CN105975647B - 一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法，它具体包括选择球磨设备和护甲材料，确定级配考核指标的水平范围，确定能最有效反映实验结果的对称型水平实验点，确定最经济铬系磨球，建立考核研究对象的力学性能目标体系，确定影响高耐磨性铸造磨球质量的主要因素及其用量范围，确定符合要求的磨球材料配方范围和热处理工艺条件范围，建立铸造工艺平台和热处理制度，获得磨球成分和热处理制度的最佳方案。本发明通过将大量动态变化因素得到有效的控制和预测，避免了产品在制造和产品使用的长期过程中存在的浪费大、效率低，成本高的问题，本发明能有效利用高速发展的信息技术、自动化与智能化技术加速该领域的技术进步。
Description
技术领域
本发明涉及磨球领域，具体涉及是一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法。
背景技术
中国耐磨材料产业市场规模快速增长，整体制造水平不断提高。随着国民经济稳步发展，我国火力发电、冶金矿山、建材水泥等领域对耐磨球段的需求量也保持稳定增长的态势，仅国内耐磨球段的需求量2015年达到208.74万吨，下表列出了2010－2015年，该类产品国内需求量的增长情况：
2010－2015国内耐磨铸造磨球段市场需求量(万吨)
据不完全统计，近年来，我国年各类耐磨球段的出口量为100万吨－150万吨。可见，该市场需求总量虽较大。
球磨机磨球量化级配技术的科学研究方法按其发展水平可分为四个阶段：
1.试错阶段；
2.正交实验法(实验周期、成本较高，且无法处理大样本)；
3.可视化信息处理的精准实验法；
4.使用智能化控制模型。
在国外，近几年来在磨球制造和使用领域已经开始摸索第三台阶和第四台阶的科研方法及运用相关技术手段和工具制定、完善工艺，制造、使用和监控体现工艺“精髓”内容的精美装置，然而良莠不齐，进展缓慢。
在国内，现今仍停留在应用正交实验法进行科学研究和生产应用的第二阶段上，致使大量动态变化因素得不到有效的控制和预测，产品制造和产品使用长期存在的浪费大、效率低，成本高的问题一直得不到解决；不能有效利用高速发展的信息技术、自动化与智能化技术加速该领域的技术进步，发挥科技领跑作用的压力越来越大。并且长期以来正因为国内磨球制造技术、加工设备落后，生产工艺数十年不变，不重视精炼，致使钢铁液纯净度差，变质效果不稳定，凝固过程存在大量偏析、变异和不稳定组织，导致内部组织不致密和表面质量差；且磨球心部到表面的力学性能、使用性能不一致，直接影响了磨球的使用寿命。由于受磨球材料、球磨装备、物料特性、工作环境等多因素制约和交互性影响，迄今国内外研究磨球问题都停滞在定性研究阶段，对使用磨球产生的节能降耗和降低生产成本的作用不显著、不稳定，加上过分依靠经验，造成无法推广应用的“窘境”。
为此，本案发明人，积多年对磨球的设计与制造经验，提出一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法，通过将大量动态变化因素得到有效的控制和预测，避免了产品在制造和产品使用的长期过程中存在的浪费大、效率低，成本高的问题，本发明能有效利用高速发展的信息技术、自动化与智能化技术加速该领域的技术进步。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
本发明所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法，包括如下步骤：
(1)根据已知磨料材料特性和生产能力的需求合理选择球磨设备；
(2)按作业条件和使用寿命的需要选择护甲材料；
(3)采用可视化方法一在确定N个级配考核指标后，列出影响N个级配考核指标的影响因素并据工作经验列出影响N个级配考核指标影响因素的水平范围，所述N为整数；
(4)按可视化方法一在所述步骤(3)中已拟定的水平范围内确定能最有效反映考核指标的变化范围的对称型水平实验点；
(5)将多种球径的某种磨球按照一定比例以非整数倍设计，并结合所述步骤(4)得出的对称型水平实验点进行实验，通过对实验结果的可视化方法一分析得出在使用某种材质多种球径磨球的最经济磨球；
(6)以所述步骤(5)确定的最经济磨球作为最佳材质磨球成分设计与热处理制度设计的研究对象，并通过文献收集、文献分析、实验结果以及实际生产应用的经验，建立考核所述研究对象的力学性能目标体系，所述力学性能目标体系包括硬度、韧度及心部与表面硬度均匀度三个力学性能目标，从而确定影响高耐磨性铸造磨球质量的所述研究对象的用量范围；
(7)采用可视化方法二设计优化实验进一步得到硬度、韧度和心部与表面硬度均匀度三个力学性能目标都符合要求的最佳材质磨球成分设计范围和热处理制度工艺条件范围；
(8)建立与最佳材质磨球成分设计范围相适应的铸造工艺平台，所述铸造工艺平台为包括熔炼工艺、精炼工艺、变质工艺、成型工艺、凝固工艺所对应的热处理制度G1、G2、G3、G4、G5下的铸造工艺平台；
(9)根据步骤(8)中的铸造工艺平台构建热处理制度实验水平点，确定最佳材质磨球的热处理制度，并由此得出确定最佳材质磨球成分的可视化分析的最佳方案。
