解決加熱爐爐門損壞問題

文/萊鋼棒材廠　徐龍

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解決加熱爐爐門損壞問題

文/萊鋼棒材廠徐龍

一、問題背景描述

棒材廠水壓機車間生產大型鍛件產品，現有五座加熱爐、一臺水壓機。生產時先將原料鋼錠在加熱爐中加熱至1240℃左右，加熱時爐門關閉，起到密封保溫作用。當溫度達到要求時由電機帶動提升機構將爐門提起，取出鍛件進行鍛造，當溫度降至終鍛溫度以下時，再將其放入加熱爐進行加熱，如此反復多次加工，使鍛件最終形狀和材質達到工藝要求。在爐門提升和下降過程中由爐門兩側的滾筒軸進行限位，以保證爐門垂直起降。

二、問題分析

首先對系統進行分析，繪制出系統功能圖，見圖1：

圖1　系統功能圖

技術系統達到的目標：在加熱鍛件時，關閉加熱爐爐門，起到密封保溫作用，使鍛件受熱均勻并節省燃料，爐門重量要輕，而且要堅固耐用。

根據系統功能圖，對系統進行分析。水壓機加熱爐爐門采用的是四周護鐵，中間澆注料結構。由于有害功能的存在，在使用過程中主要存在以下問題：

（1）由于爐門長時間處于高溫烘烤狀態，并且底部溫度偏高，經常出現爐門底部護鐵燒壞、脫落，澆注料塌陷的狀況。

（2）爐門護鐵為合金材料，價格昂貴（每塊11700元），使用周期短，成本大。

（3）爐門升降是電機帶動提升機構來完成的，由于澆注料密度很大，每個爐門重量達到4噸左右，提升機構經常出現故障，而且爐門兩側的滾筒軸磨損也比較嚴重，需要經常更換。

由于上述問題，一般3個月就要將澆注料全部更換一次，半年對爐門底部護鐵更換一次，提升機構和滾筒軸根據使用情況不定期更換，不僅維修費用大，而且嚴重影響了生產的連續性。

解決問題的限制：

（1）不能投入太大的成本（不能使用價格更高的更耐熱的材料）；

（2）技術系統結構不能有大的改變（盡量不改變原有技術系統）。

三、描述技術矛盾

1．定義問題模型

技術矛盾1：如果加熱爐溫度足夠高，可以很好地滿足鍛造工藝需要，但高溫對爐門破壞力很大，需要頻繁更換相應部件。

技術矛盾2：如果降低加熱爐溫度，可以保護爐門不被燒損，但鍛件溫度太低無法滿足工藝要求。

技術矛盾3：爐門要堅固耐用，防止受熱變形或扭曲，通常情況下就要增加重量，勢必會加快提升機構和滾筒軸的磨損。

技術矛盾4：如果減小爐門厚度可以降低其重量，但保溫性能會降低，而且結構穩定性也會變差。

根據技術系統的主要生產過程——鍛造，從技術矛盾1和技術矛盾4來入手解決問題。

2．確定理想解

定義理想解為：對爐門進行最小的改動，提高其耐熱性，同時要在保證結構牢固前提下，減輕爐門重量，減少對提升機構和滾筒軸的磨損，同時還要考慮費用成本要低。

四、根據發明原理提出解決方案

將技術矛盾用通用工程參數來描述：

技術矛盾1：針對的子系統是加熱爐，要改善的參數是“溫度”，惡化的參數是“有害副作用”、“結構的穩定性”、“靜止物體的耐久性”。

技術矛盾4：針對的子系統是爐門，要改善的參數是“靜止物體的重量”，惡化的參數是“強度”、“結構的穩定性”、“靜止物體的耐久性”。

對照這些參數查找矛盾矩陣表，結果見表1。

表1　矛盾矩陣表（局部）

1．22“變害為益原理”

解決方案一：可以將爐門處的高溫能量轉移，用于加熱鍛件，即在爐門處加一大功率風機將火焰吹向鍛件。

2．24“中介原理”

解決方案二：爐門澆注料、護鐵一般都為固態，將爐門內部增加液態循環冷卻系統則能起到很好的降溫作用。

解決方案三：在火焰和爐門之間增加一個隔熱層。

3．01“分割原理”

解決方案四：原來更換澆注料時全部更換，但上部和下部損壞程度不一樣，全部更換造成資源浪費，可以將原來整體的澆注料改成小的模塊，并用擋板分成上下兩部分，對重量也沒什么影響。

4．40“復合材料原理”

