基于Triz的铝带轧制系统粘连问题研究

2018-01-18刘艳春卢尚工刘刚

科技视界 2017年29期

刘艳春　卢尚工　刘刚

【摘要】针对铝带铸轧机在轧制铝带时轧辊与铝带的粘连问题，提出运用TRIZ理论，对铝带轧制系统进行组件功能分析、矛盾分析，并使用矛盾矩阵、物-场分析、科学效应库和知识库类比查询等工具对问题进行求解，最后给出解决方案。

【关键词】TRIZ理论；铝带轧制系统；粘连

中图分类号： G647 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）29-0028-002

【Abstract】Aiming at the problem of aluminum strip rolling in the aluminum strip rolling mill， this paper proposes the TRIZ theory to analyze the component function and the contradiction of the aluminum strip rolling system， and uses the contradiction matrix， material-field analysis， Scientific effects library and knowledge base analog query tools to solve the problem， and finally gives solutions.

【Key words】TRIZ theory； Aluminum strip rolling system； Adhesion

0 引言

铝带生产通常采用双辊铸轧工艺。该工艺将常规的铸、轧合二为一，铸造后的铝带坯进入轧制系统，铝带与轧辊表面直接接触，在轧制过程中，铝带与轧辊容易粘连，从而影响铝带表面质量，粘连严重时，甚至使生产中断。常用方法是火焰喷涂法，如图1所示，在轧辊表面形成一层均匀的碳膜，隔离轧辊与铝带的直接接触，同时还要控制轧辊表面温度不能过高，但是在轧制过程中，轧辊吸收铝带和火焰的热量，使轧辊表面温度升高，为预防轧辊温度过高导致粘连，轧机速度要低速使用，降低了企业生产效率。因此企业提出改进铝带轧制工艺，提高铝带表面质量，提高生产效率。

1 TRIZ理论

发明问题求解理论（Theory of inventive problem solving，TRIZ）是苏联著名发明家 ALTSHULLER 领导的研究机构分析了全世界近 250 万件高水平专利的基础上，综合多学科领域的原理后提出的一套理论方法体系[1]。经过60多年的发展，TRIZ 理论已经形成了一套成熟的解决产品开发等问题的九大经典理论体系。TRIZ理论认为发明问题的核心是发现冲突，ALTSHULER分析了大量工程参数，总结归纳出了39个通用技术参数，通过对专利进行分析，提炼出TRIZ中最重要的、具有普遍用途的40条发明原理[2]。物场模型分析是TRIZ 理论中的一个重要的问题描述和分析工具，用来建立与已存在的系统或新技术系统问题相联系的功能模型，并提供了6种一般解和72种标准解用于解决设计问题[3]。

国内外学者对TRIZ的理论及其应用进行了广泛而深入的研究。TRIZ高度抽象的发明原理及总结的通用技术参数，使得同样的原理在不同的领域可以重复使用；产品或技术系统的进化和发展遵循着一定的客观规律发展变化，进化的动力是解决冲突。激发设计者去从不同的方向去思考解决问题的多种可能，在设计者创新设计过程中提供发现和解决问题所需的概念知识和方法工具。

2 问题分析

2.1 问题模型

该问题可描述为如何在保障铝带表面质量的前提下，提高生产效率。

图2为双棍铸轧工艺示意图，铝带的入轧厚度为11-13mm，入轧温度约为390℃；轧出厚度为7.5mm，温度约为210℃。轧辊内部通过循环水冷却，使轧辊表面温度低于75℃，主电动机带动上、下轧辊以930mm/min转动，铝带坯进入轧辊间，通过轧辊转动带入轧机，轧出的铝带经过支撑轴到卷绕机卷制成铝带卷。

2.2 組件功能分析

建立系统组件的功能模型如图3所示，通过相互作用分析，发现问题主要集中在轧辊、铝带和冷却水之间。首先冷却水冷却作用不足会导致轧辊温度升高，造成粘连；其次当轧制速度加快时，铝带对轧辊产生加热的有害作用，也会造成粘连；还有原因是铁质轧辊对铝有很大的固溶性，铝带轧制过程中，铝和铁直接接触，在高温高压下加速了固溶的发生，影响了铝带表面质量。从产生粘连问题的关键点入手，运用矛盾分析工具求解。

