一種鋼材防銹裝置

文/型鋼廠 李江波

一、問題背景描述

2009年春天，一次偶然的機會，了解到說臺灣中鋼的一條生產(chǎn)線在后部工序安裝了一個黑匣子。當(dāng)鋼材穿過這個黑匣子后，鋼材表面非常光潔，看不到銹蝕現(xiàn)象。詢問黑匣子里面是什么，他們答復(fù)說這是技術(shù)秘密，不能告訴。那么這個黑匣子里到底有什么、里面采用了什么技術(shù)呢？我們不得而知。我聽了之后，感到這個問題比較難、有挑戰(zhàn)性。也經(jīng)常思考，但是沒有想出方法來。

二、問題分析及繪制物場模型利用標(biāo)準(zhǔn)解提出解決方案

決定拋開原料成分等外部原因，從軋鋼工序自身想解決辦法。在培訓(xùn)時劉彥辰教授講過的一句話給我留下了深刻的印象，那就是：“對于真正困難的問題，大部分是要用物場分析來解決的。”于是想到解決這個問題要應(yīng)用到——場。

分析現(xiàn)有的物場模型如下：

要解決該問題，考慮對該物場模型加以改變：

改變1：增加一個新的場F2

改變2：增加一個新的物質(zhì)S3來隔離S2對S1的有害作用

形成的結(jié)果如下：

增加的新的物質(zhì)S3選擇什么呢？

考慮H2、石墨粉、漆等多種物質(zhì)，決定選擇N2。

那么增加的新的場F2選擇什么呢？

由于導(dǎo)致鋼材生銹的根本原因是Fe與空氣和水中的O2發(fā)生反應(yīng)，因此考慮通過增加電磁場使帶正電荷的Fe離子和帶負(fù)電荷的O離子移向相反的方向，阻止Fe2O3、Fe3O4和FeO的生成。因為所學(xué)專業(yè)不同，在這里，考慮到了應(yīng)用效應(yīng)知識庫。

經(jīng)過對微波、紅外線、紫外線等電磁波進行篩選，考慮實施難度、效果、反射等特性，最終決定選擇微波。

三、方案評價

四、最終解決方案

1.磁控管，2.微波，3.氮氣，4.吹氮孔，5.箱體，6.上方H型鋼腹板，7.下方H型鋼腹板， 8.開口， 9.上方H型鋼翼緣，10.下方H型鋼翼緣。

微波能夠穿透玻璃、陶瓷等物質(zhì)，但是無法穿透金屬。于是利用微波不能穿透金屬的特點，使放射到H型鋼腹板上的微波，在上下層腹板交替反射傳輸，實現(xiàn)H型鋼通條受到微波處理。

五、現(xiàn)場應(yīng)用情況介紹

針對這個專利做了兩次將微波施加在型鋼表面的實驗。在實驗結(jié)果中已經(jīng)看出，在同等輻射強度下，輻射時間越長，在1～2個月之后鋼材表面的銹蝕程度越輕，證明了它的有效性。下一步需要研究輻射強度、溫度、時間對銹蝕的影響規(guī)律以及如何與生產(chǎn)現(xiàn)場結(jié)合起來的問題。

六、項目效益（經(jīng)濟效益和社會效益）

使用該裝置減輕銹蝕，可年創(chuàng)效益70萬元/年。

該解決問題的思路方法對于解決現(xiàn)場問題，促進節(jié)能減排有積極意義。 責(zé)編/劉紅偉

附：專利證書

軋輥氣霧冷卻

一、問題背景描述

熱軋H型鋼生產(chǎn)線多采用萬能連軋機組，軋輥需要高壓水進行冷卻以保護軋輥。當(dāng)冷卻水對軋輥冷卻時冷卻水落在H型鋼軋件上，由于H型鋼呈槽狀，冷卻水落入槽里不能脫離軋機，冷卻水大量的留在軋機里引起腹板溫度降低，而翼緣受冷卻水影響較小，溫度降低不明顯，因此造成軋件斷面溫差大，成品內(nèi)應(yīng)力大。

