基于TRIZ理論的抑制渦流轉(zhuǎn)爐出鋼口設(shè)計(jì)①

嚴(yán) 淑 譚 輝 蔡全福

(中冶南方工程技術(shù)有限公司 湖北武漢430223)

·設(shè)計(jì)與研究·

基于TRIZ理論的抑制渦流轉(zhuǎn)爐出鋼口設(shè)計(jì)①

嚴(yán) 淑②譚 輝 蔡全福

(中冶南方工程技術(shù)有限公司 湖北武漢430223)

簡(jiǎn)要介紹了TRIZ理論體系及其解決問題的基本思路，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用CAI輔助創(chuàng)新工具解決轉(zhuǎn)爐出鋼中后期出現(xiàn)的渦流卷渣問題。通過系統(tǒng)功能模型分析以及因果分析確定從改進(jìn)出鋼口的結(jié)構(gòu)形式和尺寸入手，運(yùn)用TRIZ理論體系中知識(shí)效應(yīng)庫(kù)和創(chuàng)新原理工具對(duì)出鋼口進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并通過數(shù)值模擬驗(yàn)證，改進(jìn)后的出鋼口達(dá)到了抑制渦流形成的目的。

轉(zhuǎn)爐出鋼口 渦流 TRIZ理論 CAI軟件 創(chuàng)新

1 前言

轉(zhuǎn)爐煉鋼是當(dāng)今世界上最主要的煉鋼方法，鋼產(chǎn)量占世界鋼總產(chǎn)量的65%以上。隨著高品質(zhì)鋼材如汽車板、高級(jí)船板等需求的日益增加，對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼的潔凈度要求也越來(lái)越高，減少轉(zhuǎn)爐出鋼的下渣量是提高鋼水潔凈度的重要途徑之一。在傳統(tǒng)的控制轉(zhuǎn)爐出鋼下渣(即擋渣)工藝和設(shè)備中，多為引入外部物質(zhì)，如擋渣球法、擋渣鏢法、氣動(dòng)擋渣法以及滑板擋渣法等，雖然對(duì)轉(zhuǎn)爐出鋼下渣起到了一定的控制作用，尤其是滑板擋渣法對(duì)減少前期渣和后期渣效果明顯，但卻不能對(duì)過程渣進(jìn)行有效控制，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)爐出鋼下渣的全過程控制。本文基于TRIZ創(chuàng)新理論，運(yùn)用CAI創(chuàng)新軟件Pro-Innovator V6.0進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，旨在從尋找內(nèi)部資源出發(fā)，即改進(jìn)轉(zhuǎn)爐出鋼口的設(shè)計(jì)來(lái)抑制或減小出鋼中后期渦流的形成，從而減少渦流卷渣(即過程渣)。

2 TRIZ及CAI概述

2.1 TRIZ概述

TRIZ的涵義即“發(fā)明問題解決理論”，是由俄文轉(zhuǎn)換為拉丁文的詞頭縮寫，其英文全稱是Theory of the Solution of Invention Problems(TIPS)，由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒(G.S.Altshuller)于1946年創(chuàng)立。阿奇舒勒領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在分析了全球近250萬(wàn)份高水平發(fā)明專利的基礎(chǔ)上，總結(jié)出各種技術(shù)發(fā)展進(jìn)化所遵循的規(guī)律模式，以及解決各種技術(shù)矛盾和物理矛盾的創(chuàng)新原理和法則，建立起一個(gè)由解決技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新開發(fā)的各種方法、算法組成的綜合理論體系，并綜合多學(xué)科領(lǐng)域的原理和法則，建立起經(jīng)典TRIZ理論體系。

隨著TRIZ理論的不斷應(yīng)用和發(fā)展，經(jīng)典TRIZ理論也體現(xiàn)出不足，其中最大的不足體現(xiàn)在問題的分析上。這是由于經(jīng)典TRIZ理論建立在專利分析的基礎(chǔ)上，而專利所能體現(xiàn)的只有需要解決的問題以及相應(yīng)的解決方案兩個(gè)方面，其中并不包含問題的分析環(huán)節(jié)。然而在解決實(shí)際問題的過程中，分析環(huán)節(jié)又至關(guān)重要，因此現(xiàn)代TRIZ理論引入了功能模型分析、因果分析等分析問題的工具，使TRIZ理論更具有實(shí)用性。

