Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II (Санкт-Петербург, Россия)

О. Ю. Ганзуленко, доцент кафедры материаловедения и технологии художественных изделий, к-т техн. наук, Ganzulenko_OYu@pers.spmi.ru

Д. Е. Ведин, студент кафедры материаловедения и технологии художественных изделий, vedin17@mail.ru

АО «Северсталь менеджмент» (Череповец, Россия)
И. А. Никишин, ведущий эксперт, i.nikishin@severstal.com
П. С. Жителев, старший менеджер, ps.zhitelev@severstal.com
А. Р. Андреев, старший менеджер, ar.andreev@severstal.com

Стальные шары, используемые в качестве мелющих тел шаровых барабанных мельниц, являются важной частью измельчительного оборудования в горнорудной, угольной, цементной и других отраслях промышленности. Для осуществления эффективного процесса переработки руды необходимо обеспечить качество и надежную эксплуатацию стальных мелющих шаров, основными параметрами которых являются твердость, износостойкость и ударостойкость. Выбор этих параметров следует проводить с учетом особенностей процесса измельчения. ГОСТ 7524–2015 «Шары мелющие стальные для шаровых мельниц. Технические условия» [1] регламентирует требования к твердости стальных мелющих шаров и классифицирует их по группам твердости. Данная статья рассматривает возможности обеспечения более высокой группы твердости стальных мелющих шаров за счет оптимизации режима термической обработки с подбором основных технологических параметров. Одной из причин пониженной твердости шаров после термической обработки является присутствие в структуре стали остаточного аустенита и обезуглероживание поверхности. Были проведены испытания по измерению твердости шаров по сечению и исследования по определению количества остаточного аустенита в микроструктуре шара, а также по определению распределения остаточного аустенита по сечению. Во время проведения исследования была сформирована база данных, проведена статистическая обработка полученных результатов, рассчитана объемная твердость шаров. В результате проведенных экспериментов были выявлены зависимость твердости мелющего шара от процентного количества остаточного аустенита в микроструктуре и зависимость количества остаточного аустенита в микроструктуре шара от температуры нагрева под закалку, а используемые параметры термической обработки стальных шаров могут быть рекомендованы для производства шаров пятой группы твердости.

