一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法
【專利摘要】本發明公開了一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法，它具體包括選擇球磨設備和護甲材料，確定級配考核指標的水平范圍，確定能最有效反映實驗結果的對稱型水平實驗點，確定最經濟鉻系磨球，建立考核研究對象的力學性能目標體系，確定影響高耐磨性鑄造磨球質量的主要因素及其用量范圍，確定符合要求的磨球材料配方范圍和熱處理工藝條件范圍，建立鑄造工藝平臺和熱處理制度，獲得磨球成分和熱處理制度的最佳方案。本發明通過將大量動態變化因素得到有效的控制和預測，避免了產品在制造和產品使用的長期過程中存在的浪費大、效率低，成本高的問題，本發明能有效利用高速發展的信息技術、自動化與智能化技術加速該領域的技術進步。
【專利說明】
一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法
技術領域
[0001] 本發明涉及磨球領域，具體涉及是一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的 可視化方法。
【背景技術】
[0002] 中國耐磨材料產業市場規模快速增長，整體制造水平不斷提高。隨著國民經濟穩 步發展，我國火力發電、冶金礦山、建材水泥等領域對耐磨球段的需求量也保持穩定增長的 態勢，僅國內耐磨球段的需求量2015年達到208.74萬噸，下表列出了2010 - 2015年，該類產 品國內需求量的增長情況：
[0003] 2010 - 2015國內耐磨鑄造磨球段市場需求量(萬噸）
[0004]
[0005] 據不完全統計，近年來，我國年各類耐磨球段的出口量為100萬噸一 150萬噸。可 見，該市場需求總量雖較大。
[0006] 球磨機磨球量化級配技術的科學研究方法按其發展水平可分為四個階段：
[0007] 1.試錯階段；
[0008] 2.正交實驗法(實驗周期、成本較高，且無法處理大樣本）；
[0009] 3.可視化信息處理的精準實驗法；
[0010] 4.使用智能化控制模型。
[0011] 在國外，近幾年來在磨球制造和使用領域已經開始摸索第三臺階和第四臺階的科 研方法及運用相關技術手段和工具制定、完善工藝，制造、使用和監控體現工藝"精髓"內容 的精美裝置，然而良莠不齊，進展緩慢。
[0012] 在國內，現今仍停留在應用正交實驗法進行科學研究和生產應用的第二階段上， 致使大量動態變化因素得不到有效的控制和預測，產品制造和產品使用長期存在的浪費 大、效率低，成本高的問題一直得不到解決;不能有效利用高速發展的信息技術、自動化與 智能化技術加速該領域的技術進步，發揮科技領跑作用的壓力越來越大。并且長期以來正 因為國內磨球制造技術、加工設備落后，生產工藝數十年不變，不重視精煉，致使鋼鐵液純 凈度差，變質效果不穩定，凝固過程存在大量偏析、變異和不穩定組織，導致內部組織不致 密和表面質量差;且磨球心部到表面的力學性能、使用性能不一致，直接影響了磨球的使用 壽命。由于受磨球材料、球磨裝備、物料特性、工作環境等多因素制約和交互性影響，迄今國 內外研究磨球問題都停滯在定性研究階段，對使用磨球產生的節能降耗和降低生產成本的 作用不顯著、不穩定，加上過分依靠經驗，造成無法推廣應用的"窘境"。
[0013] 為此，本案發明人，積多年對磨球的設計與制造經驗，提出一種高耐磨鑄造磨球成 分設計與熱處理制度的可視化方法以解決上述問題。

【發明內容】

[0014] 本發明的目的是提供一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法， 通過將大量動態變化因素得到有效的控制和預測，避免了產品在制造和產品使用的長期過 程中存在的浪費大、效率低，成本高的問題，本發明能有效利用高速發展的信息技術、自動 化與智能化技術加速該領域的技術進步。
[0015] 為達到上述目的，本發明的技術方案是：
[0016]本發明所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法，包括如 下步驟：
[0017] (1)根據已知磨料材料特性和生產能力的需求合理選擇球磨設備；
[0018] (2)按作業條件和使用壽命的需要選擇護甲材料；
[0019] (3)采用可視化方法一在確定N個級配考核指標后，列出影響N個級配考核指標的 影響因素并據工作經驗列出其水平范圍，所述N為整數；
[0020] (4)按可視化方法一在所述步驟(3)中已擬定的水平范圍內確定能最有效反映考 核指標的變化范圍的對稱型水平實驗點；
[0021] (5)將多種球徑的某種磨球按照一定比例以非整數倍設計，并結合所述步驟(4)得 出的對稱型水平實驗點進行實驗，通過對實驗結果的可視化方法一分析得出在使用某種材 質多種球徑磨球的最經濟磨球；
[0022] (6)以所述步驟(5)確定的最經濟磨球作為最佳材質磨球成分設計與熱處理制度 設計的研究對象，并通過文獻收集、分析與實驗結果和實際生產與應用經驗，建立考核所述 研究對象的力學性能目標體系，所述力學性能目標體系包括硬度、韌度及心部與表面硬度 均勻度三個力學性能目標，從而確定影響高耐磨性鑄造磨球質量的所述研究對象的用量范 圍；
[0023] (7)采用可視化方法二設計優化實驗進一步得到硬度、韌度和心部與表面硬度均 勻度三個力學性能目標都符合要求的最佳材質磨球成分設計范圍和熱處理制度工藝條件 范圍；
