陳長(zhǎng)雄

（武鋼江北集團(tuán)漢陽(yáng)鋼廠，武漢 430050）

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一種基于TRIZ理論的環(huán)形爐用新型鑄造式水冷爐門框的設(shè)計(jì)

陳長(zhǎng)雄

（武鋼江北集團(tuán)漢陽(yáng)鋼廠，武漢 430050）

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有環(huán)形爐爐門框存在耐熱性差、使用壽命短的問(wèn)題，通過(guò)分析現(xiàn)有環(huán)形加熱爐爐門框的工況及存在的矛盾沖突，建立了沖突矩陣，根據(jù)TRIZ理論提供的相應(yīng)的創(chuàng)新原理的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了這種新型內(nèi)嵌連續(xù)水冷卻系統(tǒng)的鑄造式爐門框?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，這種新型爐門框效果良好，故障率低，壽命成倍延長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：環(huán)形爐 鑄造式爐門框 TRIZ 沖突矩陣

環(huán)形加熱爐是軋管生產(chǎn)線上的重要設(shè)備，是連續(xù)性加熱軋鋼件的大型冶金爐中的一種，多用于加熱管坯、輪轂坯等軋件。而爐門框是環(huán)形爐上重要組成部件，在一定程度上影響著加熱爐的使用壽命以及管坯的出爐溫度。我國(guó)目前在冶金加熱爐上所使用的各種形式的爐門框均存在使用壽命不高，易損壞的問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)顯示，出料門爐門框使用壽命均不超過(guò)一年，幾乎每年都要更換，而進(jìn)料門為每?jī)赡旮鼡Q一次，造成了大量的財(cái)力物力浪費(fèi)。因此，為了降低維修費(fèi)用和節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)久耐用的新型爐門框越來(lái)越受到各煉鋼企業(yè)的重視。本文以TRIZ理論為指導(dǎo)，將矛盾／沖突矩陣、39個(gè)工程參數(shù)、40個(gè)創(chuàng)新原理等知識(shí)庫(kù)結(jié)合應(yīng)用于環(huán)形爐用新型鑄造式水冷爐門框改進(jìn)設(shè)計(jì)中，最終通過(guò)分析獲得了滿足需求的改進(jìn)方案。

1 TRIZ理論的基本原理

TRIZ理論是前蘇聯(lián)人Altshuller及其領(lǐng)導(dǎo)的一批研究人員在分析研究世界各國(guó)近250萬(wàn)份高水平的發(fā)明專利的基礎(chǔ)上，通過(guò)總結(jié)各種技術(shù)發(fā)展進(jìn)化遵循所規(guī)律模式，以及解決各種技術(shù)矛盾和物理矛盾所使用的創(chuàng)新原理和法則，進(jìn)而提出的、專門研究創(chuàng)新的理論。

TRIZ理論提供了多種工具，包括問(wèn)題的分析方法（產(chǎn)品進(jìn)化法則、物質(zhì)—場(chǎng)理論等）和解決方法（76種標(biāo)準(zhǔn)解、40種沖突解決原理、分離原理等）。這些工具本身包含了多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，在多個(gè)領(lǐng)域均有應(yīng)用成果，具有很高的適用性。

TRIZ利用這些方法和工具解決創(chuàng)新性問(wèn)題有個(gè)一般的過(guò)程，即對(duì)系統(tǒng)問(wèn)題進(jìn)行分析。如果發(fā)現(xiàn)存在沖突，則應(yīng)用原理去解決；如果問(wèn)題明確，但不知道如何解決，則應(yīng)用效應(yīng)去解決；否則對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)化預(yù)測(cè)；之后則是評(píng)價(jià)；最后是實(shí)現(xiàn)。TRIZ流程圖如圖1所示。