优选地，步骤(3)中所述N个级配考核指标为四个，且四个级配考核指标具体为磨机能耗、磨球磨耗、出粉率和生产成本降低率；步骤(3)中所述影响因素具体为六个，所述六个影响因素分别为护甲材料、磨料材料、磨球装载量、球径配比、合金成分和热处理制度；步骤(5)中所述磨球的球径具体四种。
优选地，步骤(3)-(5)中所述可视化方法一为在实验条件的设计、实验结果的分析乃至从实验结果中优化影响因素水平范围的过程中，通过科学绘制实验影响因素与级配考核指标之间的2.5D关系图，并对多幅关系图的综合分析，从而达到“实验条件的设计”、“实验结果的分析”和“实验结果中优化影响因素水平范围”的目的，并对实验数据中影响因素和所述级配考核指标进行“影响因素→级配考核指标映射”的可视化分析方法。
优选地，步骤(7)中所述可视化方法二为在实验条件的设计、实验结果的分析乃至从实验结果中优化影响因素水平范围的过程中，通过科学绘制实验影响因素与力学性能考核指标之间的2.5D关系图，并对多幅关系图的综合分析，从而达到“实验条件的设计”、“实验结果的分析”和“实验结果中优化影响因素水平范围”的目的，并对实验数据中影响因素和所述力学性能考核指标进行“影响因素→力学性能考核指标映射”的可视化分析方法。
优选地，所述实验条件的设计为将多个影响因素实验设计分解为多个两因素水平安排，通过作图方法不断调节实验水平，使得在每个两因素空间实验点呈近似均匀的分布状态。
优选地，所述实验结果的分析为以待分析的两个影响因素作为横纵坐标，以实验考核指标指标作为具体指标依据，制作2.5维图，通过对图的分析得知影响因素对考核指标的影响规律，多个影响因素的情况分解为多幅2.5维图操作；实验结果中优化影响因素水平范围为通过叠加绘制所述多幅2.5维图，寻找具体考核指标范围的影响因素数值范围，从而达到寻求优良实验结果优化实验的目的。
优选地，步骤(5)中所述最佳磨球装载量为在实现正常出粉率的前提下，所得到的最低生产成本为最佳磨球装载量。
优选地，步骤(4)中所述最经济磨球为最经济铬系磨球，其合金成分的质量分数为碳1.8-3.2％、硅0.2-1.3％、锰0.3-1.5％、铬7－11％、铁83-88％、磷0-0.04％、硫0-0.04％和变质剂0.4-1.2％。
优选地，步骤(4)中所述最经济铬系磨球合金成分中铬含量优选为10.86％。
优选地，步骤(8)和(9)中所述热处理制度为一组热学和时间参数，为便于研究考核，采用递增式连续设计。
本发明的有益效果在于，
(1)本发明将大量动态变化因素得到有效的控制和预测，避免了产品在制造和产品使用的长期过程中存在的浪费大、效率低，成本高的问题，本发明能有效利用高速发展的信息技术、自动化与智能化技术加速该领域的技术进步，重视精炼，保证钢铁液纯净度，使得变质效果稳定，凝固过程不存在大量偏析、变异和不稳定的组织，从而保证内部组织致密和表面质量好；并且使得磨球心部到表面的力学性能、使用性能一致，提高磨球的使用寿命；从而节能降耗和降低生产成本；
(2)本发明在对3个考核指标(硬度、韧度、心部与表面硬度均匀度)、6因素、13水平点组成的实验体系中，运用可视化方法不仅以极少的实验次数获得了可视化方法设计优化实验可以得到硬度、韧度和硬度均匀度三个技术指标都符合要求的材料配方范围和热处理工艺条件范围；
(3)本发明采用多因素多水平的可视化实验设计(m2VD)以及多因素多水平多目标的可视化实验结果分析和优化(m2VA和m3VO)数字化技术，对实验数据进行“影响因素→考核指标映射”可视化分析，依据冶金、液态成型和凝固理论借助实验手段研究“组织”的变化趋势，从而利于弄清磨球基本成分、合金元素、添加剂等与热处理制度对磨球耐磨组织形成规律和机理；
(4)本发明基于先进的熔炼工艺、精炼工艺、变质工艺、成型工艺、凝固工艺等铸造工艺平台，进行磨球成分和热处理制度的可视化分析获得的最佳方案不仅可制造出耐磨性能优良的磨球，且使生产企业以最低的生产成本得到较大的经济效益。
附图说明
如图1为本发明所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法的高铬磨球Fe用量不同时对硬度的影响平面示意图；
如图2为本发明所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法的高铬磨球Fe用量不同时对硬度的影响三维示意图；
如图3为本发明所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法的高铬磨球Fe用量不同时对硬度的影响Cr截面截面示意图；
如图4为本发明所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法的高铬磨球Fe用量为84％时对硬度的影响曲线示意图；
如图5为本发明所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法的高铬磨球C用量不同时对硬度的影响平面示意图；
如图6为本发明所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法的高铬磨球C用量不同时对硬度的影响三维示意图；
如图7为本发明所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法的高铬磨球C用量不同时对硬度的影响Cr截面示意图；