1. GOST 7524–2015. Grinding steel balls for ball mills. Specifications. Introduced: 01.11.2016.
2. Kozlovsky V. I., Vaitekhovich P. E. Grinding of materials in a stirred ball mill. Transactions of BSTU. Chemistry and Technology of Inorganic Substances. 2012. No. 3. pp. 126–129.
3. Elves Matiolo, Hudson Jean Bianquini Couto, Neymayer Lima, Klaydison Silva, Amanda Soaresde Freitas. Improving recovery of iron using column flotation of iron ore slimes. Minerals Engineering. 2020. Vol. 158. 106608. DOI: 10.1016/j.mineng.2020.106608
4. Shishkin E. V., Kazakov S. V. Energy-efficient equipment for disintegration of extremely strong materials. Gornyi Zhurnal. 2021. No. 11. pp. 53–59.
5. Pelevin A. E. Reduction of iron ore grinding stages through the use of fine screening in a closed cycle. Chernye Metally. 2022. No. 12. pp. 4–9.
6. Vaisberg L. A., Korovnikov A. N., Trofimov V. A. Innovative re-equipment of screening circuits based on innovative equipment (to commemorate the 100th anniversary of the Mekhanobr Institute). Gornyi Zhurnal. 2017. No. 1. pp. 11–17.
7. Krutilin A. N., Bestuzhev N. I., Bestuzhev A. N., Kalenkovich D. N. Grinding Media: Challenges and Prospects. Lityo i metallurgiya. 2009. No. 4 (53). pp. 26–33.
8. Fedotov E. S., Adigamov R. R., Nikishin I. A., Smirnov M. A., Andreev A. R., Karlina A. I. Establishing requirements for the impact and wear resistance of grinding balls. Chernaya metallurgiya. Byulleten nauchno-tekhnicheskoy i ekonomicheskoy informatsii. 2024. Vol. 80. No. 9. pp. 39–47.
9. Piirainen V. Yu., Nikitina T. Yu. Advances in the manufacture of cast armor plates for ball mills. Liteynoe proizvodstvo. 2020. No.3. pp. 36–41.
10. Umansky A. A., Baydin V. V., Simachev A. S. Investigation of the effect of chemical composition of steels used for grinding ball production on their deformation characteristics. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Chernaya Metallurgiya. 2024. No. 67 (6). pp. 637–643. DOI: 10.17073/0368-0797-2024-6-637-643
11. Shemyakin S. A., Shishkin E. A. Physical and mathematical model of rock destruction by a milling machine cutter. Journal of Mining Institute. 2021. Vol. 251 (3). pp. 639–647. DOI: 10.31897/PMI.2021.5.3
12. Osipova N. V. Selection of control algorithm parameters for the load of a wet iron ore autogenous grinding mill. Gorny informatsionno-analiticheskiy byulleten. 2021. No. 10. pp. 146–156. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_10_0_146
13. Vinogradov Yu. I., Khokhlov S. V., Zigangirov R. R., Miftakhov A. A., Suvorov Yu. I. Optimization of specific energy consumption for rock fragmentation by blasting at deposits with complex geological structure. Zapiski Gornogo instituta. 2024. Vol. 266. pp. 231–245.
14. Maksarov V. V., Khalimonenko A. D., Olt Yu. Improvement of efficiency of metal recycling in metallurgical production. Chernye Metally. 2021. No. 3. pp. 45–51.
15. Krutilin A. N., Bestuzhev N. I., Bestuzhev A. N., Kalenkovich D. N. Grinding media: Challenges. Prospects. Lityo i metallurgiya. 2009. No. 4. pp. 26–33. DOI: 10.21122/1683-6065-2009-4-26-33
16. Nayzabekov A. B., Mukhametkaliev B. S., Arbuz A. S., Lezhnev S. N. Reduction of steel grinding ball consumption through the improvement of their production technology. Vesti vysshikh uchebnykh zavedeniy Chrnozemya. 2016. No. 4 (46). pp. 78–86.
17. Pyshmintsev I. Yu., Bityukov S. M., Gusev A. A. Effect of retained austenite on the mechanical properties of 15% Cr steel. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Chernaya Metallurgiya. 2023. No. 66 (5). pp. 571–579. DOI: 10.17073/0368-0797-2023-5-571-579
18. Tikhonova I. V., Grinberg E. M., Markova E. V. Influence of chemical composition on the amount of retained austenite and the susceptibility of steel to secondary hardening. Izvestiya TulGU. Technicheskie nauki. Mashinostroenie i mashinovedenie. 2012. No. 1. pp. 111–120.
19. Sadovsky V. D., Shtishevskaya N. V. On the influence of cooling rate on the amount of retained austenite. Trudy UFAN. 1937. Iss. 9. pp. 45–61.
20. Sun L., Wan J., Zhang J., Wang F., Yuan G., Wang G. The Influence of Tempering Temperature on Retained Austenite and Ductility–Toughness of a High-Strength Low-Carbon Alloyed Steel. Crystals. 2023. No. 13 (8). pp. 1194. DOI: 10.3390/cryst13081194
