一、問題背景描述
　　熱軋H型鋼生產(chǎn)線多采用萬能連軋機(jī)組，軋輥需要高壓水進(jìn)行冷卻以保護(hù)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(jī)，冷卻水大量的留在軋機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行冷卻（如液態(tài)氮）。
　?。ǘ┦褂蒙倭克鋮s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(jìn)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(qiáng)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(jìn)行試驗。
　　在實驗室通過熱模擬機(jī)繪出的溫降曲線分別對氣霧冷卻和水冷效果進(jìn)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(jī)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(diǎn)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(jìn)行重點(diǎn)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(jī)，U1、U2、U3為精軋機(jī)組，E1、E2為軋邊機(jī)。本次軋輥的氣霧冷卻實驗在精軋機(jī)組的末架軋機(jī)上進(jìn)行，主要針對軋機(jī)上部的軋輥冷卻。氣霧冷卻中壓縮空氣由空氣壓縮機(jī)提供。

　　　　　　　　　　　　　圖4 型鋼車間軋區(qū)工藝平面布置示意圖

　　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(diǎn)處布置一個噴嘴，氣霧覆蓋面即可覆蓋整個軸向輥面?？紤]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(jī)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(jī)組末架軋機(jī)U3上進(jìn)行軋輥氣霧冷卻試驗，得出氣霧冷卻軋輥具有以下優(yōu)點(diǎn)：
　　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(qiáng)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：
　?。?.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