采用現(xiàn)代TRIZ理論的分析問題方法和經(jīng)典TRIZ理論的解決問題工具，對(duì)轉(zhuǎn)爐出鋼口進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.2 運(yùn)用TRIZ理論解決問題的基本思路

運(yùn)用TRIZ理論解決問題的思路打破了通過試錯(cuò)法等直接從待解決的具體問題到最終解決方案的常規(guī)方法，因?yàn)檫@種方法看似簡(jiǎn)單直接，但只能對(duì)解決一些簡(jiǎn)單的問題比較有效，在一些較難的問題上就要消耗較多的時(shí)間和資源。運(yùn)用TRIZ理論解決問題的思路看似繞彎，但它對(duì)于解決絕大多數(shù)的技術(shù)問題更具有通用性。

運(yùn)用TRIZ理論解決問題的基本思路如下：首先對(duì)問題進(jìn)行定義，問題定義得越清楚，它被解決的可能性就越大；其次利用功能模型分析及因果分析等TRIZ分析工具，找到解決問題的其它路徑或找到問題出現(xiàn)的根本原因，將具體問題轉(zhuǎn)化為TRIZ通用問題；再利用TRIZ工具，如創(chuàng)新原理、科學(xué)效應(yīng)庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)解等找到對(duì)應(yīng)的TRIZ通用方案；最后將這一通用方案利用領(lǐng)域內(nèi)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為最終解決方案，如圖1所示。

圖1 TRIZ理論解決問題基本思路

按照TRIZ理論解決問題的基本思路針對(duì)轉(zhuǎn)爐出鋼口容易形成渦流卷渣這一問題進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.3 CAI技術(shù)簡(jiǎn)介

CAI(Computer Aided Innovation)計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新技術(shù)是TRIZ理論和IT技術(shù)的有效融合，是技術(shù)創(chuàng)新的有效手段。它集TRIZ理論、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)、本體論、語(yǔ)義處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)及來(lái)自高水平發(fā)明專利的知識(shí)庫(kù)為一體，可有效輔助設(shè)計(jì)人員完成創(chuàng)新方案，并幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的創(chuàng)新知識(shí)管理。

采用的Pro-Innovator V6.0是目前CAI領(lǐng)域主流創(chuàng)新軟件之一，它主要包括六大功能模塊：系統(tǒng)分析模塊，問題分解模塊，解決方案模塊，創(chuàng)新原理模塊，專利檢索模塊和專利生成模塊。運(yùn)用CAI技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是將TRIZ理論解決問題的流程進(jìn)行固化，使解決問題的過程更清晰，查找問題無(wú)遺漏，同時(shí)提供龐大的知識(shí)庫(kù)以彌補(bǔ)個(gè)人知識(shí)能力的不足。

3 基于TRIZ理論的抑制渦流轉(zhuǎn)爐出鋼口設(shè)計(jì)

3.1 問題的定義

3.1.1 技術(shù)問題的確定

在轉(zhuǎn)爐出鋼過程中，由于鋼渣的密度小于鋼水的密度而漂浮在鋼水液面上，因此轉(zhuǎn)爐出鋼下渣過程一般分為三部分：前期渣——隨著轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)角度的增大，鋼渣先于鋼水到達(dá)出鋼口位置，產(chǎn)生前期下渣；過程渣——出鋼過程中，尤其是中后期會(huì)出現(xiàn)鋼水的渦流效應(yīng)，造成渦流卷渣現(xiàn)象；后期渣——出鋼后期，隨著鋼水的出盡，鋼渣跟隨鋼水一起流入鋼包。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在轉(zhuǎn)爐出鋼過程的所有下渣量中，前期渣約占30%，過程渣約占30%，后期渣約占40%。

目前，針對(duì)前期渣和后期渣已有較有效的手段進(jìn)行控制，如滑板擋渣裝置等，但對(duì)過程渣尚無(wú)有效方法加以控制。

技術(shù)問題是減少渦流效應(yīng)形成的過程渣，提高鋼水潔凈度。

3.1.2 項(xiàng)目描述

氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法是將高壓純氧(壓力為506kPa～1520kPa，純度99.5%以上)借助氧槍從轉(zhuǎn)爐頂部插入轉(zhuǎn)爐內(nèi)向熔池吹氧，將鐵水吹煉成鋼。在吹入高壓純氧的過程中，還添加石灰、白云石等造渣原料，以氧化反應(yīng)的方式完成鐵水的脫碳、升溫及去除磷、硫等有害元素。因此轉(zhuǎn)爐鋼渣具有較高的氧化性，并富含磷、硫等對(duì)鋼材質(zhì)量有害的元素。