二、問題分析

圖1 功能分析圖

軋輥對軋件進行加工變形，而軋輥與軋件接觸時熱量會傳遞到軋輥上導(dǎo)致軋輥溫度升高，需要大量的冷卻水對軋輥進行冷卻，大量的冷卻水落在軋件上引起腹板溫度降低。

三、描述技術(shù)矛盾（或物理矛盾）

通過分析發(fā)現(xiàn)本技術(shù)系統(tǒng)存在物理矛盾，即：為很好地冷卻軋輥需要大量的水，為減少對軋件腹板的溫度降低又需要用很少的水進行冷卻。此矛盾可認(rèn)為是物質(zhì)的數(shù)量既要多又要少的物理矛盾，根據(jù)解決發(fā)明問題引導(dǎo)表中的參數(shù)06（物質(zhì)的數(shù)量）查出對應(yīng)的發(fā)明原理為35、03、31、01、10、17、28、30。

四、根據(jù)發(fā)明原理提出解決方案

方案一：根據(jù)35號發(fā)明原理（狀態(tài)或參數(shù)變化原理）B項（改變物體的濃度或密度），提出可將冷卻水霧化并以一定的壓力噴到軋輥上。這種冷卻方式需要的水量小，但冷卻效果卻比水冷要好。

方案二：根據(jù)17號發(fā)明原理（多維化原理）C項（將物體傾斜或側(cè)向放置），可以將H型鋼軋件傾斜放置，也就是說軋制H型鋼不要水平軋制而是改為傾斜軋制。

方案三：根據(jù)17號發(fā)明原理（多維化原理）D項（利用物體的另一面）和發(fā)明原理10（預(yù)先作用），原有技術(shù)系統(tǒng)中水冷卻的是軋輥的外表面，根據(jù)此原理想到用水冷卻軋輥的內(nèi)表面，要想冷卻內(nèi)表面，預(yù)先要在軋輥內(nèi)部穿過一冷卻水管，來冷卻軋輥，這樣水就不會落在軋件上，從而消除了水對軋件的有害作用。

方案四：根據(jù)17號發(fā)明原理（多維化原理）D項（利用物體的另一面），讓水從軋輥的下方朝上方噴出，在重力的作用下水會自然下落，而不會落在軋輥上。

五、繪制物場模型利用標(biāo)準(zhǔn)解提出解決方案

（一）使用大量水冷卻時的物場模型分析

根據(jù)對技術(shù)系統(tǒng)的分析繪制使用大量水對軋輥進行冷卻的物場模型，見圖2。

圖2 大量水時的物場模型

圖3 少量水時的物場模型

圖2所示的物場模型為完整有害的物場模型，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)的1.2消除或抵消系統(tǒng)內(nèi)的有害作用中的標(biāo)準(zhǔn)解提出解決方案。

標(biāo)準(zhǔn)解1.2.2—引入系統(tǒng)中現(xiàn)有物質(zhì)的變異物。

方案五：利用水的變異物水霧進行冷卻，用水量大大減少，減輕了水對軋件的有害作用（與解決方案一是相同的）。

標(biāo)準(zhǔn)解1.2.3—引入第二種物質(zhì)。

方案六：用惰性氣體進行冷卻（如液態(tài)氮）。

（二）使用少量水冷卻時的物場模型分析

根據(jù)對技術(shù)系統(tǒng)的分析繪制使用大量水對軋輥進行冷卻的物場模型，見圖3。

標(biāo)準(zhǔn)解2.1.1向鏈?zhǔn)轿镔|(zhì)場躍遷。

方案七：引人另一個物質(zhì)（如冷的氣體）來增強冷卻的效果。

六、方案評價

七、最終解決方案

經(jīng)過以上分析比較，認(rèn)為方案一用氣霧冷卻方式代替原先水冷方式，成本增加不大，在現(xiàn)場容易實現(xiàn)。因此確定方案一為最終解決方案。根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)實際情況和生產(chǎn)任務(wù)安排，確定在小型H型鋼生產(chǎn)進行試驗。

在實驗室通過熱模擬機繪出的溫降曲線分別對氣霧冷卻和水冷效果進行了比較，可以發(fā)現(xiàn)采用氣霧冷卻的方式來冷卻試樣，與達(dá)到相同冷卻效果的水冷方式相比，所需要的水量僅為水冷方式下水量的1/3。這是因為在相同水量下，氣霧冷卻由于水被壓縮空氣霧化，水蒸發(fā)量大，水滴小，單位面積帶走的熱量大，使得傳熱系數(shù)大大提高、冷卻更均勻，從而使試樣的冷卻效果更好，增加軋輥的使用壽命；從節(jié)能的方面考慮，氣霧冷卻所用水量比完全水冷所需水量要少的多，節(jié)約了大量的水資源；由于冷卻水量的大幅度降低，大幅度減少了H型鋼腹板殘留的冷卻水，降低了H型鋼軋制過程的不同部位的溫差，減小了因斷面溫差造成的H型鋼殘余應(yīng)力，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減少了殘次品的產(chǎn)生。

