熱軋鋼球質(zhì)量管理

楊再超

（大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司，湖北黃石 435005）

0 引言

熱軋鋼球按鍛（軋）鋼球黑色冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（YB/T 091—2005）專業(yè)生產(chǎn)各種規(guī)格熱軋球磨鋼球。軋制球磨鋼球采用的坯料是各種化學(xué)成分的熱軋圓鋼棒，其直徑與鋼球公稱直徑相等。熱軋鋼球主要生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。鋼球直徑（40～120）mm，具有精確的尺寸、圓整的幾何形狀、很高的硬度和良好的機(jī)械性能并具有耐磨損、不變形、不開裂的優(yōu)異品質(zhì)。在各類黑色和有色金屬礦山選礦廠、火力發(fā)電廠、水泥廠、耐火材料廠等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，受到國內(nèi)外客戶的一致好評(píng)。

1 基于Minitab的鋼球質(zhì)量波動(dòng)原因分析[1]

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，每批產(chǎn)品出廠檢測總會(huì)發(fā)現(xiàn)有不少的鋼球硬度超差，鋼球性能參數(shù)見表1。針對(duì)這一質(zhì)量波動(dòng)，從“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測”等6個(gè)方面，考慮數(shù)據(jù)的條件背景以后，將收集到的180個(gè)樣本數(shù)據(jù)層別化并進(jìn)行適當(dāng)分類。即A班和B班的成品鋼球硬度各30個(gè)數(shù)據(jù)（Operator），A和B原料供應(yīng)商Φ80 mm的成品鋼球硬度各30個(gè)數(shù)據(jù)（Batch），Φ60 mm及Φ80 mm的2種不同規(guī)格成品鋼球的硬度各30個(gè)數(shù)據(jù)（E－quipment）。將各組數(shù)據(jù)樣本輸入Minitab進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)（圖2），可見每組樣本P＞0.05均滿足正態(tài)分布。

表1 性能參數(shù)

圖1 工藝流程

圖2 正態(tài)性檢驗(yàn)控制圖

將 3 組（Operator，Batch，Equipment）不同輸入變量用箱線圖進(jìn)行層別法分析（圖3），則可以清晰地分辨出各組數(shù)據(jù)的分布狀況，第三組（Equipment）輸入變量四分位數(shù)有較明顯差異，可推測設(shè)備上出現(xiàn)了問題。隨后召集鋼球生產(chǎn)線上所有相關(guān)人員，包括操作工、技術(shù)員、工藝負(fù)責(zé)人、車間主任等，運(yùn)用頭腦風(fēng)暴法，發(fā)揚(yáng)民主，各抒己見，集思廣益，從結(jié)果著手沿著因果關(guān)系鏈條，使用5why分析法直至找出質(zhì)量波動(dòng)的根本原因，即生產(chǎn)不同規(guī)格鋼球時(shí)，淬火攪籠運(yùn)轉(zhuǎn)速度的調(diào)整沒有制定標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致鋼球熱處理不當(dāng)，發(fā)生質(zhì)量缺陷。

圖3 箱線圖

2 基于ANSYS的鋼球淬火過程有限元分析

通過以上質(zhì)量控制的分析，得出鋼球的淬火處理是其生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工藝，但在實(shí)際淬火冷卻過程中，因?yàn)殇撉騼?nèi)部溫度分布不均勻，組織轉(zhuǎn)變過程的不均勻而形成熱應(yīng)力和相變應(yīng)力，這些應(yīng)力的存在直接影響鋼球的組織性能和使用壽命。如若熱處理不當(dāng)，將會(huì)造成鋼球組織性能達(dá)不到預(yù)定要求，甚至產(chǎn)生過量變形或開裂報(bào)廢。

淬火是把鋼球加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上溫度，保溫一段時(shí)間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等溫）進(jìn)行馬氏體（或貝氏體）轉(zhuǎn)變的熱處理工藝[2]。影響鋼球淬火的物理因素很多，比如：物體密度、物體比熱容、物體導(dǎo)熱率以及初始溫度等。由于鋼球的體積相對(duì)較小，球內(nèi)各點(diǎn)的溫度變化可以忽略不計(jì)。根據(jù)能量守恒定律和傅里葉方程，則可以得到溫度隨時(shí)間變化的表達(dá)式[3]。

式中ρ——鋼球密度，kg/m3

c——鋼球比熱容，J/（kg·K）

V——鋼球體積，m3

h——淬火液的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·℃）

A——鋼球的表面積，m2

Ti——鋼球初始溫度，℃

Tf——淬火液溫度，℃

由于鋼球和周圍淬火液之間存在熱對(duì)流，因而滿足固體熱傳導(dǎo)的控制方程。假定淬火液的溫度不隨時(shí)間變化，那么式中的Tf為常數(shù)，并且方程是一階微分方程，分離變量并積分，可得鋼球在某一時(shí)間內(nèi)的溫度，見式（2）。

利用ANSYS對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程中的一批鋼球進(jìn)行瞬態(tài)熱分析[4]，鋼球的直徑為40 mm，鋼球的初始溫度為500℃，將其突然放入溫度為20℃，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)650 W/（m2·℃）的淬火液中，鋼球材料性能：密度7800 kg/m3、熱導(dǎo)率70 W/（m2·℃）、比熱容488 J/（kg·℃）。計(jì)算出60 s時(shí)刻整個(gè)鋼球的溫度分布及球心溫度在60 s內(nèi)的變化曲線（圖4、圖5）。

3 結(jié)語

（1） 運(yùn)用 Minitab完成各種數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)和分析，并繪制箱線圖來輔助分析數(shù)據(jù)，使得查明影響鋼球質(zhì)量波動(dòng)要因的過程方法更直觀、更具說服力。

（2） 應(yīng)用 ANSYS對(duì)鋼球淬火過程溫度場進(jìn)行有限元模擬分析，計(jì)算速度快且結(jié)果可靠，為鋼球淬火工藝的編制及淬火攪籠運(yùn)轉(zhuǎn)速度的調(diào)整提供了理論參考。

圖4 第60 s時(shí)鋼球的溫度分布

圖5 60 s內(nèi)鋼球心部的溫度變化