Снижение потерь за счёт увеличения не сливаемого остатка расплава в печи

Леонид Полонский

Формулировка проблемы и Нежелательного Эффекта. Общая задача проекта — снижение затрат электроэнергии на сталеварение. Параметрический анализ показал, что удельная скорость расплавления шихты при пониженной электрической мощности отстаёт от скорости при полной мощности, то есть эффективность нагрева ниже и НЭ формулируется как: недостаточная эффективность передачи энергии индуктора в шихту при пониженном токе.

Из параметров, входящих в формулу тока индукции, к управлению доступны: величина тока, частота его изменения, число включённых по высоте печи витков индуктора; из параметров содержимого печи — температура/фракционный состав шихты, температура футеровки и количество остаточного расплава в печи. Общая задача декомпозирована на частные; часть из них решена типовыми инженерными средствами (управление подключением витков, предварительный подогрев шихты отходящими газами) и не требовала инструментов ТРИЗ. Ниже разбирается только изобретательская часть, приведшая к решению об увеличении несливаемого остатка.

Часть 1. Формулировка технического противоречия

Первая из декомпозированных задач — как меньшим током передавать в шихту то же количество энергии, то есть как повысить КПД печи по электричеству.

Эффективность передачи энергии индукции зависит от расстояния между проводником индуктора и принимающим металлом: чем оно меньше, тем меньший ток требуется для того же разогрева. Расстояние задаётся толщиной футеровки, которая одновременно защищает охлаждаемый водой медный индуктор от контакта с расплавом и конструкцию наклоняемой печи от перегрева, коробления и связанного с ним сокращения межремонтного периода.

Техническое противоречие. Если сделать слой футеровки тонким, то улучшается передача электромагнитной энергии от индуктора к расплаву, однако ухудшаются безопасность, ресурс печи и сокращается межремонтный период. Если сделать слой футеровки толстым, то ресурс и надёжность конструкции печи высоки, однако для получения расплава требуется больший ток.

По Матрице Альтшулера. Улучшаемый параметр — «Потери энергии» (строка 22); ухудшается «Вредные факторы, возникающие в самом объекте» (столбец 31). Пересечение матрицы указывает приёмы: 21 (проскок), 35 (изменение физико-химических параметров объекта), 2 (вынесение), 22 (обратить вред в пользу).

Приём 21 (проскок — вести процесс на большой скорости, так чтобы полезное происходило много быстрее вредного) в данной ТС оказался неприменим: любая его реализация упиралась в изменение конструкции печи, что противоречило исходному ограничению Задачедателя.

Часть 2. Приём 35 применительно к трём компонентам системы

ТС здесь состоит из трёх физических объектов, каждый из которых можно рассмотреть отдельно как кандидата на изменение физико-химических параметров: садка (шихта/расплав), футеровка, индуктор.

Индуктор. Приём подсказывает «образ» жидкого (расплавленного) индуктора — решение, привлекательное тем, что снимает саму необходимость футеровки и системы охлаждения индуктора как класс. Информационный поиск, однако, показал: электропроводность меди в жидком состоянии ниже, чем в твёрдом, приблизительно в 10 раз. Это физическое ограничение делает решение более энергозатратным, чем существующая конструкция печи, и отклоняет его без дальнейшего рассмотрения.

Футеровка. Рассмотрен более жаростойкий материал (плавленый кварцит), известный специалистам рабочей группы и совместимый по способу применения с производством, — отклонён по стоимости закупки. Рассмотрен и предельный вариант — плавка в индукторе вовсе без печи и футеровки (найден референс промышленного эксперимента) — отклонён как несовместимый с ограничениями задачи; отмечены и вторичные задачи такого варианта (окисление металла, высокие потери тепла на воздухе и излучением, операционные неудобства).

Приём 2 (вынесение), применённый к футеровке отдельно, дал концепцию электропроводной футеровки, отделяющей полезное свойство (проводимость у садки) от мешающего (теплоизоляция у корпуса печи) — оценена как энергетически менее эффективная, чем существующая конструкция, и также отклонена; отмечена как работоспособная для родственных задач за пределами текущих ограничений.

Садка (принятое решение). Специалистам рабочей группы известно, что единая масса жидкого расплава воспринимает энергию индуктора значительно эффективнее раздробленной шихты. Отсюда — концепция ведения плавки со значительным остаточным расплавом в печи («болотом»), достаточным, чтобы загружаемая шихта полностью в нём тонула: не менее половины полной загрузки.

Из трёх кандидатов только изменение параметров садки прошло проверку ограничений задачи без физических противопоказаний — это и определило выбор варианта.

Часть 3. Уточнение решения приёмом 22 и физическое обоснование

Приём 22 («обратить вред в пользу») применён к перечню факторов, ранее числившихся как вредные для передачи энергии в садку: для шихты — её фракционность (снижающая восприимчивость к полю промышленной частоты 50 Гц) и сам несливаемый остаток расплава (ранее рассматривавшийся как непроизводительно занимающий объём печи).

Объединение этих двух факторов и обращение их в пользу даёт уточнённый параметр решения: увеличить несливаемый остаток металла («болото») до не менее половины загрузки, при этом дробление шихты (ранее — вредный фактор) перестаёт быть проблемой, поскольку частицы сразу оказываются в полном электромагнитном контакте со всей массой единого проводящего расплава, минуя стадию фрагментированного нагрева на воздухе.

Физическое обоснование выбора. Глубина проникновения электромагнитного поля Δ для чугуна на частоте 50 Гц составляет около 74,7 мм. Эффективность передачи энергии определяется тем, превышает ли характерный размер проводящей массы эту глубину: чем больше единая проводящая нагреваемая среда, тем эффективнее нагрев. Это может быть достигнуто двумя путями — укрупнением кусков шихты либо погружением любой фракции шихты в достаточно глубокий остаточный расплав. Первый путь отклонён по вторичным задачам, названным специалистами Производства: необходимость консолидации шихты, состоящей в основном из отходов мехобработки (стружка, высечка, обрезки), и риск повреждения футеровки подины крупными тяжёлыми кусками при загрузке. Второй путь — принятая концепция «болота» — свободен от этих вторичных задач.

Отмеченная вторичная задача принятого решения. Свободная поверхность расплава (мениск) — зона повышенного воздействия на футеровку, то есть решение способно давать менее равномерный износ футеровки по высоте, чем при иной организации процесса. Задача вынесена за рамки рассматриваемого решения как отдельная для последующей проработки.

Методическое наблюдение. Случай показывает системную, а не точечную процедуру применения приёма Матрицы: приём 35 прикладывается последовательно к каждому из физических компонентов ТС (индуктор, футеровка, садка), и решение принимается по итогам проверки всех трёх кандидатов на соответствие ограничениям задачи и физическим законам (данные по электропроводности жидкой меди, глубина проникновения поля), а не по первой подходящей идее. Финальная доводка решения приёмом 22 объединяет два разных фактора, ранее рассматривавшихся как отдельные вредности одного и того же ресурса (шихты), в одно управляющее воздействие — рост «болота» одновременно устраняет обе проблемы.