在吹煉結(jié)束后，轉(zhuǎn)爐進(jìn)行出鋼操作。轉(zhuǎn)爐以耳軸為中心，向出鋼口方向旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)到60°～70°左右鋼水開始從出鋼口流出，即出鋼。在出鋼過程中，會(huì)伴隨著鋼渣的流出，稱之為下渣。

3.1.3 現(xiàn)存問題

過程渣，即由于出鋼中后期出現(xiàn)的渦流效應(yīng)而造成的卷渣，占總下渣量的30%，目前對(duì)此還沒有實(shí)際生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的工藝技術(shù)。

有資料認(rèn)為，在230t轉(zhuǎn)爐中，當(dāng)鋼水液面高度為125mm時(shí)，開始出現(xiàn)渦流卷渣現(xiàn)象，并隨著鋼水液面高度的降低而迅速增加。

目前采用的工藝技術(shù)為在出鋼中后期投入擋渣棒，可減緩渦流效應(yīng)，但作用有限。

3.1.4 改進(jìn)目標(biāo)

不引入外部物質(zhì)，通過改進(jìn)內(nèi)部組件，有效抑制或減緩渦流形成。

3.2 問題的分析

3.2.1 問題的功能模型分析

系統(tǒng)的功能模型分析如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模型分析

根據(jù)系統(tǒng)的功能模型分析，系統(tǒng)內(nèi)的有害功能主要集中在出鋼口工作層入口處，該組件需要改進(jìn)和完善。

3.2.2 問題的因果分析

造成渦流效應(yīng)的因果分析如圖3所示，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)指出，影響漩渦形成的主要因素包括：流體重力和柯氏力、流體特性如粘性、表面張力等、進(jìn)水口水力條件如流量、流速、淹沒深度等；邊界條件如進(jìn)水口的形式、組成、尺寸、位置與方向等。

由于目前對(duì)渦流發(fā)生的機(jī)理和運(yùn)行規(guī)律的理論研究還不夠完善，在以上各種因素中，重力和柯氏力以及流體粘性、表面張力等方面多涉及理論研究范疇，而且結(jié)果尚不確定。因此在工程問題中，柯氏力和流體粘性、表面張力一般予以忽略。

式中V—進(jìn)水口流速；g—重力加速度；D—進(jìn)水口直徑；Q—流量； Г—水流的初始環(huán)量常數(shù)；S—淹沒水深。

這些對(duì)于轉(zhuǎn)爐出鋼這一工況來(lái)說，除了進(jìn)水口直徑為設(shè)計(jì)參數(shù)外，其余均為與轉(zhuǎn)爐出鋼操作相關(guān)的參數(shù)，不在設(shè)備設(shè)計(jì)考慮范圍內(nèi)。

圖3 造成渦流的因果分析

根本原因：出鋼口工作層入口邊界條件導(dǎo)致渦流形成。

轉(zhuǎn)化問題：能否改變出鋼口入口的尺寸？如何改變出鋼口入口的形狀和結(jié)構(gòu)？能否改變出鋼口的位置？

從生成的轉(zhuǎn)化問題，可以明確解決問題的思路方向。

3.3 問題的通用解決方案

3.3.1 基于功能查詢解決問題

為了找到實(shí)現(xiàn)功能的方法，TRIZ給出的方法是：利用知識(shí)。通常搜索資料是用關(guān)鍵詞搜索，很多搜索引擎甚至不支持關(guān)鍵詞的布爾搜索，一個(gè)關(guān)鍵詞經(jīng)常會(huì)搜索出多以5～6位數(shù)計(jì)的信息，其中絕大多數(shù)是無(wú)用信息；專利檢索雖然支持關(guān)鍵詞布爾搜索以及分類檢索等多種方式，但是，要想了解或借鑒國(guó)外先進(jìn)的專利技術(shù)，在閱讀理解上很多工程技術(shù)人員會(huì)感覺困難，而且需要花大量的時(shí)間。計(jì)算機(jī)結(jié)合基于本體的語(yǔ)義技術(shù)在知識(shí)的組織、表達(dá)、檢索和有效獲取上有人無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，利用它不僅可以獲得本領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)，還可以獲得其他領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)。這個(gè)優(yōu)勢(shì)正可以支撐TRIZ理論的有效實(shí)施。

