基于TRIZ 理論的連鑄鋼包自動(dòng)開(kāi)澆工藝設(shè)計(jì)

曹 磊，張珊珊，韓提文，曹 珍，張紳逸，劉欣愛(ài)

（河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)材料工程系,河北 石家莊 050091）

0 引言

鋼包的順利開(kāi)澆是保證連鑄生產(chǎn)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于穩(wěn)定連鑄操作,提高連澆率,保證鋼水質(zhì)量十分重要。為了提高連鑄鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率，通常先向鋼包上水口內(nèi)裝入引流砂，然后再裝入鋼液，引流砂與鋼液直接接觸時(shí)，能形成合適厚度的燒結(jié)層[1]，精煉完成后，當(dāng)打開(kāi)滑板時(shí)，鋼液會(huì)在靜壓力作用下將引流砂沖出，使鋼液順利通過(guò)水口，進(jìn)而完成鋼液的自動(dòng)開(kāi)澆。使用粉狀混合物作為耐火引流砂是由Kono 和Fukuhisa[2]首次提出的，該混合物主要由高純度二氧化硅砂和低熔點(diǎn)添加劑組成。隨后，為了進(jìn)一步提高鋼包自開(kāi)率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了諸多研究與探討，總結(jié)起來(lái)主要集中在兩方面：一方面是針對(duì)影響鋼包自開(kāi)率的因素對(duì)如何提升鋼包自開(kāi)率進(jìn)行了研究分析[1,3]；另一方面，國(guó)內(nèi)外不同學(xué)者針對(duì)引流砂的燒結(jié)性能及引流砂高溫?zé)Y(jié)機(jī)理進(jìn)行了研究[1,4?6]。由此可見(jiàn)，在已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的聚焦點(diǎn)還是基于引流砂自動(dòng)開(kāi)澆工藝，而很少脫離引流砂而開(kāi)展相關(guān)的研究工作。但是，不論是硅質(zhì)引流砂還是鉻質(zhì)引流砂，其本質(zhì)都是外來(lái)夾雜物，一旦進(jìn)入鋼液將會(huì)污染鋼液，成為連鑄坯中夾雜物的主要來(lái)源,最終影響鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量[7]。尤其是對(duì)夾雜物水平要求極高的高品質(zhì)GCr15 軸承鋼，危害極大。對(duì)于引流砂完成引流后，如何避免其進(jìn)入鋼液，污染鋼液，目前除了采用人工接砂盤(pán)截留引流砂外沒(méi)有更好的解決措施。

因此，為了解決上述問(wèn)題，有必要對(duì)連鑄鋼包自動(dòng)開(kāi)澆工藝進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化。TRIZ 理論作為一種技術(shù)創(chuàng)新的工具，在解決實(shí)際工程技術(shù)問(wèn)題中具有重要作用，能夠?yàn)閷?zhuān)業(yè)技術(shù)人員科學(xué)系統(tǒng)地解決問(wèn)題提供思路與方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì) TRIZ 的理論及其應(yīng)用進(jìn)行了廣泛而深入的研究，在許多工程技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[8?17]，已經(jīng)成為一種可以對(duì)產(chǎn)品與工藝進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的完善的系統(tǒng)工具，但是TRIZ理論在連鑄鋼包自動(dòng)開(kāi)澆中的應(yīng)用研究相對(duì)較少。為此，筆者引入了TRIZ 創(chuàng)新理論分析工具，將TRIZ 理論與鋼包自動(dòng)開(kāi)澆工藝設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，利用TRIZ 分析工具求解鋼包自動(dòng)開(kāi)澆創(chuàng)新工藝，最終提出在完全摒棄傳統(tǒng)引流砂的情況下，通過(guò)“鋼液自服務(wù)”的方式實(shí)現(xiàn)鋼包的自動(dòng)無(wú)污染開(kāi)澆，以期為后續(xù)工藝設(shè)計(jì)和相關(guān)研究提供參考。

1 鋼包自動(dòng)開(kāi)澆問(wèn)題分析

1.1 功能分析

轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)，鋼包圓柱形水口底部用滑板將其擋住，然后將鋼液倒入鋼包內(nèi)，鋼液會(huì)自然填充至圓柱形的鋼包水口內(nèi)。鋼包開(kāi)澆時(shí)，將鋼包水口底部滑板拉開(kāi)，使其澆注孔與鋼包水口重合，從而實(shí)現(xiàn)鋼液澆注。鋼包內(nèi)鋼液在精煉處理、工藝等待等過(guò)程中，圓柱形水口內(nèi)的鋼液溫度會(huì)隨著時(shí)間延長(zhǎng)不斷降低，溫度降低，鋼液冷凝，進(jìn)而將鋼包水口堵塞，無(wú)法實(shí)現(xiàn)鋼液的自動(dòng)開(kāi)澆。

