一种大直径磨机用钢球的评价方法与流程

本发明属于选矿技术领域，具体涉及一种大直径磨机用钢球评价方法。

背景技术：

磨矿介质在磨矿过程中起到研磨矿石的作用，磨矿介质的质量对磨矿过程中的钢球消耗、电耗以及粒度指标都有很大的影响。经半自磨钢球实验证实，发现钢球会在半自磨筒体内几乎未经磨损就直接从内部爆裂，产生大量不规则形状碎块影响半自磨正常破磨工序，大量不规则形状碎块进入后续作业影响一段磨矿分级工序正常运行。所以必须对选矿过程中铁矿就钢球评价体系展开探索。

目前磨矿钢球采用的评价方法是根据《锻(轧)钢球》YB/T 091-2005和《铸造磨球》GB/T 17445-2009这两个国家标准文件的相关标准来制定的，其中半自磨机使用的锻(轧)类钢球国标发布时间为2005年，该标准主要通过2005年以前国内磨矿相关经验总结得出，硬度评价主要包括钢球的表面硬度和芯部硬度绝对数值的大小，从而判断其耐磨性。而2004年以前，国内选矿领域使用的磨机主要为小直径磨机(直径小于5米)，自磨、半自磨工艺技术发展相对缓慢，冬瓜山铜矿引进美卓公司的8.53m×3.96m半自磨机于2004年顺利投产，大红山铁矿引进美卓公司的8.53m×4.27m半自磨机于2006年投产，2010年江铜集团德兴铜矿采用当时国产最大的半自磨生产线也投产，设计使用1台10.37m×5.19m半自磨机，此后，国内大型(半)自磨的应用才不断有新的进展。因此，采用2005年发布的相关标准已不能合理评价目前袁家村铁矿使用的10.37m×5.49m大型半自磨磨矿介质的适用性。

经过不断试验和总结，发现引起半自磨钢球在筒体内直接爆裂的主要原因为钢球硬度从其芯部到表面分布不合理，结合这一情况，亟待研究出一种新的大直径磨机用钢球评价方法。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的不足，解决符合现有评价方法的钢球在大直径磨机内磨矿过程中钢球发生从内部爆裂的技术问题，本发明提供一种大直径磨机用钢球评价方法。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种大直径磨机用钢球评价方法，通过引入钢球体积硬度均匀性和硬度梯度评价指标对钢球进行科学评价。采用上述方法，可以有效控制钢球合格率，减少碎球率，增加钢球有效磨矿作用。所述评价方法包括以下步骤：

步骤1：选取钢球样本，分别采集钢球样本上距球心距离xR分别为0、1/4R、1/2R、3/4R、 R的同一球面位置处若干检测点的硬度值xi，其中，R为钢球半径，单位为mm；xi为同一球面位置处若干检测点的硬度值，单位为HRC；i的取值范围为1～n，n为不小于5的正整数；

步骤2：基于步骤1采集的钢球样本上分别距球心0、1/4R、1/2R、3/4R、R的球面位置处若干检测点的硬度值，建立钢球体积硬度均匀性评价指标与硬度梯度合理性评价指标，本步骤具体为：

Ⅰ、体积硬度均匀性评价指标：

a、根据采集的距球心的距离xR分别为1/4R、1/2R、3/4R、R的球面位置处i个检测点的硬度值xi，分别确定同一球面位置处的硬度值的平均值其中R为钢球半径，单位为mm：

b、分别确定每个球面位置处硬度值的标准差值S：

式(1)、式(2)中：xi表示第i点处硬度值，i的取值范围为1～n，n为不小于5的正整数；表示同一球面位置上的硬度值的平均值，单位为HRC；S表示每个球面位置处硬度值的标准差值；

c、根据计算所得的每个球面位置处硬度值的标准差值S，确定钢球硬度值标准差值S的平均值为：

d、采用式(3)确定的钢球硬度值标准差值的平均值来描述钢球体积硬度均匀性；

Ⅱ、硬度梯度合理性评价指标：

a、在距球心距离xR分别为0、1/4R、1/2R、3/4R、R的球面位置处与式(1)相同的方法分别确定同一球面位置处的硬度值的平均值其中，R为钢球半径，单位为mm；

b、对同一球面位置处的硬度值的平均值与对应的距球心距离xR作一元线性回归分析，生成硬度值的平均值与距球心距离xR的标准硬度梯度拟合曲线HR为：

HR＝n+k0xR； 式(4)