[0024] (8)建立與最佳材質磨球成分設計范圍相適應的鑄造工藝平臺，所述鑄造工藝平 臺為包括熔煉工藝、精煉工藝、變質工藝、成型工藝、凝固工藝等熱處理工藝所對應的熱處 理制度G^G^Gs. . .Gn下的鑄造工藝平臺，所述N為整數；
[0025] (9)根據步驟(8)中的鑄造工藝平臺構建熱處理制度實驗水平點，確定最佳材質磨 球的熱處理制度，并由此得出確定最佳材質磨球成分的可視化分析的最佳方案。
[0026] 優選地，步驟(3)中所述N個級配考核指標為四個，且四個級配考核指標具體為磨 機能耗、磨球磨耗、出粉率和生產成本降低率;步驟(3)中所述影響因素具體為六個，所述六 個影響因素分別為護甲材料、磨料材料、磨球裝載量、球徑配比、合金成分和熱處理制度;步 驟(5)中所述磨球的球徑具體四種。
[0027] 優選地，步驟(3)-(5)中所述可視化方法一為在實驗條件的設計、實驗結果的分析 乃至從實驗結果中優化影響因素水平范圍的過程中，通過科學繪制實驗影響因素與級配考 核指標之間的2.5D關系圖，從對多幅關系圖的綜合分析，從而得到"實驗條件的設計"、"實 驗結果的分析"和"實驗結果中優化影響因素水平范圍"目的，并對實驗數據中影響因素和 所述級配考核指標進行"影響因素4級配考核指標映射"的可視化分析方法。
[0028] 優選地，步驟(7)中所述可視化方法二為在實驗條件的設計、實驗結果的分析乃至 從實驗結果中優化影響因素水平范圍的過程中，通過科學繪制實驗影響因素與力學性能考 核指標之間的2.5D關系圖，從對多幅關系圖的綜合分析，從而得到"實驗條件的設計"、"實 驗結果的分析"和"實驗結果中優化影響因素水平范圍"目的，并對實驗數據中影響因素和 所述力學性能考核指標進行"影響因素-力學性能考核指標映射"的可視化分析方法。
[0029] 優選地，所述實驗條件的設計為將多個影響因素實驗設計分解為多個兩因素水平 安排，通過作圖方法不斷調節實驗水平，使得在每個兩因素空間實驗點呈近似均勻的分布 狀態。
[0030] 優選地，所述實驗結果的分析為以待分析的兩個影響因素作為橫縱坐標，以實驗 考核指標指標作為具體指標依據，制作2.5維圖，通過對圖的分析得知影響因素對考核指標 的影響規律，多個影響因素的情況分解為多幅2.5維圖操作;實驗結果中優化影響因素水平 范圍為通過疊加繪制所述多幅2.5維圖，尋找具體考核指標范圍的影響因素數值范圍，從而 達到尋求優良實驗結果優化實驗的目的。
[0031] 優選地，步驟(5)中所述最佳磨球裝載量為在實現正常出粉率的前提下，所得到的 最低生產成本為最佳磨球裝載量。
[0032] 優選地，步驟(4)中所述最經濟磨球為最經濟鉻系磨球，其合金成分的質量分數為 碳1.8-3.2%、硅 0.2-1.3%、錳 0.3-1.5%、鉻 7 -11 %、鐵83-88%、磷 0-0.04%、硫 0-0.04% 和變質劑0.4-1.2%。
[0033]優選地，步驟(4)中所述最經濟鉻系磨球合金成分中鉻含量優選為10.86%。
[0034] 優選地，步驟(8)和（9)中所述熱處理制度為一組熱學和時間參數，為便于研究考 核，采用遞增式連續設計。
[0035]本發明的有益效果在于，
[0036] (1)本發明將大量動態變化因素得到有效的控制和預測，避免了產品在制造和產 品使用的長期過程中存在的浪費大、效率低，成本高的問題，本發明能有效利用高速發展的 信息技術、自動化與智能化技術加速該領域的技術進步，重視精煉，保證鋼鐵液純凈度，使 得變質效果穩定，凝固過程不存在大量偏析、變異和不穩定的組織，從而保證內部組織致密 和表面質量好;并且使得磨球心部到表面的力學性能、使用性能一致，提高磨球的使用壽 命;從而節能降耗和降低生產成本；
[0037] (2)本發明在對3個考核指標(硬度、韌度、心部與表面硬度均勻度）、6因素、13水平 點組成的實驗體系中，運用可視化方法不僅以極少的實驗次數獲得了可視化方法設計優化 實驗可以得到硬度、韌度和硬度均勻度三個技術指標都符合要求的材料配方范圍和熱處理 工藝條件范圍；
[0038] (3)本發明采用多因素多水平的可視化實驗設計(m2VD)以及多因素多水平多目標 的可視化實驗結果分析和優化(m 2VA和m3V0)數字化技術，對實驗數據進行"影響因素-考核 指標映射"可視化分析，依據冶金、液態成型和凝固理論借助實驗手段研究"組織"的變化趨 勢，從而利于弄清磨球基本成分、合金元素、添加劑等與熱處理制度對磨球耐磨組織形成規 律和機理；
[0039] (4)本發明基于先進的熔煉工藝、精煉工藝、變質工藝、成型工藝、凝固工藝等鑄造 工藝平臺，進行磨球成分和熱處理制度的可視化分析獲得的最佳方案不僅可制造出耐磨性 能優良的磨球，且使生產企業以最低的生產成本得到較大的經濟效益。
【附圖說明】
[0040] 如圖1為本發明所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法 的高鉻磨球Fe用量不同時對硬度的影響平面示意圖；
[0041] 如圖2為本發明所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法 的高鉻磨球Fe用量不同時對硬度的影響三維示意圖；
[0042]如圖3為本發明所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法 的高鉻磨球Fe用量不同時對硬度的影響Cr截面截面示意圖；
