河南通宇冶材集团----通宇重工

摘要：连铸设备在国内各大钢厂中已普遍采用。连铸辊是连铸设备中的主要消耗部件，是连铸机的主要零部件之一，一台板坯连铸机约有350-750支连铸辊。连铸辊安装位置包括支撑导向段、扇形段、矫直段、水平段四部分。尤其是支撑导向段、扇形段和矫直段，一方面要承受钢坯的高温辐射及钢坯通过时产生的鼓胀力和静压力引起的循环载荷，还要承受喷淋冷却水和高温钢坯的冷热疲劳。因此，连续工作一段时间后，辊面会产生磨损、腐蚀、热变形和疲劳断裂。当腐蚀及裂纹达到一定程度时，必须下机检修，否则会造成钢坯表面及内部质量不合格，甚至会发生因连铸辊断裂导致漏钢的重大事故。因此连铸辊的质量和寿命在连铸生产过程中至关重要，直接影响到板坯质量、生产成本和连铸作业率。而连铸辊的质量主要体现在辊身母材表面堆焊的高耐磨层上。目前国内外普遍采用明弧和埋弧的自动螺旋堆焊，经车加工后使用。

 一、问题描述

（1）问题背景

该连铸辊是一种母材表面堆叠敷材结构，广泛应用于各种炼钢设备的连铸机中。

问题发生的条件：

连铸辊在工作中受冷却水和高温钢坯的冷热交替影响及钢坯的摩擦作用下，出现辊面损坏。

对新技术系统的要求：

连铸辊不受使用及环境影响而造成过早损坏。

设定最终理想解（IFR）：

连铸辊永不损坏。

二、解题过程

1、鱼骨图因果分析：

通过因果分析得知，造成连铸辊磨损的根本原因如下：

1、高温钢坯对连铸辊的持续热辐射;

2、水对连铸辊的冷却程度不够；       

3、连铸辊母材与表面材料的热膨胀系数不均；

4、支撑机构使钢坯与连铸辊之间产生摩擦;

5、表面材料的纤维组织分布不均。       

2、系统分析

系统组件           技术系统

连铸辊工作时为了输送高温钢坯

          超系统         系统组件          子系统

          水              连铸辊              辊子母材

          高温钢坯          支撑框架          辊子表面材料

                             驱动机构

                             水冷机构

                             液压机构

组件分析

通过组件功能模型分析，我们描述了系统中的组件都有哪些，以及它们之间的相互关系，并得出导致过早损坏的三个功能因素：

1.钢板磨损连铸辊有害。

2.水冷却连铸辊不足。

3.表面材料保护不足。

根据裁剪法实施策略，找到系统中的组件表面材料对其进行裁剪。

拟采取的解决方案：更换母材材质，使母材本身能够完成连铸辊对高温钢坯的输送功能（将表面材料进行裁剪）。

3、问题求解-建立物场模型

确定问题相关元素

S1：高温钢坯      S2：连铸辊      F1：机械场（高温钢坯对连铸辊的摩擦）

S3：磁性材料      F2：磁场

建立物质-场模型：

解决方案：通过在连铸辊表面材料中加入一种磁性物质，以及在钢水中加入另外一种相斥磁性物质，使连铸辊与高温钢坯之间形成一种磁场，产生了悬浮，加强了连铸辊对钢坯的支撑输送不足功能，并消除了高温钢坯对连铸辊的有害摩擦功能。

确定问题相关元素

S1：母材      S2：表面材料      F1：热场（表面材料对母材的热传导）

S3：中介材料  

建立物质-场模型2：

解决方案：通过在连铸辊母材与表面材料间填充一种中介材料，使母材与表面材料的热膨胀系数均匀过渡。

技术矛盾

    我们希望连铸辊表面材料组织越均匀越好，提高连铸辊的使用时间；但会导致连铸辊表面需去除的材料增多。

    改善的参数：运动物体的作用时间15

    恶化的参数：物质损失23

通过查找创新原理得到，拟采取的解决方案：

采用3局部质量原理，用纵横交错状纤维组织替代原有直线均布状规律组织。改善其表面材料形成的微观组织，提高表面材料的组织均匀性。

物理矛盾

    在保证钢坯连铸持续稳定的情况下，既希望连铸辊工作持续时间越长越好;

又希望连铸辊工作持续时间越短越好，降低连铸辊表面的磨损。

    这构成了一对物理矛盾。

拟采取的解决方案

    利用物理矛盾中时间分离原理对应40个发明原理中周期性作用原理，将连铸线上从头到尾每根连铸辊进行编号：1、2、3、4、5……  在连铸生产时控制单双号连铸辊交替运行，这样既能够保证连铸生产持续稳定进行，又能够使连铸辊得到间歇性冷却，并减少磨损。

三、最终方案

方案评价

方案一：更换母材材质使其具有高耐磨性，从而保证生产需要。

      优点：替换表面材料，简化工艺流程。

      缺点：造成高性能材料投入成本过大，浪费资源。

方案二：在钢坯和连铸辊中加入磁性材料使二者之间产生悬浮的磁场，消除摩擦对连铸辊的损害。

      优点：连铸辊表面永不磨损。

      缺点：投入成本太大且不利于实施。

方案三：在母材与表面材料之间加入释缓材料，改善母材与表面材料的热膨胀不均问题。使其表面材料到母材的膨胀系数缓慢过渡。

      优点：有效解决连铸辊表面的碎裂问题。

      缺点：增加工艺复杂性。

方案四： 在连铸辊表面加工环形槽，增加散热面积从而提高散热效果。

      优点：引入廉价资源解决连铸辊表面的散热问题。

      缺点：增加工艺复杂性。

方案五：增加连铸辊的内冷通道，使其充分冷却降低温度，延长工作寿命，从而保证使用周期。

      优点：能有效解决连铸辊冷却不充分问题。

      缺点：增加连铸辊的结构复杂性，增加生产成本。

方案六：在送丝器上增加摆动机构，改变表面材料的成型方式，优化表面材料的组织均匀性。

      优点：解决连铸辊表面过早出现环状磨损问题。

      缺点：增加设备投入。

方案七：增加控制机构使连铸机上的所有连铸辊分组交替工作。

      优点：延长整条生产线的使用周期。

      缺点：增加系统复杂性，改造成本过大。   

评估后可行的概念方案:

根据上述方案评价，以下为最终选择方案：

 1、应用方案七在送丝器上增加摆动机构，改变表面材料的成型方式，优化表面材料的组织均匀性。

 2、在施焊表面材料前用方案三在母材上先焊一层释缓材料（打底材料），使其表面材料到母材的膨胀系数缓慢过渡。

 3、在加工过程中用方案五在连铸辊表面等距加工出几道环形槽，增加散热面积从而提高散热效果。

以上方案在生产过程中有前到后综合实施，确保连铸辊不会出现过早磨损及表面碎裂的情况发生。