式(3)中，n为常数，k0为标准斜率值，k0即式(4)标准硬度梯度拟合曲线的斜率值；

c、对距球心任意距离xr的球面上与式(1)相同的方法分别测得同一球面位置处的硬度值的平均值同一球面位置处的硬度值的平均值与对应的距球心距离xr作一元线性回归分析，生成距球心任意点位置处的硬度值Hr与距球心距离xr的硬度梯度拟合曲线：

Hr＝n′+kxr； 式(5)

式(4)中，n’为常数，k为硬度梯度拟合曲线的斜率值；

d、采用式(4)与式(5)确定的硬度梯度拟合曲线的斜率值k以及硬度梯度拟合曲线的斜率值k与标准斜率值k0的差值的绝对值|k-k0|描述钢球硬度梯度的合理性。

进一步地，所述步骤2第Ⅰ-d中，钢球硬度值标准差值的平均值的值越小，表示钢球在该球面上硬度分布均匀，不容易发生偏磨。

进一步地，所述步骤2第Ⅱ-d中，当k值为正数时，并且k值与标准斜率值k0的差值的绝对值|k-k0|越小，表示钢球硬度沿径向分布越合理；k值为负数时，表示钢球不适合在大直径磨机内使用。

进一步地，根据本评价方法确定的所述硬度梯度拟合曲线的斜率值k与标准斜率值k0的差值的绝对值|k-k0|的值≤0.1时，并且钢球硬度值标准差值的平均值的值≤2时，并且检测实际磨矿后钢球的碎球率≤3％、失圆率≤10％时，称大直径磨机用钢球的等级为优质级。

进一步地，根据本评价方法确定的所述硬度梯度拟合曲线的斜率值k与标准斜率值k0的差值的绝对值|k-k0|的值≤0.1时，并且钢球硬度值标准差值的平均值的值＞2时，并且检测实际磨矿后钢球的碎球率≤3％、10％＜失圆率≤15％，称大直径磨机用钢球的等级为一级。

进一步地，根据本评价方法确定的所述硬度梯度拟合曲线的斜率值k与标准斜率值k0的差值的绝对值|k-k0|的值＞0.1时，并且钢球硬度值标准差值的平均值的值≤2时，并且检测实际磨矿后钢球的碎球率≤10％、失圆率≤15％，称大直径磨机用钢球的等级为二级。

进一步地，根据本评价方法确定的所述硬度梯度拟合曲线的斜率值k与标准斜率值k0的差值的绝对值|k-k0|的值＞0.1时，并且钢球硬度值标准差值的平均值的值＞2时，并且检测实际磨矿后钢球的碎球率≤10％、15％＜失圆率≤20％，称大直径磨机用钢球的等级为三级。

进一步地，根据本评价方法确定的所述硬度梯度拟合曲线的斜率值k为负数时，并且检测实际磨矿后钢球的碎球率≥90％、失圆率≥92％，称大直径磨机用钢球的等级为劣质级。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：

1、降低了磨矿过程的钢球单耗，正常生产过程中能将钢球单耗控制在预算值范围内，降低了选矿成本。

2、消除了半自磨钢球从内部爆裂的异常情况。采用该评价方法后，原碎球率大于92％的系列，现检测碎球率都在3％左右，保证钢球能最大化实现其磨矿效果。

附图说明

图1为现有的评价方法中钢球硬度检测点分布情况示意图。

图2为本发明提供的评价方法中钢球硬度检测点分布情况示意图。

图3为标准硬度梯度拟合曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

本实施例中，采用本发明提供的同样的评价方法对目前生产用球和试验用球进行对比评价，具体如下。

一种大直径磨机用钢球的评价方法，包括以下步骤：

步骤1：以现场半自磨使用钢球直径为例，选取钢球样本，如图2所示分别采集钢球样本上距球心距离xR分别为0、1/4R、1/2R、3/4R、R的同一球面位置处若干检测点的硬度值xi，其中，R为钢球半径，单位为mm；xi为同一球面位置处若干检测点的硬度值，单位为HRC；i的取值范围为1～n，n为不小于5的正整数，本实施例中n的取值为5；

目前生产用球上：

距球心距离xR为0mm，即在钢球的芯部位置处硬度值为35.5HRC；

距球心距离xR为1/4R的球面位置处，即距球心距离xR为30mm的球面位置处，1—5号检测点的硬度值依次为34.8、34.4、36.4、34.6、33.2，单位为HRC；

距球心距离xR为1/2R的球面位置处，即距球心距离xR为60mm的球面位置处，1—5号检测点的硬度值依次为34.1、37.9、37.4、38.6、36，单位为HRC；