如图8为本发明所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法的高铬磨球C用量为2.6％时对硬度的影响曲线示意图；
如图9为本发明所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法的热处理工艺在该类高铬磨球Fe的加入量不同时对硬度的影响示意图；
如图10为本发明所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法的热处理工艺在该类高铬磨球Fe的加入量不同时对硬度均匀度的影响示意图；
如图11为本发明所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法的热处理工艺在该类高铬磨球Fe的加入量不同时对韧度的影响示意图；
如图12为本发明所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法的磨球材料中Cr含量在Fe的加入量不同时对材料硬度的影响示意图；
如图13为本发明所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法的磨球材料中Cr含量在C的加入量不同时对材料硬度的影响示意图；
如图14为本发明所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法的磨球材料中Cr含量在Si的加入量不同时对材料硬度的影响示意图；
如图15为本发明所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法的磨球材料中Cr含量在Mn的加入量不同时对材料硬度的影响示意图；
如图16为本发明所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法的磨球材料中Cr含量在变质剂的加入量不同时对材料硬度的影响示意图；
如图17为本发明所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法的磨球材料中多种成分含量的加入量不同时对材料硬度的影响2.5维示意图；
如图18为本发明所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法的磨球材料中Cr含量在Mn的加入量不同时对材料韧度的影响示意图；
如图19为本发明所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法的磨球材料中Cr含量在Fe的加入量不同时对材料韧度的影响示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对本发明做进一步详细说明。
将用于某电厂300MW机组磨球磨煤机的装补球制度,降低了磨煤机的磨耗和电耗。通过采用一种用于磨煤机作业的磨球量化级配技术确定含Cr10.86％左右的磨球是最经济的优选磨球材质，故对该材质的磨球成分和热处理制度进行较深层次的可视化分析，以获得所期望的成分设计和热处理制度。
一、磨球组织设计与控制技术
1)确定主要铸造磨球种类(材质)：
铬系铸造磨球(低铬、中铬、高铬、超高铬)；
奥贝球铁铸造磨球(ADI、CADI)；
贝氏体铸造磨球(铸钢、铸铁)。
2)设计各种类、牌号铸造磨球的基本组织，且要求组织均匀、力学性能达标。
3)组织决定性能，从三方面体现具体工艺、工装和装置。
(1)化学成分—基本成分、合金化与变质处理等；
(2)冷却速度—金属型(表面涂层处理，基础涂料与工作涂料)，铁模覆砂型，模温控制等；
(3)结晶条件—振动结晶，离心浇注等。
所需磨球铸造冷却速度是由采用金属型(表面涂敷处理，基础涂料、工作涂料)、铁模覆砂和模温控制的成形工艺控制，所需磨球的结晶条件是由采用振动结晶、离心浇注技术的凝固工艺控制。
在确定铸型性质、变质条件、结晶条件的前提下，其具体选择和调节内容：合金成分和热处理制度。
二、磨球成分与热处理制度可视化设计主要过程和内容：
1)考核目标：硬度(HRC)、韧度(J/cm2)和心部与表面硬度均匀度(Δ)；
2)影响因素中及水平范围(合金成分及热处理制度)
合金成分(W％)碳1.8-3.2％、硅0.2-1.3％、锰0.3-1.5％、铬7－11％、铁83-88％、磷0-0.04％、硫0-0.04％和变质剂0.4-1.2％。
热处理制度(G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8、G9、G10)等。
3)再建立与之相适应的熔炼工艺、精炼工艺、变质工艺、成型工艺、凝固工艺等铸造工艺平台，可起到明显的降耗作用。为了生产出质量稳定，品质优良的磨球，在其液态成型和凝固过程全面采用了该领域先进制造技术：熔炼工艺—感应炉内置式脱硫、脱磷；精炼工艺—感应炉底吹氩；变质工艺—外冲钙铁丝；成形工艺—金属型(表面涂敷处理，基础涂料、工作涂料)、铁模覆砂；凝固工艺—振动结晶、离心浇注。
4)用可视化方法设计优化实验可以得到硬度、韧度和硬度均匀度三个技术指标都符合要求的材料配方范围和热处理工艺条件范围。
5)选择性绘出或选择有代表可视化方法工程意义的图谱数量组成大致为：6张左右2维图、4张左右3维图、2张左右4维图、2张左右5维图，能将6个影响因素较为经典、主要的内容做集中、一致的展开，使每张图都能发挥出其较为突出、个性化的影响力。