2 目前環(huán)形爐用鑄造式水冷爐門框存在的主要問(wèn)題及沖突分析

圖1 TRIZ創(chuàng)新流程

目前我國(guó)在冶金加熱爐上所使用的爐門框主要有鑄造式鑄鐵實(shí)體門框和鋼結(jié)構(gòu)水箱式水冷門框兩種形式。鑄造式鑄鐵實(shí)體門框由于灰口鑄鐵熔點(diǎn)較低，在環(huán)形爐出鋼門這種溫度高的地方使用時(shí)，會(huì)出現(xiàn)氧化脫碳，導(dǎo)致門框破碎，使用壽命很低。而鋼結(jié)構(gòu)水箱式水冷門框由于鋼板焊結(jié)制造的復(fù)雜性，決定了門框焊縫縱橫交錯(cuò)，且水箱式結(jié)構(gòu)本身受熱不均等應(yīng)力差。因此，在長(zhǎng)期的熱交變應(yīng)力作用下，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)焊縫漏水和鋼板變形等問(wèn)題。

對(duì)環(huán)形加熱爐爐門框?qū)嶋H使用環(huán)境及現(xiàn)有兩種形式的爐門框存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)環(huán)形加熱爐爐門框?qū)嶋H設(shè)計(jì)中有如下沖突：鑄造式鑄鐵實(shí)體門框制造性好而易氧化，強(qiáng)度較低，即制造性與強(qiáng)度之間的沖突；而鋼結(jié)構(gòu)水箱式水冷門框雖然耐熱性好卻難制造，應(yīng)力差易變形。

通過(guò)分析決定采用分割原理及局部質(zhì)量原理來(lái)解決環(huán)形加熱爐爐門框設(shè)計(jì)問(wèn)題。分割原理及局部質(zhì)量原理具體解釋見(jiàn)表1。

表1 分割原理及局部質(zhì)量原理具體解釋

3 新型鑄造式水冷爐門框的設(shè)計(jì)

將上述經(jīng)過(guò)TRIZ理論得出的通用解進(jìn)行工程化，設(shè)計(jì)出了環(huán)形爐用鑄造式水冷爐門框。利用分割原理將門框分為鑄造門框體和環(huán)形無(wú)縫冷卻水管兩部分，然后利用局部質(zhì)量原理，在鑄造式實(shí)體門框的基礎(chǔ)上，預(yù)埋環(huán)形無(wú)縫冷卻水管來(lái)達(dá)到結(jié)構(gòu)式門框的水冷效果，將二者結(jié)合起來(lái)，每一部分完成不同功能，由此設(shè)計(jì)出新型環(huán)形爐用鑄造式水冷爐門框。它結(jié)合了前兩種爐門框的優(yōu)點(diǎn)于一體，充分利用鑄鐵較好的鑄造特性和小的冷卻收縮性，熱變形小等特點(diǎn)，同時(shí)又避開鋼結(jié)構(gòu)水箱式水冷門框受熱變形、脫焊漏水等缺陷而達(dá)到水冷效果，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、安裝方便、性能可靠、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鑄造式水冷爐門框結(jié)構(gòu)示意

使用情況與經(jīng)濟(jì)效益：武鋼江北集團(tuán)漢陽(yáng)鋼廠從2007年底開始使用此新型鑄造式水冷爐門框，至今門框依然完好如初。按照以前每年更換一次門框，直接節(jié)省了7個(gè)門框，同時(shí)也杜絕了因?yàn)殚T框漏水補(bǔ)焊和更換門框時(shí)停產(chǎn)而產(chǎn)生的間接經(jīng)濟(jì)損失。由此可見(jiàn)，這種新型鑄造式水冷爐門框具有使用性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，值得大力推廣。

4 結(jié)語(yǔ)

TRIZ理論將復(fù)雜的發(fā)明問(wèn)題解決過(guò)程通過(guò)一種相對(duì)簡(jiǎn)單的邏輯思維展現(xiàn)在人們面前，使發(fā)明問(wèn)題的解決得以簡(jiǎn)化。利用TRIZ理論的矛盾／沖突分析矩陣、39個(gè)工程參數(shù)、40個(gè)發(fā)明原理等對(duì)環(huán)形爐門框進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在不增加新材料、新工藝的情況下，設(shè)計(jì)出一種新型鑄造式水冷爐門框，同時(shí)解決了鑄造式鑄鐵實(shí)體門框耐熱性差及鋼結(jié)構(gòu)水箱式水冷門框受熱不均、易變形漏水的問(wèn)題。該問(wèn)題的解決也證明，TRIZ理論是一種非常有效的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。

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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