基于TRIZ 理論的連鑄鋼包自動開澆工藝設計

曹 磊，張珊珊，韓提文，曹 珍，張紳逸，劉欣愛

（河北工業職業技術大學材料工程系,河北 石家莊 050091）

0 引言

鋼包的順利開澆是保證連鑄生產正常運轉的重要環節，對于穩定連鑄操作,提高連澆率,保證鋼水質量十分重要。為了提高連鑄鋼包自動開澆率，通常先向鋼包上水口內裝入引流砂，然后再裝入鋼液，引流砂與鋼液直接接觸時，能形成合適厚度的燒結層[1]，精煉完成后，當打開滑板時，鋼液會在靜壓力作用下將引流砂沖出，使鋼液順利通過水口，進而完成鋼液的自動開澆。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添加劑組成。隨后，為了進一步提高鋼包自開率，國內外學者開展了諸多研究與探討，總結起來主要集中在兩方面：一方面是針對影響鋼包自開率的因素對如何提升鋼包自開率進行了研究分析[1,3]；另一方面，國內外不同學者針對引流砂的燒結性能及引流砂高溫燒結機理進行了研究[1,4?6]。由此可見，在已經公開發表的文獻中，國內外學者研究的聚焦點還是基于引流砂自動開澆工藝，而很少脫離引流砂而開展相關的研究工作。但是，不論是硅質引流砂還是鉻質引流砂，其本質都是外來夾雜物，一旦進入鋼液將會污染鋼液，成為連鑄坯中夾雜物的主要來源,最終影響鋼鐵產品質量[7]。尤其是對夾雜物水平要求極高的高品質GCr15 軸承鋼，危害極大。對于引流砂完成引流后，如何避免其進入鋼液，污染鋼液，目前除了采用人工接砂盤截留引流砂外沒有更好的解決措施。

因此，為了解決上述問題，有必要對連鑄鋼包自動開澆工藝進行創新優化。TRIZ 理論作為一種技術創新的工具，在解決實際工程技術問題中具有重要作用，能夠為專業技術人員科學系統地解決問題提供思路與方法。國內外學者對 TRIZ 的理論及其應用進行了廣泛而深入的研究，在許多工程技術領域得到了廣泛應用[8?17]，已經成為一種可以對產品與工藝進行創新設計的完善的系統工具，但是TRIZ理論在連鑄鋼包自動開澆中的應用研究相對較少。為此，筆者引入了TRIZ 創新理論分析工具，將TRIZ 理論與鋼包自動開澆工藝設計有機結合起來，利用TRIZ 分析工具求解鋼包自動開澆創新工藝，最終提出在完全摒棄傳統引流砂的情況下，通過“鋼液自服務”的方式實現鋼包的自動無污染開澆，以期為后續工藝設計和相關研究提供參考。

1 鋼包自動開澆問題分析

1.1 功能分析

轉爐出鋼時，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，鋼液會自然填充至圓柱形的鋼包水口內。鋼包開澆時，將鋼包水口底部滑板拉開，使其澆注孔與鋼包水口重合，從而實現鋼液澆注。鋼包內鋼液在精煉處理、工藝等待等過程中，圓柱形水口內的鋼液溫度會隨著時間延長不斷降低，溫度降低，鋼液冷凝，進而將鋼包水口堵塞，無法實現鋼液的自動開澆。

根據連鑄鋼包澆注系統的工作原理，建立了如圖1 所示的功能模型，矩形框代表系統的元件，橢圓形框代表系統的制品，六角形框代表超系統元件；實線箭頭代表標準作用，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現鋼包下滑板會對鋼水產生有害作用?冷凝鋼水。一旦鋼水被冷凝，當打開滑板的時候，鋼水不能自動開澆，需要采取燒氧等措施進行補救。

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

1.2 因果分析

準確的認識問題是解決問題的前提。針對功能模型分析得出的有害作用，采用因果鏈分析法進行因果分析，如圖2 所示。鋼水產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，無法改變。對于鋼水溫度降低這個原因進一步進行因果分析發現，鋼水停留時間過長以及下滑板導熱快2 個因素都會導致上滑板上的鋼水溫度降低。但是對于鋼水停留時間長這個因素是由鋼液冶煉的生產工藝要求決定的，無法改變。所以通過因果分析，確定了產生鋼水冷凝問題的3 個關鍵原因，即：鋼包結構存在不足；下滑板導熱系數大；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

對于因果分析得到的3 個關鍵原因中的下滑板厚度薄，可以憑借經驗得出相應的解決，即增加滑板的厚度。但對于鋼包結構不足和下滑板導熱系數大的兩個關鍵原因則不能簡單地憑借經驗或者提出顯而易見的方案解決，所以鋼包結構不足以及下滑板導熱系數大為本研究的問題關鍵點。

2 利用TRIZ 工具求解

2.1 針對鋼包結構不足為問題關鍵點求解

利用TRIZ 創新工具中物質-場模型進行求解。物質-場模型分析是 TRIZ 理論中的一個重要分析工具，提供了 6 種一般解和 72 種標準解用于解決設計問題。

在本問題關鍵點中，首先確定關鍵問題，找出組成系統功能的元素：需要實現的功能是對水口內鋼水保溫，防止冷凝。物質S2：下滑板（工具）；物質S1：鋼水；場F：熱能。

第二步確定物質-場模型的類型，熱場F 通過下滑板S2 作用到鋼水S1 中，對S1 起到保溫作用，但是保溫作用不足，無法實現系統所期望的功能，屬于效應不足的完整物質-場模型。

