一、问题背景描述
棒材厂水压机车间生产大型锻件产品，现有五座加热炉、一台水压机。生产时先将原料钢锭在加热炉中加热至1240℃左右，加热时炉门关闭，起到密封保温作用。当温度达到要求时由电机带动提升机构将炉门提起，取出锻件进行锻造，当温度降至终锻温度以下时，再将其放入加热炉进行加热，如此反复多次加工，使锻件最终形状和材质达到工艺要求。在炉门提升和下降过程中由炉门两侧的滚筒轴进行限位，以保证炉门垂直起降。
二、问题分析
首先对系统进行分析，绘制出系统功能图，见图1：
图1 系统功能图
技术系统达到的目标：在加热锻件时，关闭加热炉炉门，起到密封保温作用，使锻件受热均匀并节省燃料，炉门重量要轻，而且要坚固耐用。
根据系统功能图，对系统进行分析。水压机加热炉炉门采用的是四周护铁，中间浇注料结构。由于有害功能的存在，在使用过程中主要存在以下问题：
（1）由于炉门长时间处于高温烘烤状态，并且底部温度偏高，经常出现炉门底部护铁烧坏、脱落，浇注料塌陷的状况。
（2）炉门护铁为合金材料，价格昂贵（每块11700元），使用周期短，成本大。
（3）炉门升降是电机带动提升机构来完成的，由于浇注料密度很大，每个炉门重量达到4吨左右，提升机构经常出现故障，而且炉门两侧的滚筒轴磨损也比较严重，需要经常更换。
由于上述问题，一般3个月就要将浇注料全部更换一次，半年对炉门底部护铁更换一次，提升机构和滚筒轴根据使用情况不定期更换，不仅维修费用大，而且严重影响了生产的连续性。
解决问题的限制：
（1）不能投入太大的成本（不能使用价格更高的更耐热的材料）；
（2）技术系统结构不能有大的改变（尽量不改变原有技术系统）。
三、描述技术矛盾
1．定义问题模型
技术矛盾1：如果加热炉温度足够高，可以很好地满足锻造工艺需要，但高温对炉门破坏力很大，需要频繁更换相应部件。
技术矛盾2：如果降低加热炉温度，可以保护炉门不被烧损，但锻件温度太低无法满足工艺要求。
技术矛盾3：炉门要坚固耐用，防止受热变形或扭曲，通常情况下就要增加重量，势必会加快提升机构和滚筒轴的磨损。
技术矛盾4：如果减小炉门厚度可以降低其重量，但保温性能会降低，而且结构稳定性也会变差。
根据技术系统的主要生产过程——锻造，从技术矛盾1和技术矛盾4来入手解决问题。
2．确定理想解
定义理想解为：对炉门进行最小的改动，提高其耐热性，同时要在保证结构牢固前提下，减轻炉门重量，减少对提升机构和滚筒轴的磨损，同时还要考虑费用成本要低。
四、根据发明原理提出解决方案
将技术矛盾用通用工程参数来描述：
技术矛盾1：针对的子系统是加热炉，要改善的参数是“温度”，恶化的参数是“有害副作用”、“结构的稳定性”、“静止物体的耐久性”。
技术矛盾4：针对的子系统是炉门，要改善的参数是“静止物体的重量”，恶化的参数是“强度”、“结构的稳定性”、“静止物体的耐久性”。
对照这些参数查找矛盾矩阵表，结果见表1。
1．22“变害为益原理”
解决方案一：可以将炉门处的高温能量转移，用于加热锻件，即在炉门处加一大功率风机将火焰吹向锻件。
2．24“中介原理”
解决方案二：炉门浇注料、护铁一般都为固态，将炉门内部增加液态循环冷却系统则能起到很好的降温作用。
解决方案三：在火焰和炉门之间增加一个隔热层。
3．01“分割原理”
解决方案四：原来更换浇注料时全部更换，但上部和下部损坏程度不一样，全部更换造成资源浪费，可以将原来整体的浇注料改成小的模块，并用挡板分成上下两部分，对重量也没什么影响。
4．40“复合材料原理”
解决方案五：是否可以找一种更好的材料代替现在的护铁加浇注料呢？而且这种材料重量要轻，成本要比原来材料低。
五、方案评价
通过上述分析，共得出五种方案，下面对各方案进行评价分析。
方案一：在炉门处加一大功率风机将火焰吹向锻件，成本较低，而且可以变害为利，但由于加热炉是密封的，若开一风口，则破坏了整体密封性，所以实现难度很大。
方案二：将炉门内部改为液态循环冷却系统则能起到很好的降温作用，但需要增加一套循环冷却设备，成本巨大，而且实施起来也非常困难，没有很好的经验可以借鉴。