根據(jù)連鑄鋼包澆注系統(tǒng)的工作原理，建立了如圖1 所示的功能模型，矩形框代表系統(tǒng)的元件，橢圓形框代表系統(tǒng)的制品，六角形框代表超系統(tǒng)元件；實(shí)線箭頭代表標(biāo)準(zhǔn)作用，而波浪線箭頭代表存在有害的不希望的作用。由此可以從功能模型中發(fā)現(xiàn)鋼包下滑板會(huì)對(duì)鋼水產(chǎn)生有害作用?冷凝鋼水。一旦鋼水被冷凝，當(dāng)打開(kāi)滑板的時(shí)候，鋼水不能自動(dòng)開(kāi)澆，需要采取燒氧等措施進(jìn)行補(bǔ)救。

圖1 功能模型示意Fig.1 Schematic diagram of function model

1.2 因果分析

準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)問(wèn)題是解決問(wèn)題的前提。針對(duì)功能模型分析得出的有害作用，采用因果鏈分析法進(jìn)行因果分析，如圖2 所示。鋼水產(chǎn)生冷凝的直接原因是鋼水溫度降低且鋼水液相線溫度較高（一般>1 500 ℃）。而鋼水液相線是由鋼種成分決定的，無(wú)法改變。對(duì)于鋼水溫度降低這個(gè)原因進(jìn)一步進(jìn)行因果分析發(fā)現(xiàn)，鋼水停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)以及下滑板導(dǎo)熱快2 個(gè)因素都會(huì)導(dǎo)致上滑板上的鋼水溫度降低。但是對(duì)于鋼水停留時(shí)間長(zhǎng)這個(gè)因素是由鋼液冶煉的生產(chǎn)工藝要求決定的，無(wú)法改變。所以通過(guò)因果分析，確定了產(chǎn)生鋼水冷凝問(wèn)題的3 個(gè)關(guān)鍵原因，即：鋼包結(jié)構(gòu)存在不足；下滑板導(dǎo)熱系數(shù)大；下滑板厚度薄。

圖2 因果鏈分析法分析原因Fig.2 Reasons determined through causal chain analysis

對(duì)于因果分析得到的3 個(gè)關(guān)鍵原因中的下滑板厚度薄，可以憑借經(jīng)驗(yàn)得出相應(yīng)的解決，即增加滑板的厚度。但對(duì)于鋼包結(jié)構(gòu)不足和下滑板導(dǎo)熱系數(shù)大的兩個(gè)關(guān)鍵原因則不能簡(jiǎn)單地憑借經(jīng)驗(yàn)或者提出顯而易見(jiàn)的方案解決，所以鋼包結(jié)構(gòu)不足以及下滑板導(dǎo)熱系數(shù)大為本研究的問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)。

2 利用TRIZ 工具求解

2.1 針對(duì)鋼包結(jié)構(gòu)不足為問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)求解

利用TRIZ 創(chuàng)新工具中物質(zhì)-場(chǎng)模型進(jìn)行求解。物質(zhì)-場(chǎng)模型分析是 TRIZ 理論中的一個(gè)重要分析工具，提供了 6 種一般解和 72 種標(biāo)準(zhǔn)解用于解決設(shè)計(jì)問(wèn)題。

在本問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)中，首先確定關(guān)鍵問(wèn)題，找出組成系統(tǒng)功能的元素：需要實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)水口內(nèi)鋼水保溫，防止冷凝。物質(zhì)S2：下滑板（工具）；物質(zhì)S1：鋼水；場(chǎng)F：熱能。

第二步確定物質(zhì)-場(chǎng)模型的類(lèi)型，熱場(chǎng)F 通過(guò)下滑板S2 作用到鋼水S1 中，對(duì)S1 起到保溫作用，但是保溫作用不足，無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所期望的功能，屬于效應(yīng)不足的完整物質(zhì)-場(chǎng)模型。

第三步建立物質(zhì)?場(chǎng)模型，如圖3 所示。

圖3 物質(zhì)-場(chǎng)模型Fig.3 Matter-field model

根據(jù)所建問(wèn)題的物質(zhì)-場(chǎng)模型，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解決流程，得到標(biāo)準(zhǔn)解為NO.3 建立外部復(fù)雜的物質(zhì)-場(chǎng)模型、NO.5 引入環(huán)境和添加物的物質(zhì)-場(chǎng)模型以及NO.20 結(jié)構(gòu)化場(chǎng)的物質(zhì)-場(chǎng)模型。