2.3 矛盾分析

2.3.1 技术矛盾

如果轧制速度降低，轧辊吸收铝带热量少，轧辊表面的温度不会快速升高，就不会发生粘连问题，但是会降低生产效率。改善了参数轧辊温度，会导致另一个参数生产效率的恶化，这一对矛盾属于技术矛盾，为根据矛盾矩阵表查询结果可知解决这一矛盾所对应的创新原理编号为：No.23 反馈、No.35 参数变化、No.40 复合材料、No.3 局部质量。

根据创新原理的提示，得到方案1：在冷却循环水系统加装水温控制系统，采集循环水出口温度，根据温度反馈，实时控制冷却水进水量，控制轧辊表面温度低于75度，使生产过程可靠连续进行。

2.3.2 物理矛盾

为了“降低轧辊表面温度”，需要参数“轧机速度”为“低速”，但又为了“提高生产率” ，需要参数“轧机速度”为“高速”，即对参数“轧机速度”提出了相反的需求，这是一对物理矛盾。考虑到该参数“轧机速度”在不同的“条件”下具有不同的特性，因此该矛盾可以从“条件”上进行分离。查找“条件分离”原理对应的发明原理有“No.1分割、No.7嵌套、No.25自服务、No.5组合、No.22变害为利、No.23反馈、No.33同质性、No.6多用性、No.8重量补偿、No.14曲面化、No35物理或化学状态变化、No13反向作用”。得到解决方案2：改变轧辊内部散热结构为螺旋式散热管，增大轧辊内部散热面积，使轧辊散热效率提高，降低轧辊表面温度。

2.3.3 物质-场分析及76个标准解

技术系统存在的问题主要在铝带和轧辊之间，建立二者之间的物场模型，如图4所示，根据所建问题的物质-场模型，应用标准解解决流程，从第1类标准解中找到1.2.1（No.9）：引入便宜和廉价的物质。在S1和S2之间引入S3从而消除有害作用。得到方案3：在轧辊表面喷涂润滑油，隔离铝和铁直接接触，同时又可以吸收轧辊表面热量，降低轧辊表面温度，实现轧辊与铝带不粘连。改进后的物场模型如图4所示。

2.3.4 科学效应库与知识库类比查询

技术系统要实现的功能为防止铝带和轧辊的粘连，查找科学效应库，得到可用的效应为：“金属覆层润滑剂效应”，得到方案4：在轧辊表面喷涂金属润滑剂，金属有机化合物遇高温分解，释放的金属填充铝带表面不平整部位，同时又可以吸收轧辊表面热量，降低轧辊表面温度，实现轧辊与铝带不粘连。

通过专利检索关键词“粘铝”，查询到CN104531266A，标题为一种含铝金属热轧轧制油，得到方案5：在轧辊表面喷涂一种含铝金属热轧轧制油，同方案4。

3 方案评价

依据系统最终理想解确定原则，不改变技术系统复杂性，轧机能够高速轧制铝带，轧辊与铝带不粘连，轧制顺畅。对方案进行评估，确定方案4为最佳

4 结束语

（1）给出了基于TRIZ矛盾解决原理和物质-场分析原理的防止轧制系统铝带粘连的方法。

（2）通过系统功能模型分析和因果分析，能够快速地明确问题的矛盾所在，明确改善的和恶化的工程参数，利用40个发明原理进行问题解决。

（3）通过建立铝带轧制系统的物质-场模型，可方便的利用TRIZ物质-场分析的76个标准解分析解决铝带粘连问题。利用科学效应库和知识库类比查询方法，对产生方案的可行性进行佐证和支撑。

【参考文献】

[1]李彦，李文强.创新设计方法[M].北京：科学出版社，2012.

[2]檀润华.TRIZ及应用：技术创新过程与方法[M].北京：高等教育出版社，2010.