距球心距离xR为3/4R的球面位置处，即距球心距离xR为90mm的球面位置处，1—5号检测点的硬度值依次为33.7、39.6、38.6、38.7、38.4，单位为HRC；

距球心距离xR为R的球面位置处，即在钢球的表面位置处，1—5号检测点的硬度值依次为51、51.9、43.9、53.7、45.6，单位为HRC；

试验钢球上：

距球心距离xR为0mm，即在钢球的芯部硬位置处度值为62.6HRC；

距球心距离xR为1/4R的球面位置处，即距球心距离xR为30mm的球面位置处，1—5号检测点的硬度值依次为60.4、61、60.1、57.6、57.7，单位为HRC；

距球心距离xR为1/2R的球面位置处，即距球心距离xR为60mm的球面位置处，1—5号检测点的硬度值依次为60、59.7、66.2、64.7、58.7，单位为HRC；

距球心距离xR为3/4R的球面位置处，即距球心距离xR为90mm的球面位置处，1—5号检测点的硬度值依次为57.8、60.1、54.7、61.3、62.7，单位为HRC；

距球心距离xR为R的球面位置处，即在钢球的表面位置处，1—5号检测点的硬度值依次为58.7、59.9、58.4、58、61.7，单位为HRC；

步骤2：基于步骤1采集的钢球样本上分别距球心0、1/4R、1/2R、3/4R、R的球面位置处若干检测点的硬度值，建立钢球体积硬度均匀性评价指标与硬度梯度合理性评价指标，本步骤具体为：

Ⅰ、体积硬度均匀性评价指标：

a、根据采集的距球心的距离xR分别为1/4R、1/2R、3/4R、R的球面位置处i个检测点的硬度值xi，分别确定同一球面位置处的硬度值的平均值其中R为钢球半径，单位为mm：

目前生产用球上：

距球心距离xR为1/4R的球面位置处硬度值的平均值为34.68HRC；

距球心距离xR为1/2R的球面位置处硬度值的平均值为36.80HRC；

距球心距离xR为3/4R的球面位置处硬度值的平均值为37.80HRC；

距球心距离xR为R的球面位置处硬度值的平均值为49.22HRC；

试验钢球上：

距球心距离xR为1/4R的球面位置处硬度值的平均值为59.36HRC；

距球心距离xR为1/2R的球面位置处硬度值的平均值为61.86HRC；

距球心距离xR为3/4R的球面位置处硬度值的平均值为59.32HRC；

距球心距离xR为R的球面位置处硬度值的平均值为59.34HRC；

b、分别确定每个球面位置处硬度值的标准差值S：

式(1)、式(2)中：xi表示第i点处硬度值，i的取值范围为1、2、3、4、5；

c、根据计算所得的每个球面位置处硬度值的标准差值S，确定钢球硬度值标准差值S的平均值为：

经计算可知，本实施例中：

目前生产用球上：

距球心距离xR为1/4R的球面位置处，钢球硬度值标准差值S的平均值为1.02；

距球心距离xR为1/2R的球面位置处，钢球硬度值标准差值S的平均值为1.60；

距球心距离xR为3/4R的球面位置处，钢球硬度值标准差值S的平均值为2.09；

距球心距离xR为R的球面位置处，钢球硬度值标准差值S的平均值为3.79；

试验钢球上：

距球心距离xR为1/4R的球面位置处，钢球硬度值标准差值S的平均值为1.43；

距球心距离xR为1/2R的球面位置处，钢球硬度值标准差值S的平均值为3.00；

距球心距离xR为3/4R的球面位置处，钢球硬度值标准差值S的平均值为2.81；

距球心距离xR为R的球面位置处，钢球硬度值标准差值S的平均值为1.34；

d、采用式(3)确定的钢球硬度值标准差值的平均值来描述钢球体积硬度均匀性；

目前生产用球上钢球硬度值标准差值的平均值为：2.13，试验钢球上钢球硬度值标准差值的平均值为：2.14；

Ⅱ、硬度梯度合理性评价指标：

a、在距球心距离xR分别为0、1/4R、1/2R、3/4R、R的球面位置处与式(1)相同的方法分别确定同一球面位置处的硬度值的平均值其中，R为钢球半径，单位为mm；

b、对同一球面位置处的硬度值的平均值与对应的距球心距离xR作一元线性回归分析，生成硬度值的平均值与距球心距离xR的标准硬度梯度拟合曲线HR为：

HR＝n+k0xR； 式(4)

