系统创新方法在高炉炉缸侵蚀问题中的应用

收稿日期：２０１９ １１ １５；　修回日期：２０２０ ０６ １７
作者简介：钟星立（１９８２—），男，硕士，高级工程师，研究方向为
科技创新理论、工具及方法，企业集成系统创新，企业管理
．
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２ １６３９．２０２０．０７．０１０
系统创新方法在高炉炉缸侵蚀问题中的应用
钟星立１，２
，季林红２，刘勇谋３，路益嘉２，何腊梅１
（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）
摘要：从一个新的角度出发，提出了一种新的炉缸状态实时监测模型和一系列创新解决方案，通过现代系统创新方法提出了准确监测炉缸状态的建议，最后，对提出的方法利用ＣＡＥ技术对其进行了评估。

关键词：高炉炉缸；侵蚀；ＴＲＩＺ；功能模型；物－场模型；标准解；ＣＡＥ
中图分类号：ＴＦ５７６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２ １６３９（２０２０）０７ ００３６ ０５
ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｙｓｔｅｍａｔｉｃＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｉｎＢＦＨｅａｒｔｈＥｒｏｓｉｏｎＰｒｏｂｌｅｍ
ＺＨＯＮＧＸｉｎｇｌｉ１，２，ＪＩＬｉｎｈｏｎｇ２，ＬＩＵＹｏｎｇｍｏｕ３，ＬＵＹｉｊｉａ２，ＨＥＬａｍｅｉ
１
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３ ＵｎｉｑｕｅＭｅｔｈｏｄｏｌｇｙＤｅｓｉｇｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００４１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｒｏｍａｎｅｗｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ，ａｎｅｗｒｅａｌ ｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｈｅａｒｔｈｓｔａｔｅａｎｄａｓｅｒｉｅｓｏｆｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｂｙｍｏｄｅｒｎｓｙｓｔｅｍｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｓｕｇｇｕｅｓｔｉｏｎｓｆｏｒａｃｃｕｒａｔｅｌｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｈｅｓｔａｔｅｏｆｔｈｅｈｅａｒｔｈａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｓｕｓｅｓＣＡＥｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｅｖａｌｕａｔｅ．
ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｈｅａｒｔｈｏｆｂｌａｓｔｆｕｒｎａｃｅ；ｅｒｏｓｉｏｎ；ＴＲＩＺ；ｆｕｎｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌ；ｓｕ ｆｉｅｌｄ；ｓｔａｎｄａｒｄ，ＣＡＥ
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）
作为一个黑匣子［１］
，大多数关于高炉炉缸侵蚀机
理的研究都是通过假设提出的。

这些假设可以在ＣＥ
ＣＡ模型中显示，详见图１［２－８］。

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１１５０℃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１１
５０℃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：
（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３６５２～３６９７℃）、高温陶瓷（熔点＞１７０２℃）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。

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１１５０℃，因
表１　其他问题及解决方案
问题
物质－场模型
标准解
备选方案
如何提高热电偶的测
量精度
标准解４－３－１：利用物理效应可以提高测量物场模型的效率
方案４
：在耐火砖中用黄铜（熔点为１０８３℃）或灰铸铁（熔点为１２００℃）代替热电偶
如何提高冷却水对炉壳和耐火砖的冷却效果
如何提高冷却水对炉壳和耐火砖的冷却效果
如何增强耐火砖对陶
瓷杯的支撑作用
１．标准解４－３－１：通过将ＳＦＭ的一个部分转化为一个独立可控的ＳＦＭ，从而形成链型ＳＦＭ，可以提高Ｓ
ＦＭ的效率２．标准解２－１－２：如果需要提
高ＳＦＭ的效率，并且不允许更换ＳＦＭ元件，则通过引入易于控制的第二个ＳＦＭ，可以通过合成双Ｓ
ＦＭ来解决这个问题３．标准解２－２－１：可通过用控制良好的场取代不受控制的（或
控制不良的）场来提高Ｓ
ＦＭ的效率
方案５：引入干冰等挥发性物质，提高冷却效率
方案６：将壳体由实心转变为蜂窝结构，引入风场，提高冷却效率
方案７：引入干冰等挥发性物质，提高冷
却效率
方案８：将砖由固体变为多孔，并引入风，以提高冷却效率
方案９：将陶瓷杯由实心结构改为蜂窝结构，以提高杯的强度此黄铜（熔点１０８３℃）或灰铁（熔点１２００℃）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
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Ｔ
ｉＣ、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８　某高炉炉缸形成的凝铁保护层
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。

图９　某高炉炉缸炭砖热面形成的高熔点的Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）
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２３２－２３３．
（上接第３１页）
参数和功能均达到了设计指标，符合预期设计要求。

该设备２０１５年８月正式已投入使用，经过两年的连续运行，该设备运行稳定可靠，可以制备出合格的产品（见表２、图４）。

图３　料盘
表２　设备运行实际参数
名称数值设计要求符合性
工作温度／℃５００符合炉温均匀性／
℃±５符合装炉量６ｋｇＵ／天符合空气流量／ｍ３
·ｈ－１
０～５连续可调
符合出炉温度／℃
＜４０
符合
５　小　结
通过对焙烧装置的设计、安装、调试和运行，该设备具有以下优势：
（１）
焙烧装置各项参数和性能达到了设计指标；
图４　焙烧装置
（２）焙烧装置可以制备出合格的产品；
（３）焙烧装置操作简单，满足了高温气冷堆核电示范工程核燃料元件生产线工业化生产的要求；
（４）焙烧装置研制成功后，填补了高温气冷堆核燃料元件焙烧工艺工业化处理设备的空白。

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