方案三：在火焰和炉门之间增加一个隔热层，想法很好，但炉内空间有限，隔热层必须很薄，而且耐火、耐高温性能要好，目前市场上还没有合适的产品。
方案四：将原来整体的浇注料改成小的模块，并用挡板分成上下两部分，更换时只更换下部烧损较严重的模块，成本较低，实施起来也比较容易。
方案五：用一种更好的材料代替现在的护铁加整体浇注料，而且这种材料重量要轻。研究发现，现在市场上的耐高温材料较多，耐高温程度不同，密度不同，价格差异也很大。经过综合考虑，可以选用一种高温陶瓷纤维，可以承受1500℃高温（工艺需求1240℃左右），重量较轻（每个炉门重量可降低一半以上），价钱适中。
根据上述分析，对五种方案进行综合评价，评价结果见表2。
将方案四、五综合起来考虑，结合现场实际情况，可以采用高温陶瓷纤维材料替换原有的底部护铁和浇注料，同时将这种纤维材料制成300×300×400mm的模块，在炉门底部靠下位置焊接一挡板，这样更换时可以有针对性地只更换底部烧损较严重的模块。而且使用这种模块后，整个炉门重量仅为原来的一半左右。但是材料更换以后炉门的强度有一定程度降低，需要继续研究分析。
六、问题再分析
利用前面的方案，炉门的耐高温问题和重量问题都得到解决了，但是炉门整体强度降低了，需要继续根据表1的矛盾矩阵表对强度进行分析。
原理26“复制原理”：可以将炉门加厚，增加其稳定性和强度，但是重量和材料成本增加了，此为方案六。
从原理10“预先作用原理”，预先对物体（全部或部分）施加必要的改变，可以考虑常用的“加强筋”方法，即在炉门外面加上筋板，此为方案七。
其他原理均未找到合适解决方案。
七、方案再评价
利用方案七即在炉门外面加上筋板，强度问题得到解决，而且不影响方案四、五的实施，所以决定将这三种方案结合起来一起实施（如表3）。
八、最终解决方案
最终解决方案如图2所示。在炉门底部靠下位置焊接一挡板，将原来炉门底部护铁和浇注料改为高温陶瓷纤维模块。
1．首先在A-B位置焊接一块挡板，并在下方焊5块筋板加固。挡板规格：3000×300×18mm 。
2．在挡板上下固定高温陶瓷纤维模块。高温陶瓷纤维模块规格：300×300×400mm。
3．为避免在应用时炉门因为受热发生变形或扭曲，在炉门外面加上筋板。
4．如果在使用过程中，炉门底部高温陶瓷纤维出现磨损、脱落，仅需将挡板下部的高温陶瓷纤维更换即可。如图2
九、现场应用情况简介
1．改造后的炉门底部护铁和浇注料由高温陶瓷纤维模块代替，使用中未出现异常。
2．改造后的炉门经过7个月的使用，只更换了底部两块高温陶瓷纤维模块，大大减少了更换浇注料和底部护铁造成的资源消耗。
3．由于改造后的炉门重量仅为原来的一半，提升机构和滚筒轴损坏现象大大减少，保证了生产顺行。
4．改造后的炉门保温效果更好，使钢锭的加热更均匀。
十、取得效益
1．经济效益
改造前，每个炉门隔3个月需要更换浇注料，每次需要浇注料4吨，每年需浇注料16吨。炉门底护铁半年更换一次，每年需要更换炉门底护铁4块。浇注料每吨1600元，护铁每块11700元，费用为 16×1600+11700×4=72400元。
改造后，每年仅需更换一次高温陶瓷纤维，当出现碰撞损坏时，只需更换挡板以下的陶瓷材料即可，预计共需3.876立方米。按每立方米8050元计算，费用为 3.876×8050=31202元。
每个炉门年节省费用： 72400-31202=41198元。水压机车间共有5座加热炉，5个炉门全部进行了改进，每年可节省维修费用41198×5=205990元
改造后的炉门，重量更轻，安全系数更高，每年减少对提升装置和滚筒轴的维修费用为8000元。
综上所述，此项目实施后年可创造经济效益：205990+8000=213990元。
2．社会效益
改造后的加热炉炉门使用周期更长，减轻了维修人员劳动强度，保证了生产工艺的连续性和生产的顺行保温效果更好，提高了锻件加热质量和产量，缩短了锻件交货期，提升了顾客满意度。
责编/刘红伟