面硬度HRC53～56，
中心部分HRC47～50，
冲击韧性12～14J/cm2，
落球冲击疲劳寿命20000次以上，
金相组织为回火马氏体加颗粒状碳化物。
采用本发明的锻球可使黑色冶金矿山选矿生产成本显著降低，在某矿山对难磨矿的使用表明，一次球磨使用低铬合金铸球和中高碳余热淬火锻钢球，每处理一吨原矿石消耗磨球1.707公斤，应用本发明原矿石消耗磨球1.365公斤，即降低0.342公斤，降低幅度为20％。下表列出了试验期内各项选矿指标对比。
表5 使用常规球和高碳低铬多元素合金钢锻球选矿指标对比
实施例
下面以在55m2高炉和3吨转炉中冶炼本发明的制造锻钢球的高碳低铬多元素合金钢为例，对本发明作进一步说明。
高炉冶炼铬、钒、钛合金铁的方法为已获专利权的方法。
冶炼高碳低铬多元素合金钢必须达到降碳、保铬、尽量减少其它合金元素烧损的目标。采用氧气顶吹转炉吹炼，由于冶炼时间短，降碳速度快，能保留较多的合金元素。在本实施例中，以铬钒钛铁为原料，不加废钢和其他合金元素，按照本发明的吹炼工艺进行吹炼。
1)控制熔池装料深度不得超过600mm，比常规吹炼工艺低100mm，以减少熔渣吹损，提高铬的回收率。
2)采用恒压变枪位操作，如附图所示，开吹时枪位控制在900～950mm，化渣后枪位降至700～720mm，吹炼7～10分钟，倒炉测温取样后，第二次开吹，枪位控制在850～900mm，二次化渣后枪位缓慢降至700～650mm，在拉碳前2分钟降至600mm。
3)根据铁水含硫量确定造渣制度，当铁水含硫量＜0.07％时，适时化渣法采用单渣操作：在开始吹炼时加入石灰量的5～10％萤石强制化渣，化渣后降低枪位吹炼，快速升温，降低渣中(FeO)含量，渣碱度控制在2.0～2.5，温度控制在1500℃以上，渣中(FeO)控制在10％以下，倒炉测温取样后，再次开始吹炼，加入石灰量的0～5％萤石促进化渣，将终渣碱度控制在3.0～3.5，渣中(FeO)控制在10％以下。
当铁水含硫量≥0.07％时，适时化渣法采用双渣操作：在开始吹炼时加入石灰量的5～10％萤石强制化渣，促进脱硫，倒炉测温取样时倒出总渣量的三分之一，渣碱度控制在2.0～2.5，渣温度控制在1500℃以上，渣中(FeO)控制在10％以下，再次开始吹炼时加入石灰量的0～5％萤石促进化渣，终渣碱度控制在3.0～3.5，渣中(FeO)控制在10％以下。
4)终点控制。采用高拉碳补吹控制终点碳，根据检测分析结果，高出中限部分含碳量多少确定补吹时间，降碳速度为0.45～0.50％/min。
将所炼出的钢水在100×100mm方坯连铸机中铸成小方坯，然后锻造成127mm，100mm，80mm，60mm的钢球。经热处理后检测，硬度和韧性均达到要求。
这套设备可年产高碳低铬多元素合金钢锻球25000吨，并在某钢铁公司一选矿车间使用，预计每年可获效益136.7万元。若在全公司推广应用，年效益可达千万元。