[0043]如圖4為本發明所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法 的高鉻磨球Fe用量為84%時對硬度的影響曲線示意圖；
[0044] 如圖5為本發明所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法 的高鉻磨球C用量不同時對硬度的影響平面示意圖；
[0045] 如圖6為本發明所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法 的高鉻磨球C用量不同時對硬度的影響三維示意圖；
[0046] 如圖7為本發明所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法 的高鉻磨球C用量不同時對硬度的影響Cr截面示意圖；
[0047]如圖8為本發明所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法 的高鉻磨球C用量為2.6%時對硬度的影響曲線示意圖；
[0048]如圖9為本發明所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法 的熱處理工藝在該類高鉻磨球Fe的加入量不同時對硬度的影響示意圖；
[0049] 如圖10為本發明所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方 法的熱處理工藝在該類高鉻磨球Fe的加入量不同時對硬度均勻度的影響示意圖；
[0050] 如圖11為本發明所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方 法的熱處理工藝在該類高鉻磨球Fe的加入量不同時對韌度的影響示意圖；
[0051] 如圖12為本發明所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方 法的磨球材料中Cr含量在Fe的加入量不同時對材料硬度的影響示意圖；
[0052]如圖13為本發明所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方 法的磨球材料中Cr含量在C的加入量不同時對材料硬度的影響示意圖；
[0053]如圖14為本發明所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方 法的磨球材料中Cr含量在Si的加入量不同時對材料硬度的影響示意圖；
[0054]如圖15為本發明所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方 法的磨球材料中Cr含量在Μη的加入量不同時對材料硬度的影響示意圖；
[0055] 如圖16為本發明所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方 法的磨球材料中Cr含量在變質劑的加入量不同時對材料硬度的影響示意圖；
[0056] 如圖17為本發明所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方 法的磨球材料中多種成分含量的加入量不同時對材料硬度的影響2.5維示意圖；
[0057]如圖18為本發明所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方 法的磨球材料中Cr含量在Μη的加入量不同時對材料韌度的影響示意圖；
[0058]如圖19為本發明所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方 法的磨球材料中Cr含量在Fe的加入量不同時對材料韌度的影響示意圖。
【具體實施方式】
[0059] 下面結合附圖和具體實施實例對本發明做進一步詳細說明。
[0060] 將用于某電廠300MW機組磨球磨煤機的裝補球制度，降低了磨煤機的磨耗和電耗。 通過采用一種用于磨煤機作業的磨球量化級配技術確定含CrlO.86%左右的磨球是最經濟 的優選磨球材質，故對該材質的磨球成分和熱處理制度進行較深層次的可視化分析，以獲 得所期望的成分設計和熱處理制度。
[0061] -、磨球組織設計與控制技術
[0062] 1)確定主要鑄造磨球種類(材質）：
[0063] 鉻系鑄造磨球(低鉻、中鉻、高鉻、超高鉻）；
[0064] 奧貝球鐵鑄造磨球(ADI、CADI);
[0065] 貝氏體鑄造磨球(鑄鋼、鑄鐵）。
[0066] 2)設計各種類、牌號鑄造磨球的基本組織，且要求組織均勻、力學性能達標。
[0067] 3)組織決定性能，從三方面體現具體工藝、工裝和裝置。
[0068] (1)化學成分一基本成分、合金化與變質處理等；
[0069] (2)冷卻速度一金屬型（表面涂層處理，基礎涂料與工作涂料），鐵模覆砂型，模溫 控制等；
[0070] (3)結晶條件一振動結晶，離心澆注等。
[0071] 所需磨球鑄造冷卻速度是由采用金屬型(表面涂敷處理，基礎涂料、工作涂料）、鐵 模覆砂和模溫控制的成形工藝控制，所需磨球的結晶條件是由采用振動結晶、離心澆注技 術的凝固工藝控制。
[0072]在確定鑄型性質、變質條件、結晶條件的前提下，其具體選擇和調節內容:合金成 分和熱處理制度。
[0073] 二、磨球成分與熱處理制度可視化設計主要過程和內容：
[0074] 1)考核目標:硬度(HRC)、韌度(J/cm2)和心部與表面硬度均勻度（Δ );
[0075] 2)影響因素中及水平范圍（合金成分及熱處理制度）
