系统创新方法在高炉炉缸侵蚀问题中的应用

钟星立，季林红，刘勇谋，路益嘉，何腊梅

(1.中冶赛迪技术研究中心有限公司，重庆 401122； 2，清华大学机械工程系，北京 100084；3.成都优迈达科技有限公司，四川 成都 610041)

1 简 介

炉缸是高炉的关键部件，其工作状态将直接影响高炉的寿命。因此，如何对炉缸的工作状态进行准确监测，延长其使用寿命，已成为高炉运行的关键因素，这将极大地影响钢铁企业的生存、发展和竞争力。近20年来，人们对炉缸的失效机理进行了大量的研究，并对炉缸的状态通过实时监测数据建立模型进行监测。但遗憾的是，大多数实时监测炉缸状态的方法都是间接的，存在较高偏差。

1.1 现代系统创新理论

现代系统创新理论由发明问题解决理论(TRIZ)、价值工程理论(VE)、六西格玛设计理论(DFSS)、失效模式和效应分析(FMEA)等众多理论组成，包括了一系列用于进行问题识别、问题解决和方案评估的工具和方法。

1.2 高炉炉缸侵蚀机理的因果链分析(CECA)

图1 炉缸侵蚀的CECA模型

1.3 实时监测炉缸工作状态的方法

高炉的热测量条件可分为三类：①炉缸内有两层热电偶；②炉缸内有单层热电偶；③炉缸内没有热电偶，只有冷却水管道。因此，实时监测炉缸状态的方法可以相应地分为三类。

(1) 第1类：根据两个位于同一水平或同一圆圈的热电偶的检测温度，采用大平板和长圆柱体的导热理论(线性模型)计算出1 150 ℃的等温点，从而监测炉缸内耐火砖的剩余厚度[9-19]。

(2) 第2类：根据现有热电偶上的测量温度，利用有限元法、有限差分法、边界法等方法，采用固体(二维模型)导热理论方程计算1 150 ℃的等温点，从而对炉缸内耐火砖的剩余厚度进行监测[20-25]。

(3) 第3类：测量冷却水入口和出口的温度，通过水温差异的变化对炉缸内砖的剩余厚度进行监测和估计[26-31]。

从上述分析可以看出，无论是高炉炉缸侵蚀机理，还是实时监测炉缸状况的方法，目前的研究和相关方法都是建立在对现有高炉进行假设和统计分析的基础上的。因此，有必要对炉缸问题模型进行重构，以便于分析，并开发出一种更直接的实时监测炉缸状态的方法。

2 分析问题

2.1 功能分析

图2显示了高炉炉缸的典型结构。基于此可建立如图3所示的系统功能模型。

图2 炉缸组成结构图

图3 高炉炉缸的功能模型

2.2 问题识别

在图3中，根据系统创新方法，识别出的待解问题如下：

有学者对于中药重金属污染情况特别关注，并进行了系统的考察评价。赵连华等［8］得出这5种重金属的污染率在9.33%～26.35%，并且因为产地不同污染情况不同。郭兰萍等［9］以《中医药——中药材重金属限量》ISO国际标准为依据，分析了中药材中Pb、As、Cd、Hg 4种重金属元素的污染情况，结果显示4种重金属的超标率分别为3.46%，4.03%，2.91%，1.41%。而重金属元素一旦进入人体后，由于其半衰期较长，在人体内的含量不断增高后，会诱发人体内的各种疾病［10］。

(1)如何避免或减少铁水与陶瓷杯与耐火砖之间的侵蚀；

(2)如何提高热电偶的测量精度；

(3)如何提高冷却水对炉壳和耐火砖的冷却效果；

(4)如何增强耐火砖对陶瓷杯的支撑作用。

3 解决问题

基于TRIZ理论的标准解方法，功能模型中的问题解决方案如下：

问题1：如何避免或减少铁水与陶瓷杯和耐火砖之间的侵蚀？该问题的物-场模型如图4所示。

图4 问题1的物质-场模型

根据TRIZ的创新标准解方法，针对上述模型，有两种标准解[32]：

(1) 标准解1-2-1：如果物质-场模型中的两种物质之间出现有益和有害的影响，并且不需要保持物质之间的直接接触，则通过在它们之间引入第三种物质来解决问题。

(2) 标准解1-2-4：如果物质-场模型中的两种物质与直接接触之间出现有益的和有害的影响，一个新的场可以中和有害的影响(或将有害的影响转化为有用的影响)。

同理，基于TRIZ创新标准解提出的解决问题的思路，得到如下备选方案：

方案1：引入一种熔点比铁高的材料(薄膜)作为铁水与耐火砖之间的第三种物质。如：采用石墨(熔点3 652～3 697 ℃)、高温陶瓷(熔点>1 702 ℃)等。

方案2：引入冷却水作为新的场来中和热量这一有害影响，即在炉缸内设置冷却水管道。

方案3：通过在炉缸内设冷却水管道(冷却壁)冷却铁水，形成的凝铁层作为第三种物质，隔离铁水与耐火砖之间的有害影响。

表1列出了其他待解问题的解法。

表1 其他问题及解决方案

如上所述，通过TRIZ方法找到了9种备选方案。在这些解决方案中，方案4是一种新的、直接和省时的实时监测高炉状态的方法，因为温度被广泛用于确定炉缸侵蚀状态的指标，而铁的凝固温度为1 150 ℃，因此黄铜(熔点1 083 ℃)或灰铁(熔点1 200 ℃)可作为砖块侵蚀程度的参考指标。此方案的CAE仿真结果如图5、图6所示。

图5 炉缸温度图

图6 炉缸温度等温线图

从CAE模拟结果看，采用黄铜或灰铸铁作为炉缸砖侵蚀的指标是可行的。其他基于资源的解决方案，如利用干冰，风等，也是可以实现的。

4 工程案例

针对问题1：如何避免或减少铁水与陶瓷杯和耐火砖之间的侵蚀，根据TRIZ理论给出的解决方案1～方案3。通过在高炉炉缸内设置冷却系统，将高炉炉缸内部的热量通过水及时传出，在铁水与耐材的接触区域形成一定厚度的凝铁层，将铁水与耐材隔开，进而减缓铁水侵蚀耐材，延长炉缸寿命(见图7)。凝铁保护层已在炼铁业内基本形成了共识，凝铁保护层的控制对于延长高炉炉缸寿命有着十分重要的作用(见图8)。

图7 高炉炉内冷却壁

图8 某高炉炉缸形成的凝铁保护层

在高炉炉役后期，炉缸耐材侵蚀较为严重，一般现场通过添加钛矿进行护炉操作，其目的也是在炭砖热面生成一层的高熔点TiC、TiN及其固熔体Ti(C，N)，直接将铁水与耐材进行隔离，进而保护碳砖，延缓或减少耐材侵蚀，延长高炉寿命(见图9)。

图9 某高炉炉缸炭砖热面形成的高熔点的Ti(C，N)

5 结 论

现代系统创新理论(包括TRIZ方法)作为一个功能强大的工具包，对于解决工业中的问题非常有用。本文尝试了用创新方法中的标准解来解决炉缸侵蚀问题，对此问题，今后还可以做更多深入的研究。