6)经磨球成分设计与热处理制度可视化分析显见(以最接近于Cr10％的变量组合)可做为磨球成分和热处理制度设计的最佳方案。
基于先进的熔炼工艺、精炼工艺、变质工艺、成型工艺、凝固工艺等铸造工艺平台，进行磨球成分和热处理制度的可视化分析获得的最佳方案不仅可制造出耐磨性能优良的磨球，且使生产企业可用最低的生产成本得到回报。
进行最经济磨球材质(含Cr10％的高铬球)成分和热处理制度方案的研发是对由3个力学性能考核指标、6个影响因素和各取10个水平点组成的实验体系中，运用可视化方法以极少的实验次数(10组次)不仅可获得磨球最佳成分配比方案(详见案例)，变质剂加入量和处理工艺且可获得与之最佳匹配的热处理制度。
可视化方法指的是：在设计实验条件、分析实验结果乃至从实验结果中优化因素水平过程中，通过科学绘制实验因素与实验指标之间的2维或3维关系图(也称相图)，并对多幅关系图的综合分析，从而达到“实验条件的设计”、“实验结果的分析”和“实验结果中优化影响因素水平范围”的目的。
实验设计(multifactor&multilevel visualized Design,m2VD)：将多因素实验设计分解为多个2因素水平安排，通过作图方法不断调节实验水平，使得在每个2因素空间实验点呈近似均匀的分布状态。
实验结果分析(multifactor&multilevel&multitarget visualized Analysis,m3VA)：以待分析的两个因素作为横纵坐标，以实验指标作为等指标依据，制作2.5维图。通过对图的分析得知因素对指标的影响规律。多个因素的情况分解为多幅2.5维图操作。
实验结果优化(multifactor&multilevel&multitarget visualized Optimize,m3VO)：通过叠加绘制上述多幅2.5维图，寻找具体等指标范围的因素数值范围，从而达到寻求优良实验结果优化实验的目的。
一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法，包括如下步骤：
(1)根据已知磨料材料特性和生产能力的需求合理选择球磨设备；
(2)按作业条件和使用寿命的需要选择护甲材料；
(3)采用可视化方法一在确定4个级配考核指标后，列出影响4个级配考核指标的影响因素并据工作经验列出影响N个级配考核指标影响因素的水平范围；所述4个级配考核指标具体为磨机能耗、磨球磨耗、出粉率和生产成本降低率；所述影响因素具体为六个，分别为护甲材料、磨料材料、磨球装载量、球径配比、合金成分和热处理制度；
(4)按可视化方法一在所述步骤(3)中已拟定的水平范围内确定能最有效反映考核指标的变化范围的对称型水平实验点；
(5)将多种球径的某种磨球按照一定比例以非整数倍设计，并结合所述步骤(4)得出的对称型水平实验点进行实验，通过对实验结果的可视化方法一分析得出在使用某种材质四种球径磨球的最经济磨球；所述最佳磨球装载量为在实现正常出粉率的前提下，所得到的最低生产成本为最佳磨球装载量；
(6)以所述步骤(5)确定的最经济磨球作为最佳材质磨球成分设计与热处理制度设计的研究对象，并通过文献收集、文献分析、实验结果以及实际生产应用的经验，建立考核所述研究对象的力学性能目标体系，所述力学性能目标体系包括硬度、韧度及心部与表面硬度均匀度三个力学性能目标，从而确定影响高耐磨性铸造磨球质量的所述研究对象的用量范围；
(7)采用可视化方法二设计优化实验进一步得到硬度、韧度和心部与表面硬度均匀度三个力学性能目标都符合要求的最佳材质磨球成分设计范围和热处理制度工艺条件范围；
(8)建立与最佳材质磨球成分设计范围相适应的铸造工艺平台，所述铸造工艺平台为包括熔炼工艺、精炼工艺、变质工艺、成型工艺、凝固工艺等热处理工艺所对应的热处理制度G1、G2、G3﹒﹒﹒Gn下的铸造工艺平台，所述n为整数；
(9)根据步骤(8)中的铸造工艺平台构建热处理制度实验水平点，确定最佳材质磨球的热处理制度，并由此得出确定最佳材质磨球成分的可视化分析的最佳方案。所述热处理制度为一组热学和时间参数，为便于研究考核，采用递增式连续设计。
值得注意的是，步骤(3)-(5)中所述可视化方法一为在实验条件的设计、实验结果的分析乃至从实验结果中优化影响因素水平范围的过程中，通过科学绘制实验影响因素与级配考核指标之间的2.5D关系图，并对多幅关系图的综合分析，从而达到“实验条件的设计”、“实验结果的分析”和“实验结果中优化影响因素水平范围”的目的，并对实验数据中影响因素和所述级配考核指标进行“影响因素→级配考核指标映射”的可视化分析方法。步骤(7)中所述可视化方法二为在实验条件的设计、实验结果的分析乃至从实验结果中优化影响因素水平范围的过程中，通过科学绘制实验影响因素与力学性能考核指标之间的2.5D关系图，并对多幅关系图的综合分析，从而达到“实验条件的设计”、“实验结果的分析”和“实验结果中优化影响因素水平范围”的目的，并对实验数据中影响因素和所述力学性能考核指标进行“影响因素→力学性能考核指标映射”的可视化分析方法。
