一种基于TRIZ理论的环形炉用新型铸造式水冷炉门框的设计

陈长雄

（武钢江北集团汉阳钢厂，武汉 430050）



一种基于TRIZ理论的环形炉用新型铸造式水冷炉门框的设计

陈长雄

（武钢江北集团汉阳钢厂，武汉 430050）

摘 要：针对现有环形炉炉门框存在耐热性差、使用寿命短的问题，通过分析现有环形加热炉炉门框的工况及存在的矛盾冲突，建立了冲突矩阵，根据TRIZ理论提供的相应的创新原理的启发，设计了这种新型内嵌连续水冷却系统的铸造式炉门框。现场应用表明，这种新型炉门框效果良好，故障率低，寿命成倍延长。

关键词：环形炉 铸造式炉门框 TRIZ 冲突矩阵

环形加热炉是轧管生产线上的重要设备，是连续性加热轧钢件的大型冶金炉中的一种，多用于加热管坯、轮毂坯等轧件。而炉门框是环形炉上重要组成部件，在一定程度上影响着加热炉的使用寿命以及管坯的出炉温度。我国目前在冶金加热炉上所使用的各种形式的炉门框均存在使用寿命不高，易损坏的问题。统计显示，出料门炉门框使用寿命均不超过一年，几乎每年都要更换，而进料门为每两年更换一次，造成了大量的财力物力浪费。因此，为了降低维修费用和节约生产成本，提高生产效率，设计一种结构简单、经久耐用的新型炉门框越来越受到各炼钢企业的重视。本文以TRIZ理论为指导，将矛盾／冲突矩阵、39个工程参数、40个创新原理等知识库结合应用于环形炉用新型铸造式水冷炉门框改进设计中，最终通过分析获得了满足需求的改进方案。

1 TRIZ理论的基本原理

TRIZ理论是前苏联人Altshuller及其领导的一批研究人员在分析研究世界各国近250万份高水平的发明专利的基础上，通过总结各种技术发展进化遵循所规律模式，以及解决各种技术矛盾和物理矛盾所使用的创新原理和法则，进而提出的、专门研究创新的理论。

TRIZ理论提供了多种工具，包括问题的分析方法（产品进化法则、物质—场理论等）和解决方法（76种标准解、40种冲突解决原理、分离原理等）。这些工具本身包含了多个领域的知识，在多个领域均有应用成果，具有很高的适用性。

TRIZ利用这些方法和工具解决创新性问题有个一般的过程，即对系统问题进行分析。如果发现存在冲突，则应用原理去解决；如果问题明确，但不知道如何解决，则应用效应去解决；否则对系统进行进化预测；之后则是评价；最后是实现。TRIZ流程图如图1所示。

2 目前环形炉用铸造式水冷炉门框存在的主要问题及冲突分析

图1 TRIZ创新流程

目前我国在冶金加热炉上所使用的炉门框主要有铸造式铸铁实体门框和钢结构水箱式水冷门框两种形式。铸造式铸铁实体门框由于灰口铸铁熔点较低，在环形炉出钢门这种温度高的地方使用时，会出现氧化脱碳，导致门框破碎，使用寿命很低。而钢结构水箱式水冷门框由于钢板焊结制造的复杂性，决定了门框焊缝纵横交错，且水箱式结构本身受热不均等应力差。因此，在长期的热交变应力作用下，经常会出现焊缝漏水和钢板变形等问题。

对环形加热炉炉门框实际使用环境及现有两种形式的炉门框存在的问题进行分析，发现环形加热炉炉门框实际设计中有如下冲突：铸造式铸铁实体门框制造性好而易氧化，强度较低，即制造性与强度之间的冲突；而钢结构水箱式水冷门框虽然耐热性好却难制造，应力差易变形。

通过分析决定采用分割原理及局部质量原理来解决环形加热炉炉门框设计问题。分割原理及局部质量原理具体解释见表1。

表1 分割原理及局部质量原理具体解释

3 新型铸造式水冷炉门框的设计

将上述经过TRIZ理论得出的通用解进行工程化，设计出了环形炉用铸造式水冷炉门框。利用分割原理将门框分为铸造门框体和环形无缝冷却水管两部分，然后利用局部质量原理，在铸造式实体门框的基础上，预埋环形无缝冷却水管来达到结构式门框的水冷效果，将二者结合起来，每一部分完成不同功能，由此设计出新型环形炉用铸造式水冷炉门框。它结合了前两种炉门框的优点于一体，充分利用铸铁较好的铸造特性和小的冷却收缩性，热变形小等特点，同时又避开钢结构水箱式水冷门框受热变形、脱焊漏水等缺陷而达到水冷效果，具有结构简单、制造容易、安装方便、性能可靠、使用寿命长等特点。其主要结构如图2所示。

图2 铸造式水冷炉门框结构示意

使用情况与经济效益：武钢江北集团汉阳钢厂从2007年底开始使用此新型铸造式水冷炉门框，至今门框依然完好如初。按照以前每年更换一次门框，直接节省了7个门框，同时也杜绝了因为门框漏水补焊和更换门框时停产而产生的间接经济损失。由此可见，这种新型铸造式水冷炉门框具有使用性和经济价值，值得大力推广。

4 结语

TRIZ理论将复杂的发明问题解决过程通过一种相对简单的逻辑思维展现在人们面前，使发明问题的解决得以简化。利用TRIZ理论的矛盾／冲突分析矩阵、39个工程参数、40个发明原理等对环形炉门框进行改进设计，在不增加新材料、新工艺的情况下，设计出一种新型铸造式水冷炉门框，同时解决了铸造式铸铁实体门框耐热性差及钢结构水箱式水冷门框受热不均、易变形漏水的问题。该问题的解决也证明，TRIZ理论是一种非常有效的创新设计方法。

参考文献

[1]钢铁厂工业炉设计参考资料编写组.钢铁厂工业炉设计参考资料[M]．北京：冶金工业出版社，1979．

[2]檀润华.创新设计：TRIZ发明问题解决理论[M]．北京：机械工业出版社，2002．

[3]徐起贺，戚新波.TRIZ创新理论实用指南[M]．北京：北京理工大学出版社，2011．

[4]吕欣.基于TRIZ理论中39矛盾矩阵与40创新原则的产品创新设计研究[J].包装工程，2009，（5）.

[5]鞍钢重型机械有限责任公司.高寿命双水冷炉门框：中国，101749954A[P].2010-06-23.

[6]武汉钢铁(集团)公司.环形炉用铸造式水冷炉门框：中国，202329176U[P].2011-11-23.

A Design of New Cast-type water Cooled Door Frame of Annular Heating Furnace Basing on the TRIZ Theory

CHEN Changxiong
(Wuhan Iron and Steel Co., Hanyang iron and Steel Co.,Wuhan 430050)

Abstract:In view of the existing frame annular furnace heat resistance is poor, the problem of short service life of furnace door frame by analyz ing the exis ting annular furnace condition and the existing contradiction, conflict matrix, is established according to the principle of TRIZ theory to provide the corresponding innovation, designed the new embedded continuous c asting furnace doors water cooling system. Field application shows that this new type of furnace door frame effect is good, low fault rate and extend lifespan exponentially.

Key words:annular furnace,casting frame door,TRIZ,onflict matrix