[0076] 合金成分(W%)碳1.8-3.2%、硅 0.2-1.3%、錳 0.3-1.5%、鉻 7 -11%、鐵83-88%、 磷0-0·04%、硫0-0·04%和變質劑0·4-1 ·2%。
[0077] 熱處理制度(61、62、63、64、65、66、67、68、69、610)等。
[0078] 3)再建立與之相適應的熔煉工藝、精煉工藝、變質工藝、成型工藝、凝固工藝等鑄 造工藝平臺，可起到明顯的降耗作用。為了生產出質量穩定，品質優良的磨球，在其液態成 型和凝固過程全面采用了該領域先進制造技術:熔煉工藝一感應爐內置式脫硫、脫磷;精煉 工藝一感應爐底吹氬;變質工藝一外沖鈣鐵絲;成形工藝一金屬型（表面涂敷處理，基礎涂 料、工作涂料）、鐵模覆砂;凝固工藝一振動結晶、離心澆注。
[0079] 4)用可視化方法設計優化實驗可以得到硬度、韌度和硬度均勻度三個技術指標都 符合要求的材料配方范圍和熱處理工藝條件范圍。
[0080] 5)選擇性繪出或選擇有代表可視化方法工程意義的圖譜數量組成大致為：6張左 右2維圖、4張左右3維圖、2張左右4維圖、2張左右5維圖，能將6個影響因素較為經典、主要的 內容做集中、一致的展開，使每張圖都能發揮出其較為突出、個性化的影響力。
[0081] 6)經磨球成分設計與熱處理制度可視化分析顯見（以最接近于CrlO%的變量組 合)可做為磨球成分和熱處理制度設計的最佳方案。
[0082] 基于先進的熔煉工藝、精煉工藝、變質工藝、成型工藝、凝固工藝等鑄造工藝平臺， 進行磨球成分和熱處理制度的可視化分析獲得的最佳方案不僅可制造出耐磨性能優良的 磨球，且使生產企業可用最低的生產成本得到回報。
[0083]進行最經濟磨球材質(含CrlO%的高鉻球)成分和熱處理制度方案的研發是對由3 個力學性能考核指標、6個影響因素和各取10個水平點組成的實驗體系中，運用可視化方法 以極少的實驗次數(10組次)不僅可獲得磨球最佳成分配比方案(詳見案例），變質劑加入量 和處理工藝且可獲得與之最佳匹配的熱處理制度。
[0084] 可視化方法指的是:在設計實驗條件、分析實驗結果乃至從實驗結果中優化因素 水平過程中，通過科學繪制實驗因素與實驗指標之間的2維或3維關系圖（也稱相圖），從對 多幅關系圖的綜合分析，從而得到"實驗條件的設計"、"實驗結果的分析"和"實驗因素的水 平優化"目的。
[0085] 實驗設計（multifactor&multilevel visualized Design，m2VD):將多因素實驗 設計分解為多個2因素水平安排，通過作圖方法不斷調節實驗水平，使得在每個2因素空間 實驗點呈近似均勻的分布狀態。
[0086] 實驗結果分析（multifactor&multilevel&multitarget visualized Analysis, m3VA):以待分析的兩個因素作為橫縱坐標，以實驗指標作為等指標依據，制作2.5維圖。通 過對圖的分析得知因素對指標的影響規律。多個因素的情況分解為多幅2.5維圖操作。
[0087] 實驗結果優化（multifactor&multilevel&multitarget visualized Optimize, m3V0):通過疊加繪制上述多幅2.5維圖，尋找具體等指標范圍的因素數值范圍，從而達到尋 求優良實驗結果優化實驗的目的。
[0088] 一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法，包括如下步驟：
[0089 ] (1)根據已知磨料材料特性和生產能力的需求合理選擇球磨設備；
[0090] (2)按作業條件和使用壽命的需要選擇護甲材料；
[0091] (3)采用可視化方法一在確定4個級配考核指標后，列出影響4個級配考核指標的 影響因素并據工作經驗列出其水平范圍；所述4個級配考核指標具體為磨機能耗、磨球磨 耗、出粉率和生產成本降低率;所述影響因素具體為六個，分別為護甲材料、磨料材料、磨球 裝載量、球徑配比、合金成分和熱處理制度；
[0092] (4)按可視化方法一在所述步驟(3)中已擬定的水平范圍內確定能最有效反映考 核指標的變化范圍的對稱型水平實驗點；
[0093] (5)將多種球徑的某種磨球按照一定比例以非整數倍設計，并結合所述步驟(4)得 出的對稱型水平實驗點進行實驗，通過對實驗結果的可視化方法一分析得出在使用某種材 質四種球徑磨球的最經濟磨球;所述最佳磨球裝載量為在實現正常出粉率的前提下，所得 到的最低生產成本為最佳磨球裝載量；
[0094] (6)以所述步驟(5)確定的最經濟磨球作為最佳材質磨球成分設計與熱處理制度 設計的研究對象，并通過文獻收集、分析與實驗結果和實際生產與應用經驗，建立考核所述 研究對象的力學性能目標體系，所述力學性能目標體系包括硬度、韌度及心部與表面硬度 均勻度三個力學性能目標，從而確定影響高耐磨性鑄造磨球質量的所述研究對象的用量范 圍；
[0095] (7)采用可視化方法二設計優化實驗進一步得到硬度、韌度和心部與表面硬度均 勻度三個力學性能目標都符合要求的最佳材質磨球成分設計范圍和熱處理制度工藝條件 范圍；
[0096] (8)建立與最佳材質磨球成分設計范圍相適應的鑄造工藝平臺，所述鑄造工藝平 臺為包括熔煉工藝、精煉工藝、變質工藝、成型工藝、凝固工藝等熱處理工藝所對應的熱處 理制度G^G^Gs. . .Gn下的鑄造工藝平臺，所述N為整數；
[0097] (9)根據步驟(8)中的鑄造工藝平臺構建熱處理制度實驗水平點，確定最佳材質磨 球的熱處理制度，并由此得出確定最佳材質磨球成分的可視化分析的最佳方案。所述熱處 理制度為一組熱學和時間參數，為便于研究考核，采用遞增式連續設計。