在本实施例中，所述实验条件的设计为将多个影响因素实验设计分解为多个两因素水平安排，通过作图方法不断调节实验水平，使得在每个两因素空间实验点呈近似均匀的分布状态。所述实验结果的分析为以待分析的两个影响因素作为横纵坐标，以实验考核指标指标作为具体指标依据，制作2.5维图，通过对图的分析得知影响因素对考核指标的影响规律，多个影响因素的情况分解为多幅2.5维图操作；实验结果中优化影响因素水平范围为通过叠加绘制所述多幅2.5维图，寻找具体考核指标范围的影响因素数值范围，从而达到寻求优良实验结果优化实验的目的。
在本实施例中，步骤(4)中所述最经济磨球为最经济铬系磨球，其合金成分的质量分数为碳1.8-3.2％、硅0.2-1.3％、锰0.3-1.5％、铬7－11％、铁83-88％、磷0-0.04％、硫0-0.04％和变质剂0.4-1.2％。
在本实施例中，步骤(4)中所述最经济铬系磨球合金成分中铬含量优选为10.86％。
为建立了先进的铸造工艺平台，成分设计和热处理制度设计是决定该高铬磨球力学性能、使用性能的关键；图1－图4以考察该类高铬磨球Fe用量不同时对硬度的影响和该类高铬磨球Fe用量＝84％时对硬度的影响为例，展示考察该类高铬磨球其他Fe用量时对硬度影响的方法。图1-图2反映了Cr在磨球材料中Fe用量不同时对硬度的影响规律。图中数值为硬度HRC数据，曲线为等硬度线。可见Cr在在磨球材料中Fe用量不同时对硬度的影响是复杂的，不是简单线性关系，理论上也可以得到这样的定性结论。从图3中Cr截面图可见Cr用量对硬度影响不是一条线，更不是一条直线，而是一个面，说明影响的复杂性。图4反映了在Fe的用量为84％时，Cr的用量的对硬度的影响规律。可见，在实验范围内随着Cr从9.0％增加到10.4％，硬度呈近似线性的增长，硬度从52HRC增加到61HRC以上。
图5－图8以考察该类高铬磨球C用量不同时对硬度的影响和该类高铬磨球C用量等于2.6％时对硬度的影响为例，展示考察该类高铬磨球其他C用量时对硬度的影响。同理，可考察该类高铬磨球Mn、变质元素等用量不同时对硬度的影响。图5反映了该类高铬磨球C用量不同时对硬度的影响规律。图中数值为硬度HRC数据，曲线为等硬度线。可见Cr在在磨球材料中C用量不同时对硬度的影响很复杂，不是简单线性关系，理论上也可以得到这样的定性结论。图7反映了Cr在磨球材料中C用量为2.2％时对硬度的影响规律。可见随着Cr的用量的增加材料硬度HRC数据呈波动性变化，在Cr用量为9.3％时硬度达到第一个最低值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，随后又有回升。图8反映了Cr在磨球材料中C用量为2.6％时对硬度的影响规律。可见随着Cr的用量的增加材料硬度HRC数据呈近似线性下降变化，在Cr用量为10.28％时硬度达到最低值58HRC左右，而后回升。
图9以考察该类高铬磨球Fe的加入量不同时热处理工艺对硬度的影响为例，展示考察该类高铬磨球其他元素加入量不同时热处理工艺对硬度影响的方法。该图为工艺选择的可视化分析，采用工艺编号较高的热处理工艺，有利于材料硬度的提高。采用工艺编号G9和G10时，材料硬度可以达到61HRC以上。
图10以考察该类高铬磨球Fe的加入量不同时热处理工艺对硬度均匀度的影响为例，展示考察该类高铬磨球其他元素加入量不同时热处理工艺对硬度均匀度影响的方法。图11以考察该类高铬磨球Fe的加入量不同时热处理工艺对韧度的影响为例，展示考察该类高铬磨球其他元素加入量不同时热处理工艺对韧度影响的方法。
如表1所示，经磨球成分设计与热处理制度可视化分析、优化，再考虑到某些工艺因素，以最接近于Cr10％变量的第五成分组合(再据此按生产单位作业条件和管理水平定出该成分组合各元素成分范围)可做为生产条件下，磨球成分和热处理制度设计的最佳方案。
表1可视化磨球成分设计与热处理制度设计优化结果
| C(％) | Si(％) | Mn(％) | Cr(％) | 变质剂(％) | Fe(％) | 热处理工艺 | 硬度 | 韧度 | 硬度均匀度 |
| 1.81 | 0.65 | 0.99 | 9.97 | 0.98 | 86.58 | 8 | HRC61 | 3.2 | 1 |
| 1.93 | 1.20 | 0.49 | 9.57 | 0.79 | 86.81 | 5 | HRC59 | 2.5 | 1.5 |
| 2.04 | 0.57 | 1.30 | 8.96 | 0.63 | 87.13 | 3 | HRC61 | 3.3 | 1.1 |
| 2.14 | 1.12 | 0.80 | 10.09 | 0.45 | 85.85 | 1 | HRC60 | 3.4 | 1.2 |
| 2.28 | 0.47 | 0.30 | 9.68 | 1.04 | 87.27 | 9 | HRC61 | 3.1 | 1 |
| 2.39 | 1.03 | 1.09 | 9.18 | 0.85 | 86.31 | 6 | HRC60 | 4.1 | 1.3 |
| 2.52 | 0.38 | 0.60 | 10.22 | 0.68 | 86.28 | 4 | HRC58 | 3.3 | 1.4 |
| 2.61 | 0.94 | 1.41 | 9.70 | 0.50 | 85.34 | 2 | HRC60 | 3.1 | 1.1 |
| 2.75 | 0.29 | 0.90 | 9.24 | 1.09 | 86.82 | 9 | HRC62 | 2.9 | 1.1 |