第三步建立物質?場模型，如圖3 所示。

圖3 物質-場模型Fig.3 Matter-field model

根據所建問題的物質-場模型，應用標準解決流程，得到標準解為NO.3 建立外部復雜的物質-場模型、NO.5 引入環境和添加物的物質-場模型以及NO.20 結構化場的物質-場模型。

NO.3 建立外部復雜的物-場模型，即可在S1 或者S2 中引入一種永久或者臨時性的內部添加物質S3,幫助系統實現功能。據此可以得到方案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：通過引入一種外部物質改善系統功能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小于鋼包水口環境溫度的鉛鉍合金、鉛銻合金等，因為在使用時，可以呈現液體狀態。當需要澆注時，可以打開滑板，金屬“防凝劑”通過鋼包下水口和長水口進入中間包，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長時間等待而產生的冷凝問題。但是同時也產生了新的問題：如果使用低熔點高密度的金屬防凝劑，那么便能解決引流砂污染鋼液的問題，但其作為鋼中的殘余元素會產生累積效應，導致鋼鐵產品質量下降，同時也會造成資源浪費，所以存在技術沖突。轉化為TRIZ 標準沖突需改善的參數：31 物體產生的有害作用，10 物體的質量（殘余元素質量積累），查找沖突矩陣可以得到對應的發明原理為35、22、1、39。依據發明原理22，變有害為有益，利用有害因素，特別是對環境有害的因素，獲得有益的結果，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 引入環境和添加物的物質-場模型，即可通過在環境中引入添加物來解決問題。據此得到方案4，如圖7 所示，下滑板（S2）散熱快，造成水口內鋼水溫度低產生冷凝,可對水口內鋼水（S1）增加電磁加熱（S改進的超系統）來調節鋼水溫度，防止冷凝。

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

NO.20 結構化場的物質-場模型，即用動態場替代靜態場以提高物質-場系統的效率。據此結合連鑄鋼包澆注系統可用資源（鋼包底部透氣塞、氬氣、鋼包內鋼水熱能、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水口一體化設計，通過下滑板上嵌入的透氣塞向鋼水上水口內吹入氬氣，使得鋼包上水口內低溫鋼水與鋼包內高溫鋼水實現機械混合，將原有的靜態熱能場替換成機械場，從而改善系統功能，具體方案示意如圖9 所示。

圖8 方案5：通過將靜態熱場替換成動態機械場改善系統功能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 針對下滑板導熱系數大為問題關鍵點求解

利用TRIZ 創新工具中技術沖突進行求解。首先進行沖突描述：為了減少下滑板向環境的散熱量，需要減小下滑板材料的導熱系數，即將下滑板材質更換為導熱系數更低的材料，比如多孔材料、石棉材料。但是更換為多孔材料等導熱系數低的材料后，下滑板的高溫強度會降低，所以存在技術沖突。

其次將技術沖突轉化為TRIZ 標準沖突：改善的參數為17 溫度（物體或系統所處的熱狀態，包括其他熱參數），惡化的參數為14 強度（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應的發明原理為10、30、22、40。依據發明原理40 復合材料原理：將單一材料改成復合材料，考慮將原來單一的剛玉材質改成復合材料，既能滿足強度要求，又能減少散熱，起到保溫防冷凝效果。據此可以得到方案6，如圖10所示，將下滑板做成多層復合結構，為了保證滑板表層對高溫強度的要求仍然采用原剛玉材質，中間復合多孔保溫材料減小通過滑板向環境的散熱量，防止鋼水冷凝。

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

利用TRIZ 創新方法中效應工具求解：確定需要改變的參數是“Decrease Heat Conduction”；查找效應知識庫，得到可用的效應為“Vacuum”；依據“Vacuum”效應得到技術啟示，產生解決方案7，如圖11 所示，即將滑板做成內部中空形式，因為空氣導熱系數遠遠低于固體滑板，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，進一步地可以將滑板內部中空抽成真空，做成真空滑板。

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

3 方案評價與優選

通過TRIZ 創新方法，得到8 個創新解，對應的創新設計授權發明專利1 項，實用新型專利2 項；申請發明專利3 項，申請國際PCT 專利2 項。

針對國內某鋼鐵企業80 t 鋼包的實際情況，從成本（參數A,權重0.2）、實施難度（參數B,權重0.2）、生產穩定性（參數C,權重0.3）、實施效果（參數D,權重0.3）等方面對上述8 個方案進行綜合評價，可以看出，方案8 評價得分最高，見表1，因此確定采用真空復合控流滑板為最優方案。實施結果表明，鋼包自動開澆率可以達到97%以上，雖然與采用傳統的引流砂開澆工藝的自開率基本持平，但是降低了鋼中大顆粒夾雜物產生量，有效解決了傳統引流砂開澆工藝帶來的引流砂污染鋼液的頑疾。

表1 方案比選Table 1 Scheme comparison results

4 結語

基于TRIZ 理論，建立了整體功能模型，采用因果鏈法進行原因分析，確定了產生問題的關鍵原因；充分應用技術沖突、物理沖突、物質-場模型以及效應等工具對連鑄鋼包開澆工藝進行了優化，產生了8 種解決方案。針對某廠實際，通過方案比選，得到最優解決方案為使用真空復合控流滑板，實施后取得了良好的工藝效果，鋼包自動開澆率在97%以上。說明TRIZ 理論在解決冶金領域實際工程技術問題中具有很強的實用性，可以廣泛應用，從而解決困擾冶金工藝技術人員的諸多難題。