[0098] 值得注意的是，步驟(3)-(5)中所述可視化方法一為在實驗條件的設計、實驗結果 的分析乃至從實驗結果中優化影響因素水平范圍的過程中，通過科學繪制實驗影響因素與 級配考核指標之間的2.5D關系圖，從對多幅關系圖的綜合分析，從而得到"實驗條件的設 計"、"實驗結果的分析"和"實驗結果中優化影響因素水平范圍"目的，并對實驗數據中影響 因素和所述級配考核指標進行"影響因素-級配考核指標映射"的可視化分析方法。步驟 (7)中所述可視化方法二為在實驗條件的設計、實驗結果的分析乃至從實驗結果中優化影 響因素水平范圍的過程中，通過科學繪制實驗影響因素與力學性能考核指標之間的2.5D關 系圖，從對多幅關系圖的綜合分析，從而得到"實驗條件的設計"、"實驗結果的分析"和"實 驗結果中優化影響因素水平范圍"目的，并對實驗數據中影響因素和所述力學性能考核指 標進行"影響因素-力學性能考核指標映射"的可視化分析方法。
[0099] 在本實施例中，所述實驗條件的設計為將多個影響因素實驗設計分解為多個兩因 素水平安排，通過作圖方法不斷調節實驗水平，使得在每個兩因素空間實驗點呈近似均勻 的分布狀態。所述實驗結果的分析為以待分析的兩個影響因素作為橫縱坐標，以實驗考核 指標指標作為具體指標依據，制作2.5維圖，通過對圖的分析得知影響因素對考核指標的影 響規律，多個影響因素的情況分解為多幅2.5維圖操作;實驗結果中優化影響因素水平范圍 為通過疊加繪制所述多幅2.5維圖，尋找具體考核指標范圍的影響因素數值范圍，從而達到 尋求優良實驗結果優化實驗的目的。
[0100] 在本實施例中，步驟(4)中所述最經濟磨球為最經濟鉻系磨球，其合金成分的質量 分數為碳 1 · 8-3 · 2 %、硅0 · 2-1 · 3 %、錳0 · 3-1 · 5 %、鉻7 - 11 %、鐵83-88 %、磷0-0 · 04 %、硫0-0.04% 和變質劑0.4-1.2%。
[0101] 在本實施例中，步驟（4)中所述最經濟鉻系磨球合金成分中鉻含量優選為 10.86%〇
[0102] 為建立了先進的鑄造工藝平臺，成分設計和熱處理制度設計是決定該高鉻磨球力 學性能、使用性能的關鍵；圖1 一圖4以考察該類高鉻磨球Fe用量不同時對硬度的影響和該 類高鉻磨球Fe用量= 84%時對硬度的影響為例，展示考察該類高鉻磨球其他Fe用量時對硬 度影響的方法。圖1-圖2反映了Cr在磨球材料中Fe用量不同時對硬度的影響規律。圖中數值 為硬度HRC數據，曲線為等硬度線。可見Cr在在磨球材料中Fe用量不同時對硬度的影響是復 雜的，不是簡單線性關系，理論上也可以得到這樣的定性結論。從圖3中Cr截面圖可見Cr用 量對硬度影響不是一條線，更不是一條直線，而是一個面，說明影響的復雜性。圖4反映了在 Fe的用量為84 %時，Cr的用量的對硬度的影響規律。可見，在實驗范圍內隨著Cr從9.0 %增 加到10.4%，硬度呈近似線性的增長，硬度從52冊(：增加到61冊(：以上。
[0103] 圖5-圖8以考察該類高鉻磨球C用量不同時對硬度的影響和該類高鉻磨球C用量 等于2.6 %時對硬度的影響為例，展示考察該類高鉻磨球其他C用量時對硬度的影響。同理， 可考察該類高鉻磨球Mn、變質元素等用量不同時對硬度的影響。圖5反映了該類高鉻磨球C 用量不同時對硬度的影響規律。圖中數值為硬度HRC數據，曲線為等硬度線。可見Cr在在磨 球材料中C用量不同時對硬度的影響很復雜，不是簡單線性關系，理論上也可以得到這樣的 定性結論。圖7反映了Cr在磨球材料中C用量為2.2%時對硬度的影響規律。可見隨著Cr的用 量的增加材料硬度HRC數據呈波動性變化，在Cr用量為9.3 %時硬度達到第一個最低值 59.6HRC左右，而后上升到峰值61HRC，再增加 Cr用量到10.1%，硬度下降到59.6%(HRC)左 右，隨后又有回升。圖8反映了 Cr在磨球材料中C用量為2.6 %時對硬度的影響規律。可見隨 著Cr的用量的增加材料硬度HRC數據呈近似線性下降變化，在Cr用量為10.28 %時硬度達到 最低值58HRC左右，而后回升。
[0104] 圖9以考察該類高鉻磨球Fe的加入量不同時熱處理工藝對硬度的影響為例，展示 考察該類高鉻磨球其他元素加入量不同時熱處理工藝對硬度影響的方法。該圖為工藝選擇 的可視化分析，采用工藝編號較高的熱處理工藝，有利于材料硬度的提高。采用工藝編號G9 和G10時，材料硬度可以達到61HRC以上。
[0105]圖10以考察該類高鉻磨球Fe的加入量不同時熱處理工藝對硬度均勻度的影響為 例，展示考察該類高鉻磨球其他元素加入量不同時熱處理工藝對硬度均勻度影響的方法。 圖11以考察該類高鉻磨球Fe的加入量不同時熱處理工藝對韌度的影響為例，展示考察該類 高鉻磨球其他元素加入量不同時熱處理工藝對韌度影響的方法。
[0106] 如表1所示，經磨球成分設計與熱處理制度可視化分析、優化，再考慮到某些工藝 因素，以最接近于CrlO%變量的第五成分組合(再據此按生產單位作業條件和管理水平定 出該成分組合各元素成分范圍）可做為生產條件下，磨球成分和熱處理制度設計的最佳方 案。
[0107] 表1可視化磨球成分設計與熱處理制度設計優化結果
[0108]

[0109] 基于先進的熔煉工藝、精煉工藝、變質工藝、成型工藝、凝固工藝等鑄造工藝平臺， 進行磨球成分和熱處理制度的可視化分析獲得的最佳方案不僅可制造出耐磨性能優良的 磨球，且使生產企業以最低的生產成本得到較大的經濟效益。