| 2.87 | 0.84 | 0.40 | 10.34 | 0.91 | 85.55 | 7 | HRC59 | 2.8 | 1 |
| 2.98 | 0.19 | 1.20 | 9.86 | 0.74 | 85.77 | 5 | HRC61 | 2.9 | 0.9 |
| 3.07 | 0.75 | 0.70 | 9.33 | 0.57 | 86.15 | 3 | HRC61 | 3.4 | 1.2 |
| 3.22 | 1.29 | 1.51 | 10.49 | 1.14 | 83.49 | 10 | HRC62 | 3 | 1.1 |
基于先进的熔炼工艺、精炼工艺、变质工艺、成型工艺、凝固工艺等铸造工艺平台，进行磨球成分和热处理制度的可视化分析获得的最佳方案不仅可制造出耐磨性能优良的磨球，且使生产企业以最低的生产成本得到较大的经济效益。
在专利技术指标要求保护的数值范围内设计13组实验案例。
案例1：按比例称重下列磨球材料，在XX炉中熔炼，并按照G8热处理制度进行加工，石墨占1.81％，Si占0.65％，Mn占0.99％，Cr占9.97％，变质剂占0.98％，Fe为86.58％，制成磨球材料后对其硬度进行测量为61HRC，韧度为3.2J/cm2，硬度均匀度为1.0HRC。
案例2：按比例称重下列磨球材料，在XX炉中熔炼，并按照G5热处理制度进行加工，石墨占1.93％，Si占1.20％，Mn占0.49％，Cr占9.57％，变质剂占0.79％，Fe为86.81％，制成磨球材料后对其硬度进行测量为59HRC，韧度为2.5J/cm2，硬度均匀度为1.5HRC。
案例3：按比例称重下列磨球材料，在XX炉中熔炼，并按照G3热处理制度进行加工，石墨占2.04％，Si占0.57％，Mn占1.30％，Cr占8.96％，变质剂占0.63％，Fe为87.13％，制成磨球材料后对其硬度进行测量为61HRC,韧度为3.3J/cm2，硬度均匀度为1.1HRC。
案例4：按比例称重下列磨球材料，在XX炉中熔炼，并按照G1热处理制度进行加工，石墨占2.14％，Si占1.12％，Mn占0.80％，Cr占10.09％，变质剂占0.45％，Fe为85.85％，制成磨球材料后对其硬度进行测量为60HRC,韧度为3.4J/cm2，硬度均匀度为1.2HRC。
案例5：按比例称重下列磨球材料，在XX炉中熔炼，并按照G9热处理制度进行加工，石墨占2.28％，Si占0.47％，Mn占0.30％，Cr占9.68％，变质剂占1.04％，Fe为87.27％，制成磨球材料后对其硬度进行测量为61HRC,韧度为3.1J/cm2，硬度均匀度为1.0HRC。
案例6：按比例称重下列磨球材料，在XX炉中熔炼，并按照G6热处理制度进行加工，石墨占2.39％，Si占1.03％，Mn占1.09％，Cr占9.18％，变质剂占0.85％，Fe为86.31％，制成磨球材料后对其硬度进行测量为60HRC,韧度为4.1J/cm2，硬度均匀度为1.3HRC。
案例7：按比例称重下列磨球材料，在XX炉中熔炼，并按照G4热处理制度进行加工，石墨占2.52％，Si占0.38％，Mn占0.60％，Cr占10.22％，变质剂占0.68％，Fe为86.28％，制成磨球材料后对其硬度进行测量为58HRC,韧度为3.3J/cm2，硬度均匀度为1.4HRC。
案例8：按比例称重下列磨球材料，在XX炉中熔炼，并按照G2热处理制度进行加工，石墨占2.61％，Si占0.94％，Mn占1.41％，Cr占9.70％，变质剂占0.50％，Fe为85.34％，制成磨球材料后对其硬度进行测量为60HRC,韧度为3.1J/cm2，硬度均匀度为1.1HRC。
案例9：按比例称重下列磨球材料，在XX炉中熔炼，并按照G9热处理制度进行加工，石墨占2.75％，Si占0.29％，Mn占0.90％，Cr占9.24％，变质剂占1.09％，Fe为86.82％，制成磨球材料后对其硬度进行测量为62HRC,韧度为2.9J/cm2，硬度均匀度为1.1HRC。
案例10：按比例称重下列磨球材料，在XX炉中熔炼，并按照G7热处理制度进行加工，石墨占2.87％，Si占0.84％，Mn占0.40％，Cr占10.34％，变质剂占0.91％，Fe为85.55％，制成磨球材料后对其硬度进行测量为59HRC,韧度为2.8J/cm2，硬度均匀度为1.0HRC。
案例11：按比例称重下列磨球材料，在XX炉中熔炼，并按照G5热处理制度进行加工，石墨占2.98％，Si占0.19％，Mn占1.20％，Cr占9.86％，变质剂占0.74％，Fe为85.77％，制成磨球材料后对其硬度进行测量为61HRC,韧度为2.9J/cm2，硬度均匀度为0.9HRC。
案例12：按比例称重下列磨球材料，在XX炉中熔炼，并按照G3热处理制度进行加工，石墨占3.07％，Si占0.75％，Mn占0.70％，Cr占9.33％，变质剂占0.57％，Fe为86.15％，制成磨球材料后对其硬度进行测量为61HRC,韧度为3.4J/cm2，硬度均匀度为1.2HRC。
案例13：按比例称重下列磨球材料，在XX炉中熔炼，并按照G10热处理制度进行加工，石墨占3.22％，Si占1.29％，Mn占1.51％，Cr占10.49％，变质剂占1.14％，Fe为83.49％，制成磨球材料后对其硬度进行测量为62HRC,韧度为3.0J/cm2，硬度均匀度为1.1HRC。