為解決本文中抑制渦流的問題，借助Pro-Innovator V6.0軟件，就分析階段生成的轉(zhuǎn)化問題，通過關(guān)鍵詞“渦流”查詢解決方案，經(jīng)篩選后選擇可以利用的方案如圖4。

該參考方案“槽脊結(jié)構(gòu)減小管道彎角處壓力損失”顯示：槽脊結(jié)構(gòu)光滑連接形成螺旋型的波浪式表面，它能夠產(chǎn)生變化的液流，防止產(chǎn)生渦流，從而減小彎角處的壓力損失。

根據(jù)該參考方案，可以構(gòu)思通過在出鋼口內(nèi)部設(shè)置類似于槽脊結(jié)構(gòu)的軸向肋條來(lái)防止渦流產(chǎn)生。

3.3.2 運(yùn)用創(chuàng)新原理解決問題

技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的過程就是不斷解決其中存在的矛盾的過程。創(chuàng)新問題的核心是矛盾的消解。不同時(shí)代，不同領(lǐng)域的不同問題往往重復(fù)采用相同的原理來(lái)解決。阿奇舒勒通過對(duì)大量專利的研究、分析、總結(jié)，提煉出了40條創(chuàng)新原理，定義了39個(gè)通用工程參數(shù)組成的近1500對(duì)技術(shù)矛盾和物理矛盾，以及解決這些技術(shù)矛盾常用的創(chuàng)新原理。運(yùn)用Pro-Innovator V6.0軟件，可以方便的通過定義矛盾參數(shù)得到相關(guān)創(chuàng)新原理，如圖5所示。

圖4 利用知識(shí)庫(kù)獲得參考方案

針對(duì)轉(zhuǎn)化問題“能否改變出鋼口入口的尺寸”來(lái)抑制或減小渦流形成的問題，初步構(gòu)思：采用改變出鋼口入口的直徑來(lái)減小渦流形成。此方案改善了“應(yīng)力、壓強(qiáng)”，但同時(shí)惡化了“運(yùn)動(dòng)物體的作用時(shí)間”，即產(chǎn)生了技術(shù)矛盾。利用矛盾矩陣查找創(chuàng)新原理，得到“局部質(zhì)量原理”的提示。根據(jù)提示，并參考相關(guān)研究資料顯示，通過對(duì)進(jìn)水口喇叭口的頂緣曲線的研究，認(rèn)為橢圓形曲線或懸鏈曲線都被認(rèn)為可以改善水流流態(tài)，削減進(jìn)水口前的漩渦。

圖5 利用創(chuàng)新原理得到參考方案

另外針對(duì)轉(zhuǎn)化問題“如何改變出鋼口入口的形狀和結(jié)構(gòu)”來(lái)抑制或減小渦流形成的問題，初步構(gòu)思：采用在出鋼口內(nèi)部設(shè)置軸向肋條的方法來(lái)減小渦流形成。此方案改善了“形狀”，但同時(shí)惡化了“運(yùn)動(dòng)物體的作用時(shí)間”，即產(chǎn)生了技術(shù)矛盾。利用矛盾矩陣查找創(chuàng)新原理，得到“曲面化原理”的提示。根據(jù)提示，使出鋼口內(nèi)部的軸向肋條采用圓弧結(jié)構(gòu)，且與出鋼口內(nèi)壁圓滑過渡。

3.4 問題的具體解決方案

3.4.1 方案描述

如上所述，在基于TRIZ理論及運(yùn)用CAI輔助創(chuàng)新工具的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前對(duì)渦流形成機(jī)理的研究成果，得到以下出鋼口的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案：

圖6 傳統(tǒng)出鋼口模型

圖7 改進(jìn)后的出鋼口模型

圖6為傳統(tǒng)出鋼口，它由永久層、填料層和工作層組成，出鋼口的進(jìn)、出口為一大一小的圓形，出鋼口內(nèi)腔略帶錐形。圖7為改進(jìn)后的出鋼口，其結(jié)構(gòu)形式為：進(jìn)口和出口為橢圓形(或懸鏈線形)，且進(jìn)口大于出口，使出鋼口內(nèi)腔為錐形，并在出鋼口內(nèi)壁設(shè)有6～8個(gè)軸向肋條，肋條斷面尖角倒圓。