21. Dzhabbarov S. N., Pryakhin, E. I. Development of Heat Treatment Mode with Quenching in Different Quenching Environments for the Casing Pipe in Order to Obtain the Required Mechanical Properties. Key Engineering Materials. 2020. Vol. 836. pp. 41–45. DOI: 10.4028/www.scientific.net/kem.836.41
22. Mohanty O. N. On the stabilization of retained austenite: mechanism and kinetics. Materials Science and Engineering. 1995. No. 32 (3). pp. 267–278. DOI: 10.1016/0921-5107(95)03017-4
23. Bazhin V. Yu., Bashar Issa. Effect of heat treatment on the microstructure of steel coils in a tubular heating furnace. Zapiski Gornogo instituta. 2021. Vol. 249. pp. 393–400. DOI: 10.31897/PMI.2021.3.8
24. Sugimoto K., Iida T., Sakaguchi J., Kashima T. Retained Austenite Characteristics and Tensile Properties in a TRIP Type Bainitic Sheet Steel. ISIJ International. 2000. No. 40. pp. 902–908. DOI: 10.2355/ISIJINTERNATIONAL.40.902
25. Qu Z., Lei M., Chen G., Huang C., Liu D., Luo A. Kinetics of Martensite/Austenite Decomposition during Tempering of Ultrafine Nano-Bainitic Steels. Materials. 2024. No. 17 (11). pp. 2690. DOI: 10.3390/ma17112690
26. Kaletin A. Yu., Kaletina Yu. V., Simonov Yu. N. Retained austenite in the structure of carbide-free bainite and its effect on the impact toughness of structural steels. Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov. 2023. No. 11. pp. 15–10.
27. Tsukanov D. V., Smirnova D. L., Petkova A. P., Shtertser V. V. Modeling of cooling mode during hardening of a large-sized rotor blank made of Cr–Ni–Mo–V steel. Chernye Metally. 2024. No. 9. pp. 29–36.
28. Shevchenko O. I., Trekin G. E., Rubtsov V. Yu., Kurochkin V. V. Heat treatment of grinding balls in conditions of a new ball-rolling mill. Vestnik Permskogo natsionalnogo issledovatelskogo politekhnicheskogo universiteta. Mashinostroenie, materialovedenie. 2019. Vol. 21. No. 3. pp. 110–117. DOI: 10.15593/2224-9877/2019.3.13
29. Sychkov A. B., Steblov A. B., Berezov S. N. On the selection of material and heat treatment parameters for steel grinding balls meeting current global market requirements. Lityo i metallurgiya. 2013. No. 3 (71). pp. 30–32.
30. Georgiev M. N., Kaletin A. Yu., Simonov Yu. N., Schastlivtsev V. M. Effect of retained austenite stability on the crack resistance of structural steel. Fizika metallov i metallovedenie. 1990. No. 1. pp. 113–121.
31. Popov G. G., Bolobov V. I., Oparina A. O., Shvets A. O. Effect of Hydrogenation on Hardness of Metallic Materials Used in Oil and Gas Industry. International Journal of Engineering, Transactions B: Applications. 2025. No.38 (2). pp. 295–303. DOI: 10.5829/ije.2025.38.02b.04
32. Schneyder D. A., Tatanov P. V., Yanyushkin A. R. Influence of high-temperature tempering and retained austenite on the characteristics of tool steel. Sistemy Metody Tekhnologii. 2023. No. 3 (59). pp. 46–51. DOI: 10.18324/2077-5415-2023-3-46-51
33. Ermakov B. S., Vologzhanina S. A., Ermakov S. B., Shvetsov O. V. Causes of accelerated failure of excavator bucket teeth crowns when operating in Arctic regions. Chernye Metally. 2024. No. 9. pp. 37–43.
34. Kuskov V. B., Iliin E. S. Using of thermal cycling to improve the strength properties of steel. CIS Iron and Steel Review. 2024. Vol. 27. pp. 60–65.
35. Pryakhin E. I., Pribytkova D. A. The influence of the quality of surface preparation of pipes for heating networks on their corrosion resistance during operation underground conditions. Chernye Metally. 2023. No. 11. pp. 97–102.
36. Shevchenko O. I., Lanovenko I. E., Rubtsov V. Yu., Oparin A. S. Pre-cooling of grinding balls before quenching: Modeling and Experiment. Vestnik PNIPU. Mashinostroenie. Materialovedenie. 2022. Vol. 24. No. 4. pp. 35–40. DOI: 10.15593/2224-9877/2022.4.04
37. Aissat S., Safa A. Improving grinding ball lifespan and efficiency through hardenability modelling and optimization. Advances in materials science. 2023. Vol. 23. No. 3 (77). pp. 1–16. DOI: 10.2478/adms-2023-0013
38. GOST 9013-59. Metals. Method of measuring Rockwell hardness. Introduced: 01.01.1960.
39. Aga Ridhova, Rachman Kurnia. Effect of heat treatment on the formation of martensite from retained austenite of 4340 alloy steel. AIP Conf. Proc. 2021. Vol. 2382. Iss. 1. pp. 070004. DOI: 10.1063/5.0060031