可视化说明：
1、硬度实验
(1)Cr-Fe影响实验，从图12中可见，在Fe的用量不同时，Cr的加入量对材料硬度的影响是复杂的。在图上可以找到所有的13个案例对应的硬度数值。如案例6(Case 6，下同)：Cr的含量为9.18％，Fe的含量为86.31％，其测量的硬度值为60HRC；案例9，Cr的含量为9.24％，Fe的含量为86.81％，其测量的硬度值为62HRC等。
(2)Cr-C影响实验，从图13中可见，在C的用量不同时，Cr的加入量对材料硬度的影响是复杂的。在图上可以找到所有的13个案例对应的硬度数值。如案例5：Cr的含量为9.68％，C的含量为2.28％，其测量的硬度值为61HRC；案例8：Cr的含量为9.70％，Fe的含量为2.61％，其测量的硬度值为60HRC等。
(3)Cr-Si影响实验，从图14中可见，在Si的用量不同时，Cr的加入量对材料硬度的影响是复杂的。在图上可以找到所有的13个案例对应的硬度数值。如案例2：Cr的含量为9.57％，Si的含量为1.20％，其测量的硬度值为59HRC；案例1：Cr的含量为9.97％，Si的含量为0.65％，其测量的硬度值为61HRC等。
(4)Cr-Mn影响实验，从图15中可见，在Mn的用量不同时，Cr的加入量对材料硬度的影响是复杂的。在图上可以找到所有的13个案例对应的硬度数值。如案例12：Cr的含量为9.33％，Mn的含量为0.70％，其测量的硬度值为61HRC；案例10：Cr的含量为10.34％，Mn的含量为0.40％，其测量的硬度值为59HRC等。
(5)Cr-变质剂影响实验，从图16中可见，在变质剂的用量不同时，Cr的加入量对材料硬度的影响是复杂的。在图上可以找到所有的13个案例对应的硬度数值。如案例3：Cr的含量为8.96％，变质剂的含量为0.63％，其测量的硬度值为61HRC；案例11：Cr的含量为9.86％，变质剂的含量为0.74％，其测量的硬度值为61HRC等。
从图17中可见，其横坐标(Cr％)表示主要优化因素，五个纵坐标为辅助优化因素，不同的颜色标明不同因素的等硬度线。如果在此实验因素水平选择范围内找到五种颜色的线共同覆盖的区域，此区域就是对应的硬度值表范围的因素取值优化区间，各因素取值时要注意对应本身坐标轴。图中显示的公共区间以黑色虚线框表示，Cr用量区间：9.2～10.05％，Si用量区间：0.42～1.02％，C用量区间：2.1～2.9％，Si用量区间：84.4～86.4％，变质剂用量区间：0.6～0.95％，Mn用量区间：0.48～1.28％，此为优化区间。
2、韧度实验
Cr-Mn影响实验，从图18中可见，在Mn的用量不同时，Cr的加入量对材料韧度的影响也是复杂的。在图上可以找到所有的13个案例对应的韧度数值。如案例8：Cr的含量为9.70％，Mn的含量为1.41％，其测量的韧度值为3.1J/cm2；案例1：Cr的含量为9.97％，Mn的含量为0.99％，其测量的韧度值为3.2J/cm2等。
3、硬度均匀度实验
Cr-Fe影响实验，从图19中可见，在Fe的用量不同时，Cr的加入量对材料硬度均匀度的影响是复杂的。在图上可以找到所有的13个案例对应的硬度均匀度数值。如案例6：Cr的含量为9.18％，Fe的含量为86.31％，其测量的硬度均匀度值为1.3HRC；案例7：Cr的含量为10.22％，Fe的含量为86.28％，其测量的硬度均匀度值为1.4HRC等。
从而验证了在具体实验中所得到的磨球材料成分及其达到的性能和在本发明的可视化的使用过程中所对应的磨球材料成分及其达到的性能相同，有效验证了可视化方法的可操作性及准确性。
基于上述，本发明将大量动态变化因素得到有效的控制和预测，避免了产品在制造和产品使用的长期过程中存在的浪费大、效率低，成本高的问题，本发明能有效利用高速发展的信息技术、自动化与智能化技术加速该领域的技术进步，重视精炼，保证钢铁液纯净度，使得变质效果稳定，凝固过程不存在大量偏析、变异和不稳定的组织，从而保证内部组织致密和表面质量好；并且使得磨球心部到表面的力学性能、使用性能一致，提高磨球的使用寿命；从而节能降耗和降低生产成本；且在对3个考核指标(硬度、韧度、心部与表面硬度均匀度)、6因素、13水平点组成的实验体系中，运用可视化方法不仅以极少的实验次数获得了可视化方法设计优化实验可以得到硬度、韧度和硬度均匀度三个技术指标都符合要求的材料配方范围和热处理工艺条件范围；本发明采用多因素多水平的可视化实验设计(m2VD)以及多因素多水平多目标的可视化实验结果分析和优化(m2VA和m3VO)数字化技术，对实验数据进行“影响因素→考核指标映射”可视化分析，依据冶金、液态成型和凝固理论借助实验手段研究“组织”的变化趋势，从而利于弄清磨球基本成分、合金元素、添加剂等与热处理制度对磨球耐磨组织形成规律和机理；并基于先进的熔炼工艺、精炼工艺、变质工艺、成型工艺、凝固工艺等铸造工艺平台，进行磨球成分和热处理制度的可视化分析获得的最佳方案不仅可制造出耐磨性能优良的磨球，且使生产企业以最低的生产成本得到较大的经济效益。
由技术常识可知，本发明可以通过其他的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明所包含。
Claims (9)
