系統創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，其工作狀態將直接影響高爐的壽命。因此，如何對爐缸的工作狀態進行準確監測，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的生存、發展和競爭力。近20年來，人們對爐缸的失效機理進行了大量的研究，并對爐缸的狀態通過實時監測數據建立模型進行監測。但遺憾的是，大多數實時監測爐缸狀態的方法都是間接的，存在較高偏差。

1.1 現代系統創新理論

現代系統創新理論由發明問題解決理論(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 實時監測爐缸工作狀態的方法

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

(1) 第1類：根據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，從而監測爐缸內耐火磚的剩余厚度[9-19]。

(2) 第2類：根據現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，從而對爐缸內耐火磚的剩余厚度進行監測[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磚的剩余厚度進行監測和估計[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有高爐進行假設和統計分析的基礎上的。因此，有必要對爐缸問題模型進行重構，以便于分析，并開發出一種更直接的實時監測爐缸狀態的方法。

2 分析問題

2.1 功能分析

圖2顯示了高爐爐缸的典型結構。基于此可建立如圖3所示的系統功能模型。

圖2 爐缸組成結構圖

圖3 高爐爐缸的功能模型

2.2 問題識別

在圖3中，根據系統創新方法，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%，并且因為產地不同污染情況不同。郭蘭萍等［9］以《中醫藥——中藥材重金屬限量》ISO國際標準為依據，分析了中藥材中Pb、As、Cd、Hg 4種重金屬元素的污染情況，結果顯示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，在人體內的含量不斷增高后，會誘發人體內的各種疾病［10］。

(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-場模型

根據TRIZ的創新標準解方法，針對上述模型，有兩種標準解[32]：

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

(2) 標準解1-2-4：如果物質-場模型中的兩種物質與直接接觸之間出現有益的和有害的影響，一個新的場可以中和有害的影響(或將有害的影響轉化為有用的影響)。

同理，基于TRIZ創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。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，即在爐缸內設置冷卻水管道。

方案3：通過在爐缸內設冷卻水管道(冷卻壁)冷卻鐵水，形成的凝鐵層作為第三種物質，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測高爐狀態的方法，因為溫度被廣泛用于確定爐缸侵蝕狀態的指標，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TRIZ理論給出的解決方案1～方案3。通過在高爐爐缸內設置冷卻系統，將高爐爐缸內部的熱量通過水及時傳出，在鐵水與耐材的接觸區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內基本形成了共識，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 論

現代系統創新理論(包括TRIZ方法)作為一個功能強大的工具包，對于解決工業中的問題非常有用。本文嘗試了用創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。