NO.3 建立外部復(fù)雜的物-場(chǎng)模型，即可在S1 或者S2 中引入一種永久或者臨時(shí)性的內(nèi)部添加物質(zhì)S3,幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能。據(jù)此可以得到方案2，如圖4 所示，可在下滑板和鋼水間加入一種低熔點(diǎn)高密度的液體金屬“防凝劑”，以起到保溫防冷凝作用。

圖4 方案2：通過(guò)引入一種外部物質(zhì)改善系統(tǒng)功能Fig.4 Scheme 2：Improving system functionality by introducing an external substance

液體金屬防凝劑一般選用熔點(diǎn)小于鋼包水口環(huán)境溫度的鉛鉍合金、鉛銻合金等，因?yàn)樵谑褂脮r(shí)，可以呈現(xiàn)液體狀態(tài)。當(dāng)需要澆注時(shí)，可以打開(kāi)滑板，金屬“防凝劑”通過(guò)鋼包下水口和長(zhǎng)水口進(jìn)入中間包，如圖5 所示。

圖5 方案2 示意Fig.5 Schematic diagram of scheme 2

雖然方案2 在一定程度上解決了鋼液在鋼包水口內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間等待而產(chǎn)生的冷凝問(wèn)題。但是同時(shí)也產(chǎn)生了新的問(wèn)題：如果使用低熔點(diǎn)高密度的金屬防凝劑，那么便能解決引流砂污染鋼液的問(wèn)題，但其作為鋼中的殘余元素會(huì)產(chǎn)生累積效應(yīng)，導(dǎo)致鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量下降，同時(shí)也會(huì)造成資源浪費(fèi)，所以存在技術(shù)沖突。轉(zhuǎn)化為T(mén)RIZ 標(biāo)準(zhǔn)沖突需改善的參數(shù)：31 物體產(chǎn)生的有害作用，10 物體的質(zhì)量（殘余元素質(zhì)量積累），查找沖突矩陣可以得到對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理為35、22、1、39。依據(jù)發(fā)明原理22，變有害為有益，利用有害因素，特別是對(duì)環(huán)境有害的因素，獲得有益的結(jié)果，得到方案3，如圖6 所示。

圖6 方案3 示意Fig.6 Schematic diagram of scheme 3

NO.5 引入環(huán)境和添加物的物質(zhì)-場(chǎng)模型，即可通過(guò)在環(huán)境中引入添加物來(lái)解決問(wèn)題。據(jù)此得到方案4，如圖7 所示，下滑板（S2）散熱快，造成水口內(nèi)鋼水溫度低產(chǎn)生冷凝,可對(duì)水口內(nèi)鋼水（S1）增加電磁加熱（S改進(jìn)的超系統(tǒng)）來(lái)調(diào)節(jié)鋼水溫度，防止冷凝。

圖7 方案4：通過(guò)引入電磁加熱改善系統(tǒng)功能Fig.7 Scheme 4：Improving system function by introducing electromagnetic heating

NO.20 結(jié)構(gòu)化場(chǎng)的物質(zhì)-場(chǎng)模型，即用動(dòng)態(tài)場(chǎng)替代靜態(tài)場(chǎng)以提高物質(zhì)-場(chǎng)系統(tǒng)的效率。據(jù)此結(jié)合連鑄鋼包澆注系統(tǒng)可用資源（鋼包底部透氣塞、氬氣、鋼包內(nèi)鋼水熱能、滑板）可以得到方案5，如圖8 所示，將鋼包底部原有的底吹氬透氣塞與鋼包下滑板組合在一起，形成包底吹氬和滑動(dòng)水口一體化設(shè)計(jì)，通過(guò)下滑板上嵌入的透氣塞向鋼水上水口內(nèi)吹入氬氣，使得鋼包上水口內(nèi)低溫鋼水與鋼包內(nèi)高溫鋼水實(shí)現(xiàn)機(jī)械混合，將原有的靜態(tài)熱能場(chǎng)替換成機(jī)械場(chǎng)，從而改善系統(tǒng)功能，具體方案示意如圖9 所示。

圖8 方案5：通過(guò)將靜態(tài)熱場(chǎng)替換成動(dòng)態(tài)機(jī)械場(chǎng)改善系統(tǒng)功能Fig.8 Scheme 5：Improve system functionality by replacing static thermal fields with dynamic mechanical fields

圖9 方案5 示意Fig.9 Schematic diagram of scheme 5

2.2 針對(duì)下滑板導(dǎo)熱系數(shù)大為問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)求解