[0110] 在專利技術指標要求保護的數值范圍內設計13組實驗案例。
[0111] 案例1:按比例稱重下列磨球材料，在XX爐中熔煉，并按照G8熱處理制度進行加工， 石墨占 1.81 %，Si占0.65%，Mn占0.99%，Cr占9.97%，變質劑占0.98%，Fe為86.58%，制成 磨球材料后對其硬度進行測量為61HRC，韌度為3.2J/cm 2，硬度均勻度為1.0HRC。
[0112]案例2:按比例稱重下列磨球材料，在XX爐中熔煉，并按照G5熱處理制度進行加工， 石墨占1.93%^占1.20%，]?11占0.49%，0占9.57%，變質劑占0.79%，卩6為86.81%，制成 磨球材料后對其硬度進行測量為59HRC，韌度為2.5J/cm 2，硬度均勻度為1.5HRC。
[0113] 案例3:按比例稱重下列磨球材料，在XX爐中熔煉，并按照G3熱處理制度進行加工， 石墨占2.04%，Si占0.57%，Mn占 1.30%，Cr占8.96%，變質劑占0.63%，Fe為87.13%，制成 磨球材料后對其硬度進行測量為61HRC，韌度為3.3J/cm 2,硬度均勻度為1. 1HRC。
[0114] 案例4:按比例稱重下列磨球材料，在XX爐中熔煉，并按照G1熱處理制度進行加工， 石墨占2.14%，Si占 1.12%，Mn占0.80%，Cr占 10.09%，變質劑占0.45%，Fe為85.85%，制 成磨球材料后對其硬度進行測量為60HRC，韌度為3.4J/cm 2，硬度均勻度為1.2HRC。
[0115] 案例5:按比例稱重下列磨球材料，在XX爐中熔煉，并按照G9熱處理制度進行加工， 石墨占2.28%，Si占0.47%，Mn占0.30%，Cr占9.68%，變質劑占 1.04%，Fe為87.27%，制成 磨球材料后對其硬度進行測量為61HRC，韌度為3.1 J/cm2，硬度均勻度為1.0HRC。
[0116] 案例6:按比例稱重下列磨球材料，在XX爐中熔煉，并按照G6熱處理制度進行加工， 石墨占2.39%^占1.03%，]?11占1.09%，0占9.18%，變質劑占0.85%，卩6為86.31%，制成 磨球材料后對其硬度進行測量為60HRC，韌度為4.1 J/cm2，硬度均勻度為1.3HRC。
[0117] 案例7:按比例稱重下列磨球材料，在XX爐中熔煉，并按照G4熱處理制度進行加工， 石墨占2.52%，Si占0.38%，Mn占0.60%，Cr占 10.22%，變質劑占0.68%，Fe為86.28%，制 成磨球材料后對其硬度進行測量為58HRC，韌度為3.3J/cm 2，硬度均勻度為1.4HRC。
[0118] 案例8:按比例稱重下列磨球材料，在XX爐中熔煉，并按照G2熱處理制度進行加工， 石墨占2.61 %，Si占0.94%，Mn占 1.41 %，Cr占9.70%，變質劑占0.50%，Fe為85.34%，制成 磨球材料后對其硬度進行測量為60HRC，韌度為3. lj/cm2,硬度均勻度為1. 1HRC。
[0119] 案例9:按比例稱重下列磨球材料，在XX爐中熔煉，并按照G9熱處理制度進行加工， 石墨占2.75%，Si占0.29%，Mn占0.90%，Cr占9.24%，變質劑占 1.09%，Fe為86.82%，制成 磨球材料后對其硬度進行測量為62冊(：，韌度為2.耵/〇112，硬度均勻度為1.1服(：。
[0120]案例10 :按比例稱重下列磨球材料，在XX爐中熔煉，并按照G7熱處理制度進行加 工，石墨占2.87%，51占0.84%，]?11占0.40%，0占10.34%，變質劑占0.91%，卩6為85.55%， 制成磨球材料后對其硬度進行測量為59HRC，韌度為2.8J/cm 2，硬度均勻度為1.0HRC。
[0121]案例11:按比例稱重下列磨球材料，在XX爐中熔煉，并按照G5熱處理制度進行加 工，石墨占2.98%，Si占0.19%，Mn占 1.20%，Cr占9.86%，變質劑占0.74%，Fe為85.77%， 制成磨球材料后對其硬度進行測量為61HRC，韌度為2.9J/cm2，硬度均勻度為0.9HRC。
[0122] 案例12 :按比例稱重下列磨球材料，在XX爐中熔煉，并按照G3熱處理制度進行加 工，石墨占3.07%，Si占0.75%，Mn占0.70%，Cr占9.33%，變質劑占0.57%，Fe為86.15%， 制成磨球材料后對其硬度進行測量為61HRC，韌度為3.4J/cm 2，硬度均勻度為1.2HRC。
[0123] 案例13:按比例稱重下列磨球材料，在XX爐中熔煉，并按照G10熱處理制度進行加 工，石墨占3.22%，51占1.29%，]^占1.51%，〇占10.49%，變質劑占1.14%，卩6為83.49%， 制成磨球材料后對其硬度進行測量為62HRC，韌度為3.0J/cm 2,硬度均勻度為1. 1HRC。
[0124] 可視化說明：
[0125] 1、硬度實驗
[0126] (1 )Cr_Fe影響實驗，從圖12中可見，在Fe的用量不同時，Cr的加入量對材料硬度的 影響是復雜的。在圖上可以找到所有的13個案例對應的硬度數值。如案例6(Case 6,下同）： Cr的含量為9.18%，Fe的含量為86.31%，其測量的硬度值為60冊(：；案例9，&的含量為 9.24%，Fe的含量為86.81 %，其測量的硬度值為62HRC等。
[0127] (2)Cr-C影響實驗，從圖13中可見，在C的用量不同時，Cr的加入量對材料硬度的影 響是復雜的。在圖上可以找到所有的13個案例對應的硬度數值。如案例5 : C r的含量為 9.68%，C的含量為2.28%，其測量的硬度值為61HRC;案例8:Cr的含量為9.70%，Fe的含量 為2.61 %，其測量的硬度值為60HRC等。
