系統(tǒng)創(chuàng)新方法在高爐爐缸侵蝕問題中的應用

鐘星立，季林紅，劉勇謀，路益嘉，何臘梅

(1.中冶賽迪技術研究中心有限公司，重慶 401122； 2，清華大學機械工程系，北京 100084；3.成都優(yōu)邁達科技有限公司，四川 成都 610041)

1 簡 介

爐缸是高爐的關鍵部件，其工作狀態(tài)將直接影響高爐的壽命。因此，如何對爐缸的工作狀態(tài)進行準確監(jiān)測，延長其使用壽命，已成為高爐運行的關鍵因素，這將極大地影響鋼鐵企業(yè)的生存、發(fā)展和競爭力。近20年來，人們對爐缸的失效機理進行了大量的研究，并對爐缸的狀態(tài)通過實時監(jiān)測數(shù)據(jù)建立模型進行監(jiān)測。但遺憾的是，大多數(shù)實時監(jiān)測爐缸狀態(tài)的方法都是間接的，存在較高偏差。

1.1 現(xiàn)代系統(tǒng)創(chuàng)新理論

現(xiàn)代系統(tǒng)創(chuàng)新理論由發(fā)明問題解決理論(TRIZ)、價值工程理論(VE)、六西格瑪設計理論(DFSS)、失效模式和效應分析(FMEA)等眾多理論組成，包括了一系列用于進行問題識別、問題解決和方案評估的工具和方法。

1.2 高爐爐缸侵蝕機理的因果鏈分析(CECA)

圖1 爐缸侵蝕的CECA模型

1.3 實時監(jiān)測爐缸工作狀態(tài)的方法

高爐的熱測量條件可分為三類：①爐缸內(nèi)有兩層熱電偶；②爐缸內(nèi)有單層熱電偶；③爐缸內(nèi)沒有熱電偶，只有冷卻水管道。因此，實時監(jiān)測爐缸狀態(tài)的方法可以相應地分為三類。

(1) 第1類：根據(jù)兩個位于同一水平或同一圓圈的熱電偶的檢測溫度，采用大平板和長圓柱體的導熱理論(線性模型)計算出1 150 ℃的等溫點，從而監(jiān)測爐缸內(nèi)耐火磚的剩余厚度[9-19]。

(2) 第2類：根據(jù)現(xiàn)有熱電偶上的測量溫度，利用有限元法、有限差分法、邊界法等方法，采用固體(二維模型)導熱理論方程計算1 150 ℃的等溫點，從而對爐缸內(nèi)耐火磚的剩余厚度進行監(jiān)測[20-25]。

(3) 第3類：測量冷卻水入口和出口的溫度，通過水溫差異的變化對爐缸內(nèi)磚的剩余厚度進行監(jiān)測和估計[26-31]。

從上述分析可以看出，無論是高爐爐缸侵蝕機理，還是實時監(jiān)測爐缸狀況的方法，目前的研究和相關方法都是建立在對現(xiàn)有高爐進行假設和統(tǒng)計分析的基礎上的。因此，有必要對爐缸問題模型進行重構(gòu)，以便于分析，并開發(fā)出一種更直接的實時監(jiān)測爐缸狀態(tài)的方法。

2 分析問題

2.1 功能分析

圖2顯示了高爐爐缸的典型結(jié)構(gòu)。基于此可建立如圖3所示的系統(tǒng)功能模型。

圖2 爐缸組成結(jié)構(gòu)圖

圖3 高爐爐缸的功能模型

2.2 問題識別

在圖3中，根據(jù)系統(tǒng)創(chuàng)新方法，識別出的待解問題如下：

有學者對于中藥重金屬污染情況特別關注，并進行了系統(tǒng)的考察評價。趙連華等［8］得出這5種重金屬的污染率在9.33%～26.35%，并且因為產(chǎn)地不同污染情況不同。郭蘭萍等［9］以《中醫(yī)藥——中藥材重金屬限量》ISO國際標準為依據(jù)，分析了中藥材中Pb、As、Cd、Hg 4種重金屬元素的污染情況，結(jié)果顯示4種重金屬的超標率分別為3.46%，4.03%，2.91%，1.41%。而重金屬元素一旦進入人體后，由于其半衰期較長，在人體內(nèi)的含量不斷增高后，會誘發(fā)人體內(nèi)的各種疾?。?0］。