利用TRIZ 創(chuàng)新工具中技術(shù)沖突進(jìn)行求解。首先進(jìn)行沖突描述：為了減少下滑板向環(huán)境的散熱量，需要減小下滑板材料的導(dǎo)熱系數(shù)，即將下滑板材質(zhì)更換為導(dǎo)熱系數(shù)更低的材料，比如多孔材料、石棉材料。但是更換為多孔材料等導(dǎo)熱系數(shù)低的材料后，下滑板的高溫強(qiáng)度會(huì)降低，所以存在技術(shù)沖突。

其次將技術(shù)沖突轉(zhuǎn)化為T(mén)RIZ 標(biāo)準(zhǔn)沖突：改善的參數(shù)為17 溫度（物體或系統(tǒng)所處的熱狀態(tài)，包括其他熱參數(shù)），惡化的參數(shù)為14 強(qiáng)度（物體抵抗外力作用以免使自身改變的能力）。

查找沖突矩陣可以得到對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理為10、30、22、40。依據(jù)發(fā)明原理40 復(fù)合材料原理：將單一材料改成復(fù)合材料，考慮將原來(lái)單一的剛玉材質(zhì)改成復(fù)合材料，既能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，又能減少散熱，起到保溫防冷凝效果。據(jù)此可以得到方案6，如圖10所示，將下滑板做成多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，為了保證滑板表層對(duì)高溫強(qiáng)度的要求仍然采用原剛玉材質(zhì)，中間復(fù)合多孔保溫材料減小通過(guò)滑板向環(huán)境的散熱量，防止鋼水冷凝。

圖10 方案6 示意Fig.10 Schematic of scheme 6

利用TRIZ 創(chuàng)新方法中效應(yīng)工具求解：確定需要改變的參數(shù)是“Decrease Heat Conduction”；查找效應(yīng)知識(shí)庫(kù)，得到可用的效應(yīng)為“Vacuum”；依據(jù)“Vacuum”效應(yīng)得到技術(shù)啟示，產(chǎn)生解決方案7，如圖11 所示，即將滑板做成內(nèi)部中空形式，因?yàn)榭諝鈱?dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于固體滑板，可以有效提高滑板的保溫效果。

圖11 方案7 示意Fig.11 Schematic of scheme 7

方案8，如圖12 所示，進(jìn)一步地可以將滑板內(nèi)部中空抽成真空，做成真空滑板。

圖12 方案8 示意Fig.12 Schematic of scheme 8

3 方案評(píng)價(jià)與優(yōu)選

通過(guò)TRIZ 創(chuàng)新方法，得到8 個(gè)創(chuàng)新解，對(duì)應(yīng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利1 項(xiàng)，實(shí)用新型專(zhuān)利2 項(xiàng)；申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利3 項(xiàng)，申請(qǐng)國(guó)際PCT 專(zhuān)利2 項(xiàng)。

針對(duì)國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)80 t 鋼包的實(shí)際情況，從成本（參數(shù)A,權(quán)重0.2）、實(shí)施難度（參數(shù)B,權(quán)重0.2）、生產(chǎn)穩(wěn)定性（參數(shù)C,權(quán)重0.3）、實(shí)施效果（參數(shù)D,權(quán)重0.3）等方面對(duì)上述8 個(gè)方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可以看出，方案8 評(píng)價(jià)得分最高，見(jiàn)表1，因此確定采用真空復(fù)合控流滑板為最優(yōu)方案。實(shí)施結(jié)果表明，鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率可以達(dá)到97%以上，雖然與采用傳統(tǒng)的引流砂開(kāi)澆工藝的自開(kāi)率基本持平，但是降低了鋼中大顆粒夾雜物產(chǎn)生量，有效解決了傳統(tǒng)引流砂開(kāi)澆工藝帶來(lái)的引流砂污染鋼液的頑疾。

表1 方案比選Table 1 Scheme comparison results

4 結(jié)語(yǔ)

基于TRIZ 理論，建立了整體功能模型，采用因果鏈法進(jìn)行原因分析，確定了產(chǎn)生問(wèn)題的關(guān)鍵原因；充分應(yīng)用技術(shù)沖突、物理沖突、物質(zhì)-場(chǎng)模型以及效應(yīng)等工具對(duì)連鑄鋼包開(kāi)澆工藝進(jìn)行了優(yōu)化，產(chǎn)生了8 種解決方案。針對(duì)某廠實(shí)際，通過(guò)方案比選，得到最優(yōu)解決方案為使用真空復(fù)合控流滑板，實(shí)施后取得了良好的工藝效果，鋼包自動(dòng)開(kāi)澆率在97%以上。說(shuō)明TRIZ 理論在解決冶金領(lǐng)域?qū)嶋H工程技術(shù)問(wèn)題中具有很強(qiáng)的實(shí)用性，可以廣泛應(yīng)用，從而解決困擾冶金工藝技術(shù)人員的諸多難題。