式(3)中，n为常数，k0为标准斜率值，k0即式(4)标准硬度梯度拟合曲线的斜率值；

c、对距球心任意距离xr的球面上与式(1)相同的方法分别测得同一球面位置处的硬度值的平均值同一球面位置处的硬度值的平均值与对应的距球心距离xr作一元线性回归分析，生成距球心任意点位置处的硬度值Hr与距球心距离xr的硬度梯度拟合曲线：

Hr＝n′+kxr； 式(5)

式(4)中，n’为常数，k为硬度梯度拟合曲线的斜率值；

d、采用式(4)与式(5)确定的硬度梯度拟合曲线的斜率值k以及硬度梯度拟合曲线的斜率值k与标准斜率值k0的差值的绝对值|k-k0|描述钢球硬度梯度的合理性；

目前生产用球上钢球硬度梯度拟合曲线的斜率值k与标准斜率值k0的差值的绝对值|k-k0| 为：0.08，试验钢球上硬度梯度拟合曲线的斜率值k为负数。

进一步地，所述步骤2第Ⅰ-d中，钢球硬度值标准差值的平均值的值越小，表示钢球在该球面上硬度分布均匀，不容易发生偏磨。

进一步地，所述步骤2第Ⅱ-d中，当k值为正数时，并且k值与标准斜率值k0的差值的绝对值|k-k0|越小，表示钢球硬度沿径向分布越合理；k值为负数时，表示钢球不适合在大直径磨机内使用。

综上所述，半自磨钢球的硬度评价具体情况如下表1所示：

表1半自磨钢球硬度评价情况

从上表结果可以看出，两种钢球体积硬度均匀性指标值分别为2.13和2.14，几乎相同，该项指标相差不大。目前生产用球虽然硬度平均值整体低于试验钢球(平均硬度值比试验钢球低20HRC)，但试验钢球硬度梯度回归分析k值为负，从芯部到表面的硬度值呈递减趋势，硬度梯度不合理，不符合半自磨使用要求，钢球在筒体内抛落受到冲击作用时，内部应力大于表面应力，极易从内部发生爆裂，试验过程中，现场发现碎球量大幅增加，通过半自磨格子板孔排出的钢球几乎全部为不规则碎块，导致半自磨以及后续一段球磨分级作业最终钢球总单耗增加，磨矿效果下降，粒度变粗，该试验钢球不符合现场半自磨使用要求，放弃使用。

进一步地，根据本评价方法确定的所述硬度梯度拟合曲线的斜率值k与标准斜率值k0的差值的绝对值|k-k0|的值≤0.1时，并且钢球硬度值标准差值的平均值的值≤2时，并且检测实际磨矿后钢球的碎球率≤3％、失圆率≤10％时，称大直径磨机用钢球的等级为优质级。

进一步地，根据本评价方法确定的所述硬度梯度拟合曲线的斜率值k与标准斜率值k0的差值的绝对值|k-k0|的值≤0.1时，并且钢球硬度值标准差值的平均值的值＞2时，并且检测实际磨矿后钢球的碎球率≤3％、10％＜失圆率≤15％，称大直径磨机用钢球的等级为一级。

进一步地，根据本评价方法确定的所述硬度梯度拟合曲线的斜率值k与标准斜率值k0的差值的绝对值|k-k0|的值＞0.1时，并且钢球硬度值标准差值的平均值的值≤2时，并且检测实际磨矿后钢球的碎球率≤10％、失圆率≤15％，称大直径磨机用钢球的等级为二级。

进一步地，根据本评价方法确定的所述硬度梯度拟合曲线的斜率值k与标准斜率值k0的差值的绝对值|k-k0|的值＞0.1时，并且钢球硬度值标准差值的平均值的值＞2时，并且检测实际磨矿后钢球的碎球率≤10％、15％＜失圆率≤20％，称大直径磨机用钢球的等级为三级。

进一步地，根据本评价方法确定的所述硬度梯度拟合曲线的斜率值k为负数时，并且检测实际磨矿后钢球的碎球率≥90％、失圆率≥92％，称大直径磨机用钢球的等级为劣质级。

通过半自磨钢球硬度评价情况，根据体积硬度均匀性以及硬度梯度具评价方法，可以人为规定大直径磨机使用钢球的评价等级如下表2所示：

表2大直径磨机使用钢球评价方法细则

符合本发明提供的大直径磨机使用钢球评价方法评价的钢球，在筒体内抛落受到冲击作，通过半自磨格子板孔排出的钢球的碎球样本的情况，基本消除了半自磨钢球从内部爆裂的异常情况，检测碎球率在3％左右，保证钢球能最大化实现其磨矿效果。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。