(1)如何避免或減少鐵水與陶瓷杯與耐火磚之間的侵蝕；

(2)如何提高熱電偶的測量精度；

(3)如何提高冷卻水對爐殼和耐火磚的冷卻效果；

(4)如何增強耐火磚對陶瓷杯的支撐作用。

3 解決問題

基于TRIZ理論的標準解方法，功能模型中的問題解決方案如下：

問題1：如何避免或減少鐵水與陶瓷杯和耐火磚之間的侵蝕？該問題的物-場模型如圖4所示。

圖4 問題1的物質(zhì)-場模型

根據(jù)TRIZ的創(chuàng)新標準解方法，針對上述模型，有兩種標準解[32]：

(1) 標準解1-2-1：如果物質(zhì)-場模型中的兩種物質(zhì)之間出現(xiàn)有益和有害的影響，并且不需要保持物質(zhì)之間的直接接觸，則通過在它們之間引入第三種物質(zhì)來解決問題。

(2) 標準解1-2-4：如果物質(zhì)-場模型中的兩種物質(zhì)與直接接觸之間出現(xiàn)有益的和有害的影響，一個新的場可以中和有害的影響(或?qū)⒂泻Φ挠绊戅D(zhuǎn)化為有用的影響)。

同理，基于TRIZ創(chuàng)新標準解提出的解決問題的思路，得到如下備選方案：

方案1：引入一種熔點比鐵高的材料(薄膜)作為鐵水與耐火磚之間的第三種物質(zhì)。如：采用石墨(熔點3 652～3 697 ℃)、高溫陶瓷(熔點>1 702 ℃)等。

方案2：引入冷卻水作為新的場來中和熱量這一有害影響，即在爐缸內(nèi)設置冷卻水管道。

方案3：通過在爐缸內(nèi)設冷卻水管道(冷卻壁)冷卻鐵水，形成的凝鐵層作為第三種物質(zhì)，隔離鐵水與耐火磚之間的有害影響。

表1列出了其他待解問題的解法。

表1 其他問題及解決方案

如上所述，通過TRIZ方法找到了9種備選方案。在這些解決方案中，方案4是一種新的、直接和省時的實時監(jiān)測高爐狀態(tài)的方法，因為溫度被廣泛用于確定爐缸侵蝕狀態(tài)的指標，而鐵的凝固溫度為1 150 ℃，因此黃銅(熔點1 083 ℃)或灰鐵(熔點1 200 ℃)可作為磚塊侵蝕程度的參考指標。此方案的CAE仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 爐缸溫度圖

圖6 爐缸溫度等溫線圖

從CAE模擬結(jié)果看，采用黃銅或灰鑄鐵作為爐缸磚侵蝕的指標是可行的。其他基于資源的解決方案，如利用干冰，風等，也是可以實現(xiàn)的。

4 工程案例

針對問題1：如何避免或減少鐵水與陶瓷杯和耐火磚之間的侵蝕，根據(jù)TRIZ理論給出的解決方案1～方案3。通過在高爐爐缸內(nèi)設置冷卻系統(tǒng)，將高爐爐缸內(nèi)部的熱量通過水及時傳出，在鐵水與耐材的接觸區(qū)域形成一定厚度的凝鐵層，將鐵水與耐材隔開，進而減緩鐵水侵蝕耐材，延長爐缸壽命(見圖7)。凝鐵保護層已在煉鐵業(yè)內(nèi)基本形成了共識，凝鐵保護層的控制對于延長高爐爐缸壽命有著十分重要的作用(見圖8)。

圖7 高爐爐內(nèi)冷卻壁

圖8 某高爐爐缸形成的凝鐵保護層

在高爐爐役后期，爐缸耐材侵蝕較為嚴重，一般現(xiàn)場通過添加鈦礦進行護爐操作，其目的也是在炭磚熱面生成一層的高熔點TiC、TiN及其固熔體Ti(C，N)，直接將鐵水與耐材進行隔離，進而保護碳磚，延緩或減少耐材侵蝕，延長高爐壽命(見圖9)。

圖9 某高爐爐缸炭磚熱面形成的高熔點的Ti(C，N)

5 結(jié) 論

現(xiàn)代系統(tǒng)創(chuàng)新理論(包括TRIZ方法)作為一個功能強大的工具包，對于解決工業(yè)中的問題非常有用。本文嘗試了用創(chuàng)新方法中的標準解來解決爐缸侵蝕問題，對此問題，今后還可以做更多深入的研究。