3.4.2 方案的數(shù)值驗(yàn)證

對(duì)傳統(tǒng)出鋼口和改進(jìn)后的出鋼口的出鋼渦流形成進(jìn)行數(shù)值模擬，圖8和圖9分別為傳統(tǒng)出鋼口和改進(jìn)后的出鋼口渦流形成中后期截圖。

圖8 傳統(tǒng)出鋼口出鋼中后期渦流數(shù)值模擬截圖

圖9 改進(jìn)后的出鋼口出鋼中后期渦流數(shù)值模擬截圖

從圖中可以看出，兩者都形成了一定的渦流，但后者的渦通量遠(yuǎn)小于前者的渦通量，如圖10所示，且后者出現(xiàn)渦流的臨界液面也低于前者，由此可見改進(jìn)后的出鋼口在一定程度上抑制了渦流的形成。

圖10 渦通量對(duì)比圖

4 結(jié)論

綜上所述，在基于TRIZ理論的抑制渦流形成的轉(zhuǎn)爐出鋼口設(shè)計(jì)中，得到以下經(jīng)驗(yàn)和結(jié)論：

1)TRIZ理論作為一種日益完善的創(chuàng)新理論，可有效指導(dǎo)設(shè)計(jì)創(chuàng)新工作，開拓設(shè)計(jì)者思路，彌補(bǔ)知識(shí)的局限性。

2)運(yùn)用CAI輔助創(chuàng)新工具，可提高設(shè)計(jì)創(chuàng)新的效率，并對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行規(guī)范化，有利于對(duì)知識(shí)的管理。

3)改進(jìn)后的轉(zhuǎn)爐出鋼口結(jié)構(gòu)形式為：進(jìn)口和出口為橢圓形(或懸鏈線形)，且進(jìn)口大于出口，使出鋼口內(nèi)腔為錐形，并在出鋼口內(nèi)壁設(shè)有6～8個(gè)軸向肋條，肋條斷面尖角倒圓。該出鋼口具有一定的抑制渦流形成的功能。

[1]譚牧田.氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)備[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1983.

[2]黨媛媛.非對(duì)稱邊界進(jìn)水口漩渦特性研究[D].南京:南京水利科學(xué)研究院,2008.

[3]王建強(qiáng)等.轉(zhuǎn)爐出鋼及渦流形成的數(shù)值模擬和水模型研究[J].特殊鋼,2012,Vol.33(2):18-21.

[4]蒙富強(qiáng)等.泄洪洞進(jìn)水口消渦措施的研究[J].中國(guó)水運(yùn),2012,Vol.12(7):153-156.

[5]林岳,等.技術(shù)創(chuàng)新實(shí)施方法論(DAOV)[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2009.

[6]趙敏,等.TRIZ入門及實(shí)踐[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

Application of TRIZ Theory in the Design of Converter Tapping Hole to Inhibit Eddying Flow

Yan Shu Tan Hui Cai Quanfu

(WISDRI Engineering & Research Incorporation Limited, Wuhan 430223)

This paper introduce the contents of TRIZ theory and the basic problem-solving processes and methods of TRIZ. On this basis, solved the eddy slag problem in the late converter tapping by using the CAI softwave. Firstly, it is determined to improve the structure and size of the converter tapping hole according to the system function analysis and cause-effect analysis. Secondly, apply the scientific effects and the inventive principles of TRIZ theory to improve the design for tapping hole. Finally, through numerical simulation prove the improve tapping hole, achieve the purpose of inhibiting the eddy flow.

Converter tapping hole Eddying flow TRIZ theory CAI software Innovation

國(guó)家科技部科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)，項(xiàng)目名稱：湖北省創(chuàng)新方法應(yīng)用推廣與示范，項(xiàng)目編號(hào)：2013IM022100

嚴(yán)淑，女，1977年出生，畢業(yè)于武漢科技大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，學(xué)士，高級(jí)工程師，從事機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)研究及創(chuàng)新方法推廣

TG232.2

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.03.003

2015-01-11)