解決方案五：是否可以找一種更好的材料代替現在的護鐵加澆注料呢？而且這種材料重量要輕，成本要比原來材料低。

五、方案評價

通過上述分析，共得出五種方案，下面對各方案進行評價分析。

方案一：在爐門處加一大功率風機將火焰吹向鍛件，成本較低，而且可以變害為利，但由于加熱爐是密封的，若開一風口，則破壞了整體密封性，所以實現難度很大。

方案二：將爐門內部改為液態循環冷卻系統則能起到很好的降溫作用，但需要增加一套循環冷卻設備，成本巨大，而且實施起來也非常困難，沒有很好的經驗可以借鑒。

方案三：在火焰和爐門之間增加一個隔熱層，想法很好，但爐內空間有限，隔熱層必須很薄，而且耐火、耐高溫性能要好，目前市場上還沒有合適的產品。

方案四：將原來整體的澆注料改成小的模塊，并用擋板分成上下兩部分，更換時只更換下部燒損較嚴重的模塊，成本較低，實施起來也比較容易。

方案五：用一種更好的材料代替現在的護鐵加整體澆注料，而且這種材料重量要輕。研究發現，現在市場上的耐高溫材料較多，耐高溫程度不同，密度不同，價格差異也很大。經過綜合考慮，可以選用一種高溫陶瓷纖維，可以承受1500℃高溫（工藝需求1240℃左右），重量較輕（每個爐門重量可降低一半以上），價錢適中。

根據上述分析，對五種方案進行綜合評價，評價結果見表2。

表2　方案評價

將方案四、五綜合起來考慮，結合現場實際情況，可以采用高溫陶瓷纖維材料替換原有的底部護鐵和澆注料，同時將這種纖維材料制成300×300×400mm的模塊，在爐門底部靠下位置焊接一擋板，這樣更換時可以有針對性地只更換底部燒損較嚴重的模塊。而且使用這種模塊后，整個爐門重量僅為原來的一半左右。但是材料更換以后爐門的強度有一定程度降低，需要繼續研究分析。

六、問題再分析

利用前面的方案，爐門的耐高溫問題和重量問題都得到解決了，但是爐門整體強度降低了，需要繼續根據表1的矛盾矩陣表對強度進行分析。

圖2　加熱爐爐門結構示意圖

表3　方案評價

原理26“復制原理”：可以將爐門加厚，增加其穩定性和強度，但是重量和材料成本增加了，此為方案六。

從原理10“預先作用原理”，預先對物體（全部或部分）施加必要的改變，可以考慮常用的“加強筋”方法，即在爐門外面加上筋板，此為方案七。

其他原理均未找到合適解決方案。

七、方案再評價

利用方案七即在爐門外面加上筋板，強度問題得到解決，而且不影響方案四、五的實施，所以決定將這三種方案結合起來一起實施（如表3）。

八、最終解決方案

最終解決方案如圖2所示。在爐門底部靠下位置焊接一擋板，將原來爐門底部護鐵和澆注料改為高溫陶瓷纖維模塊。

1．首先在A-B位置焊接一塊擋板，并在下方焊5塊筋板加固。擋板規格：3000×300×18mm 。

2．在擋板上下固定高溫陶瓷纖維模塊。高溫陶瓷纖維模塊規格：300×300×400mm。

3．為避免在應用時爐門因為受熱發生變形或扭曲，在爐門外面加上筋板。

4．如果在使用過程中，爐門底部高溫陶瓷纖維出現磨損、脫落，僅需將擋板下部的高溫陶瓷纖維更換即可。如圖2

九、現場應用情況簡介

1．改造后的爐門底部護鐵和澆注料由高溫陶瓷纖維模塊代替，使用中未出現異常。

2．改造后的爐門經過7個月的使用，只更換了底部兩塊高溫陶瓷纖維模塊，大大減少了更換澆注料和底部護鐵造成的資源消耗。

3．由于改造后的爐門重量僅為原來的一半，提升機構和滾筒軸損壞現象大大減少，保證了生產順行。

4．改造后的爐門保溫效果更好，使鋼錠的加熱更均勻。

十、取得效益

1．經濟效益

改造前，每個爐門隔3個月需要更換澆注料，每次需要澆注料4噸 ，每年需澆注料16噸。爐門底護鐵半年更換一次，每年需要更換爐門底護鐵4塊。澆注料每噸1600元，護鐵每塊11700元，費用為 16×1600+11700×4=72400元。

改造后，每年僅需更換一次高溫陶瓷纖維，當出現碰撞損壞時，只需更換擋板以下的陶瓷材料即可，預計共需3.876立方米。按每立方米8050元計算，費用為 3.876×8050=31202元。

每個爐門年節省費用： 72400-31202=41198元。水壓機車間共有5座加熱爐，5個爐門全部進行了改進，每年可節省維修費用41198×5=205990元

改造后的爐門，重量更輕，安全系數更高，每年減少對提升裝置和滾筒軸的維修費用為8000元。

綜上所述，此項目實施后年可創造經濟效益：205990+8000=213990元。

2．社會效益

改造后的加熱爐爐門使用周期更長，減輕了維修人員勞動強度，保證了生產工藝的連續性和生產的順行保溫效果更好，提高了鍛件加熱質量和產量，縮短了鍛件交貨期，提升了顧客滿意度。

責編/劉紅偉