[0128] (3) Cr-S i影響實驗，從圖14中可見，在S i的用量不同時，Cr的加入量對材料硬度的 影響是復雜的。在圖上可以找到所有的13個案例對應的硬度數值。如案例2:Cr的含量為 9.57 %，Si的含量為1.20 %，其測量的硬度值為59HRC;案例1: Cr的含量為9.97 %，Si的含量 為0.65%，其測量的硬度值為61冊(：等。
[0129] (4) Cr-Mn影響實驗，從圖15中可見，在Μη的用量不同時，Cr的加入量對材料硬度的 影響是復雜的。在圖上可以找到所有的13個案例對應的硬度數值。如案例12:Cr的含量為 9.33%梟的含量為0.70%，其測量的硬度值為61冊(：;案例10 :0的含量為10.34%梟的含 量為0.40%，其測量的硬度值為59HRC等。
[0130] (5 )Cr-變質劑影響實驗，從圖16中可見，在變質劑的用量不同時，Cr的加入量對材 料硬度的影響是復雜的。在圖上可以找到所有的13個案例對應的硬度數值。如案例3:Cr的 含量為8.96%，變質劑的含量為0.63%，其測量的硬度值為61HRC;案例11: Cr的含量為 9.86%，變質劑的含量為0.74%，其測量的硬度值為61HRC等。
[0131 ]從圖17中可見，其橫坐標(Cr % )表示主要優化因素，五個縱坐標為輔助優化因素， 不同的顏色標明不同因素的等硬度線。如果在此實驗因素水平選擇范圍內找到五種顏色的 線共同覆蓋的區域，此區域就是對應的硬度值表范圍的因素取值優化區間，各因素取值時 要注意對應本身坐標軸。圖中顯示的公共區間以黑色虛線框表示，Cr用量區間：9.2~ 10.05%，Si用量區間：0.42~1.02%，C用量區間：2.1~2.9%，Si用量區間：84.4~86.4%， 變質劑用量區間：0.6~0.95%，Mn用量區間：0.48~1.28%，此為優化區間。
[0132] 2、韌度實驗
[0133] Cr-Mn影響實驗，從圖18中可見，在Μη的用量不同時，Cr的加入量對材料韌度的影 響也是復雜的。在圖上可以找到所有的13個案例對應的韌度數值。如案例8: Cr的含量為 9.70%，111的含量為1.41%，其測量的韌度值為3.11/〇112;案例1:〇的含量為9.97%梟的 含量為0.99%，其測量的韌度值為3.2J/cm2等。
[0134] 3、硬度均勻度實驗
[0135] Cr-Fe影響實驗，從圖19中可見，在Fe的用量不同時，Cr的加入量對材料硬度均勻 度的影響是復雜的。在圖上可以找到所有的13個案例對應的硬度均勻度數值。如案例6:Cr 的含量為9.18%，Fe的含量為86.31 %，其測量的硬度均勻度值為1.3HRC;案例7: Cr的含量 為10.22%，Fe的含量為86.28%，其測量的硬度均勻度值為1.4HRC等。
[0136] 從而驗證了在具體實驗中所得到的磨球材料成分及其達到的性能和在本發明的 可視化的使用過程中所對應的磨球材料成分及其達到的性能相同，有效驗證了可視化方法 的可操作性及準確性。
[0137] 基于上述，本發明將大量動態變化因素得到有效的控制和預測，避免了產品在制 造和產品使用的長期過程中存在的浪費大、效率低，成本高的問題，本發明能有效利用高速 發展的信息技術、自動化與智能化技術加速該領域的技術進步，重視精煉，保證鋼鐵液純凈 度，使得變質效果穩定，凝固過程不存在大量偏析、變異和不穩定的組織，從而保證內部組 織致密和表面質量好;并且使得磨球心部到表面的力學性能、使用性能一致，提高磨球的使 用壽命;從而節能降耗和降低生產成本;且在對3個考核指標(硬度、韌度、心部與表面硬度 均勻度）、6因素、13水平點組成的實驗體系中，運用可視化方法不僅以極少的實驗次數獲得 了可視化方法設計優化實驗可以得到硬度、韌度和硬度均勻度三個技術指標都符合要求的 材料配方范圍和熱處理工藝條件范圍；本發明還采用多因素多水平的可視化實驗設計 (m 2VD)以及多因素多水平多目標的可視化實驗結果分析和優化(m2VA和m3VO)數字化技術， 對實驗數據進行"影響因素-考核指標映射"可視化分析，依據冶金、液態成型和凝固理論 借助實驗手段研究"組織"的變化趨勢，從而利于弄清磨球基本成分、合金元素、添加劑等與 熱處理制度對磨球耐磨組織形成規律和機理；并基于先進的熔煉工藝、精煉工藝、變質工 藝、成型工藝、凝固工藝等鑄造工藝平臺，進行磨球成分和熱處理制度的可視化分析獲得的 最佳方案不僅可制造出耐磨性能優良的磨球，且使生產企業以最低的生產成本得到較大的 經濟效益。
[0138] 由技術常識可知，本發明可以通過其他的不脫離其精神實質或必要特征的實施方 案來實現。因此，上述公開的實施方案，就各方面而言，都只是舉例說明，并不是僅有的。所 有在本發明范圍內或在等同于本發明的范圍內的改變均被本發明所包含。
【主權項】