1.一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）根据已知磨料材料特性和生产能力的需求合理选择球磨设备；
（2）按作业条件和使用寿命的需要选择护甲材料；
（3）采用可视化方法一在确定N个级配考核指标后，列出影响N个级配考核指标的影响因素并据工作经验列出影响N个级配考核指标影响因素的水平范围，所述N为整数；
（4）按可视化方法一在所述步骤（3）中已拟定的水平范围内确定能最有效反映考核指标的变化范围的对称型水平实验点；
（5）将多种球径的某种磨球按照一定比例以非整数倍设计，并结合所述步骤（4）得出的对称型水平实验点进行实验，通过对实验结果的可视化方法一分析得出在使用某种材质多种球径磨球的最经济磨球；
（6）以所述步骤（5）确定的最经济磨球作为最佳材质磨球成分设计与热处理制度设计的研究对象，并通过文献收集、文献分析、实验结果以及实际生产应用的经验，建立考核所述研究对象的力学性能目标体系，所述力学性能目标体系包括硬度、韧度及心部与表面硬度均匀度三个力学性能目标，从而确定影响高耐磨性铸造磨球质量的所述研究对象的用量范围；
（7）采用可视化方法二设计优化实验进一步得到硬度、韧度和心部与表面硬度均匀度三个力学性能目标都符合要求的最佳材质磨球成分设计范围和热处理制度工艺条件范围；
（8）建立与最佳材质磨球成分设计范围相适应的铸造工艺平台，所述铸造工艺平台为包括熔炼工艺、精炼工艺、变质工艺、成型工艺、凝固工艺所对应的热处理制度G1、G2、G3、G4、G5下的铸造工艺平台；
（9）根据步骤（8）中的铸造工艺平台构建热处理制度实验水平点，确定最佳材质磨球的热处理制度，并由此得出确定最佳材质磨球成分的可视化分析的最佳方案。
2.根据权利要求1所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法，其特征在于，作为优选，步骤（3）中所述N个级配考核指标为四个，且四个级配考核指标具体为磨机能耗、磨球磨耗、出粉率和生产成本降低率；步骤（3）中所述影响因素具体为六个，所述六个影响因素分别为护甲材料、磨料材料、磨球装载量、球径配比、磨球合金成分和热处理制度；步骤（5）中所述磨球的球径具体四种。
3.根据权利要求2所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法，其特征在于，步骤（3）-（5）中所述可视化方法一为在实验条件的设计、实验结果的分析乃至从实验结果中优化影响因素水平范围的过程中，通过科学绘制实验影响因素与级配考核指标之间的2.5D关系图，并对多幅关系图的综合分析，从而达到“实验条件的设计”、“实验结果的分析”和“实验结果中优化影响因素水平范围”的目的，并对实验数据中影响因素和所述级配考核指标进行“影响因素→级配考核指标映射”的可视化分析方法。
4.根据权利要求2所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法，其特征在于，步骤（7）中所述可视化方法二为在实验条件的设计、实验结果的分析乃至从实验结果中优化影响因素水平范围的过程中，通过科学绘制实验影响因素与力学性能考核指标之间的2.5D关系图，并对多幅关系图的综合分析，从而达到“实验条件的设计”、“实验结果的分析”和“实验结果中优化影响因素水平范围”的目的，并对实验数据中影响因素和所述力学性能考核指标进行“影响因素→力学性能考核指标映射”的可视化分析方法。
5.根据权利要求3或4所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法，其特征在于，所述实验条件的设计为将多个影响因素实验设计分解为多个两因素水平安排，通过作图方法不断调节实验水平，使得在每个两因素空间实验点呈近似均匀的分布状态。
6.根据权利要求3或4所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法，其特征在于，所述实验结果的分析为以待分析的两个影响因素作为横纵坐标，以实验考核指标指标作为具体指标依据，制作2.5维图，通过对图的分析得知影响因素对考核指标的影响规律，多个影响因素的情况分解为多幅2.5维图操作；实验结果中优化影响因素水平范围为通过叠加绘制所述多幅2.5维图，寻找具体考核指标范围的影响因素数值范围，从而达到寻求优良实验结果优化实验的目的。
7.根据权利要求1所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法，其特征在于，步骤（5）中所述最经济磨球为最经济铬系磨球，其合金成分的质量分数为碳1.8-3.2%、硅0.2-1.3%、锰0.3-1.5%、铬7－11%、铁83-88%、磷0-0.04%、硫0-0.04%和变质剂0.4-1.2%。
8.根据权利要求7所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法，其特征在于，步骤（4）中所述最经济铬系磨球合金成分中铬含量优选为10.86%。
9.根据权利要求1所述的一种高耐磨铸造磨球成分设计与热处理制度的可视化方法，其特征在于，步骤（8）和（9）中所述热处理制度为一组热学和时间参数，为便于研究考核，采用递增式连续设计。
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