通過H型鋼軋制過程中軋輥溫度場的仿真分析可知：萬能軋機水平輥輥面與H型鋼腹板接觸的部位溫度最低且分布均勻，靠近R角部位溫度逐漸升高，最高點出現(xiàn)在R角部位。要使得氣霧冷卻達(dá)到理想的效果，需使氣霧冷卻的覆蓋面能達(dá)到合適的范圍，且R角處的溫度必須降下來，因此在冷卻裝置的設(shè)計中，應(yīng)對H型鋼R角處進行重點冷卻。

小型H型鋼軋輥氣霧冷卻裝置設(shè)計的基本原則：在保證軋輥冷卻效果的前提下，盡量減少H型鋼腹板殘留冷卻水，降低H型鋼各部位的溫差，減少冷卻水量，節(jié)約資源。

小型H型鋼車間軋區(qū)工藝平面布置如圖4所示。其中，R1、R2為粗軋機，U1、U2、U3為精軋機組，E1、E2為軋邊機。本次軋輥的氣霧冷卻實驗在精軋機組的末架軋機上進行，主要針對軋機上部的軋輥冷卻。氣霧冷卻中壓縮空氣由空氣壓縮機提供。

通過氣霧噴嘴的冷卻實驗研究及相關(guān)文獻(xiàn)檢索，噴嘴與輥面間距為150mm時可以獲得較好的冷卻效果。由計算可知，僅需在輥面軸線中點處布置一個噴嘴，氣霧覆蓋面即可覆蓋整個軸向輥面。考慮到R角與軋輥端面的冷卻，可在軋輥兩端正對著R角處各加一個噴嘴，即3個噴嘴為一組。由于小型H型鋼精軋機僅在工作輥上半部分存在多余空間以放置噴嘴，則以噴嘴噴出氣霧覆蓋工作輥的上半部分。氣霧裝置示意圖如圖5、圖6、圖7所示。

經(jīng)過計算，若要覆蓋工作輥的上半部分，至少需要4組噴嘴，沿著軋輥輥面均布在工作輥的上方。所示?，F(xiàn)場氣霧冷卻裝置如圖7所示。

圖5 軋輥氣霧冷卻裝置圖

圖6 軋輥氣霧冷卻裝置側(cè)視圖

圖7 現(xiàn)場氣霧冷卻裝置

八、現(xiàn)場應(yīng)用情況介紹

通過在小型H型鋼線上精軋機組末架軋機U3上進行軋輥氣霧冷卻試驗，得出氣霧冷卻軋輥具有以下優(yōu)點：

1.在保證軋件表面質(zhì)量前提下，過鋼量由原來的800t提高到1050t，提高了約30%；

2.在達(dá)到了軋輥冷卻強度的前提下，采用氣霧冷卻方式冷卻軋輥僅為水冷方式下耗水量的1/3；

3.采用氣霧冷卻方式冷卻軋輥時，型鋼腹板內(nèi)冷卻水減少約2/3；

4.采用氣霧冷卻方式時，型鋼表面最高溫度部位R角溫度在920℃～940℃之間，最低溫度部位腹板溫度800℃～840℃之間；采用水冷方式時，型鋼表面最高溫度部位外翼緣溫度在920℃～940℃之間，最低溫度部位腹板溫度790℃～820℃之間；可知采用氣霧冷卻方式，型鋼表面最大溫差減少了18℃左右。

由此可知，軋輥氣霧冷卻可以有效提高產(chǎn)量，改善軋件性能。

九、項目效益

當(dāng)前小型線噸鋼輥耗為3.93千克/噸，軋輥價格為1.4萬元/噸，應(yīng)用本技術(shù)后，小型線過鋼量由原來的800t提高到1050t，軋輥噸鋼消耗降低約30%，噸鋼輥耗降至：

3.93×（100%-30%）=2.75千克/噸。

噸鋼成本降低：

（3.93-2.75）1.4×10000/1000=16.52元/噸；

小型線當(dāng)前年產(chǎn)能為25萬噸，年降本增效：

16.52元/噸×25萬噸=413萬元。

責(zé)編/劉紅偉