1. 一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法，其特征在于，包括如下 步驟： (1) 根據已知磨料材料特性和生產能力的需求合理選擇球磨設備； (2) 按作業條件和使用壽命的需要選擇護甲材料； (3) 采用可視化方法一在確定N個級配考核指標后，列出影響N個級配考核指標的影響 因素并據工作經驗列出其水平范圍，所述N為整數； (4) 按可視化方法一在所述步驟(3)中已擬定的水平范圍內確定能最有效反映考核指 標的變化范圍的對稱型水平實驗點； (5) 將多種球徑的某種磨球按照一定比例以非整數倍設計，并結合所述步驟(4)得出的 對稱型水平實驗點進行實驗，通過對實驗結果的可視化方法一分析得出在使用某種材質多 種球徑磨球的最經濟磨球； (6 )以所述步驟(5 )確定的最經濟磨球作為最佳材質磨球成分設計與熱處理制度設計 的研究對象，并通過文獻收集、分析與實驗結果和實際生產與應用經驗，建立考核所述研究 對象的力學性能目標體系，所述力學性能目標體系包括硬度、韌度及心部與表面硬度均勻 度三個力學性能目標，從而確定影響高耐磨性鑄造磨球質量的所述研究對象的用量范圍； (7) 采用可視化方法二設計優化實驗進一步得到硬度、韌度和心部與表面硬度均勻度 三個力學性能目標都符合要求的最佳材質磨球成分設計范圍和熱處理制度工藝條件范圍； (8) 建立與最佳材質磨球成分設計范圍相適應的鑄造工藝平臺，所述鑄造工藝平臺為 包括熔煉工藝、精煉工藝、變質工藝、成型工藝、凝固工藝等熱處理工藝所對應的熱處理制 度6 1、62、63..而下的鑄造工藝平臺，所述1^為整數； (9) 根據步驟(8)中的鑄造工藝平臺構建熱處理制度實驗水平點，確定最佳材質磨球的 熱處理制度，并由此得出確定最佳材質磨球成分的可視化分析的最佳方案。2. 根據權利要求1所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法， 其特征在于，作為優選，步驟(3)中所述N個級配考核指標為四個，且四個級配考核指標具體 為磨機能耗、磨球磨耗、出粉率和生產成本降低率;步驟(3)中所述影響因素具體為六個，所 述六個影響因素分別為護甲材料、磨料材料、磨球裝載量、球徑配比、磨球合金成分和熱處 理制度;步驟(5)中所述磨球的球徑具體四種。3. 根據權利要求2所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法， 其特征在于，步驟(3)-(5)中所述可視化方法一為在實驗條件的設計、實驗結果的分析乃至 從實驗結果中優化影響因素水平范圍的過程中，通過科學繪制實驗影響因素與級配考核指 標之間的2.5D關系圖，從對多幅關系圖的綜合分析，從而得到"實驗條件的設計"、"實驗結 果的分析"和"實驗結果中優化影響因素水平范圍"目的，并對實驗數據中影響因素和所述 級配考核指標進行"影響因素-級配考核指標映射"的可視化分析方法。4. 根據權利要求2所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法， 其特征在于，步驟(7)中所述可視化方法二為在實驗條件的設計、實驗結果的分析乃至從實 驗結果中優化影響因素水平范圍的過程中，通過科學繪制實驗影響因素與力學性能考核指 標之間的2.5D關系圖，從對多幅關系圖的綜合分析，從而得到"實驗條件的設計"、"實驗結 果的分析"和"實驗結果中優化影響因素水平范圍"目的，并對實驗數據中影響因素和所述 力學性能考核指標進行"影響因素-力學性能考核指標映射"的可視化分析方法。5. 根據權利要求3和4所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方 法，其特征在于，所述實驗條件的設計為將多個影響因素實驗設計分解為多個兩因素水平 安排，通過作圖方法不斷調節實驗水平，使得在每個兩因素空間實驗點呈近似均勻的分布 狀態。6. 根據權利要求3和4所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方 法，其特征在于，所述實驗結果的分析為以待分析的兩個影響因素作為橫縱坐標，以實驗考 核指標指標作為具體指標依據，制作2.5維圖，通過對圖的分析得知影響因素對考核指標的 影響規律，多個影響因素的情況分解為多幅2.5維圖操作;實驗結果中優化影響因素水平范 圍為通過疊加繪制所述多幅2.5維圖，尋找具體考核指標范圍的影響因素數值范圍，從而達 到尋求優良實驗結果優化實驗的目的。7. 根據權利要求1所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法， 其特征在于，步驟(5)中所述最佳磨球裝載量為在實現正常出粉率的前提下，所得到的最低 生產成本為最佳磨球裝載量。8. 根據權利要求1所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法， 其特征在于，步驟(4)中所述最經濟磨球為最經濟鉻系磨球，其合金成分的質量分數為碳 1 · 8-3 · 2%、硅0 · 2-1 · 3%、錳0 · 3-1 · 5%、鉻7 -11%、鐵83-88%、磷0-0 · 04%、硫0-0 · 04%和變質劑 0.4-1.2%〇9. 根據權利要求7所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法， 其特征在于，步驟(4)中所述最經濟鉻系磨球合金成分中鉻含量優選為10.86%。10. 根據權利要求1所述的一種高耐磨鑄造磨球成分設計與熱處理制度的可視化方法， 其特征在于，步驟(8)和(9)中所述熱處理制度為一組熱學和時間參數，為便于研究考核，采 用遞增式連續設計。
【文檔編號】C22C37/10GK105975647SQ201610161153
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年3月18日
【發明人】孫益民, 王仲玨, 朱協彬, 劉寧, 縱看, 王潤霞
【申請人】安徽師范大學