杨再超

（大冶有色金属集团控股有限公司，湖北黄石 435005）

0 引言

热轧钢球按锻（轧）钢球黑色冶金行业标准（YB/T 091—2005）专业生产各种规格热轧球磨钢球。轧制球磨钢球采用的坯料是各种化学成分的热轧圆钢棒，其直径与钢球公称直径相等。热轧钢球主要生产工艺流程如图1所示。钢球直径（40～120）mm，具有精确的尺寸、圆整的几何形状、很高的硬度和良好的机械性能并具有耐磨损、不变形、不开裂的优异品质。在各类黑色和有色金属矿山选矿厂、火力发电厂、水泥厂、耐火材料厂等行业得到广泛应用，受到国内外客户的一致好评。

1 基于Minitab的钢球质量波动原因分析[1]

在实际生产过程中，每批产品出厂检测总会发现有不少的钢球硬度超差，钢球性能参数见表1。针对这一质量波动，从“人、机、料、法、环、测”等6个方面，考虑数据的条件背景以后，将收集到的180个样本数据层别化并进行适当分类。即A班和B班的成品钢球硬度各30个数据（Operator），A和B原料供应商Φ80 mm的成品钢球硬度各30个数据（Batch），Φ60 mm及Φ80 mm的2种不同规格成品钢球的硬度各30个数据（E－quipment）。将各组数据样本输入Minitab进行正态检验（图2），可见每组样本P＞0.05均满足正态分布。

表1 性能参数

图1 工艺流程

图2 正态性检验控制图

将 3 组（Operator，Batch，Equipment）不同输入变量用箱线图进行层别法分析（图3），则可以清晰地分辨出各组数据的分布状况，第三组（Equipment）输入变量四分位数有较明显差异，可推测设备上出现了问题。随后召集钢球生产线上所有相关人员，包括操作工、技术员、工艺负责人、车间主任等，运用头脑风暴法，发扬民主，各抒己见，集思广益，从结果着手沿着因果关系链条，使用5why分析法直至找出质量波动的根本原因，即生产不同规格钢球时，淬火搅笼运转速度的调整没有制定标准，导致钢球热处理不当，发生质量缺陷。

图3 箱线图

2 基于ANSYS的钢球淬火过程有限元分析

通过以上质量控制的分析，得出钢球的淬火处理是其生产过程中的关键工艺，但在实际淬火冷却过程中，因为钢球内部温度分布不均匀，组织转变过程的不均匀而形成热应力和相变应力，这些应力的存在直接影响钢球的组织性能和使用寿命。如若热处理不当，将会造成钢球组织性能达不到预定要求，甚至产生过量变形或开裂报废。

淬火是把钢球加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺[2]。影响钢球淬火的物理因素很多，比如：物体密度、物体比热容、物体导热率以及初始温度等。由于钢球的体积相对较小，球内各点的温度变化可以忽略不计。根据能量守恒定律和傅里叶方程，则可以得到温度随时间变化的表达式[3]。

式中ρ——钢球密度，kg/m3

c——钢球比热容，J/（kg·K）

V——钢球体积，m3

h——淬火液的表面传热系数，W/（m2·℃）

A——钢球的表面积，m2

Ti——钢球初始温度，℃

Tf——淬火液温度，℃

由于钢球和周围淬火液之间存在热对流，因而满足固体热传导的控制方程。假定淬火液的温度不随时间变化，那么式中的Tf为常数，并且方程是一阶微分方程，分离变量并积分，可得钢球在某一时间内的温度，见式（2）。

利用ANSYS对实际生产过程中的一批钢球进行瞬态热分析[4]，钢球的直径为40 mm，钢球的初始温度为500℃，将其突然放入温度为20℃，表面传热系数650 W/（m2·℃）的淬火液中，钢球材料性能：密度7800 kg/m3、热导率70 W/（m2·℃）、比热容488 J/（kg·℃）。计算出60 s时刻整个钢球的温度分布及球心温度在60 s内的变化曲线（图4、图5）。

3 结语

（1） 运用 Minitab完成各种数据的基础统计和分析，并绘制箱线图来辅助分析数据，使得查明影响钢球质量波动要因的过程方法更直观、更具说服力。

（2） 应用 ANSYS对钢球淬火过程温度场进行有限元模拟分析，计算速度快且结果可靠，为钢球淬火工艺的编制及淬火搅笼运转速度的调整提供了理论参考。

图4 第60 s时钢球的温度分布

图5 60 s内钢球心部的温度变化