КейсыСегодня кейсов в Базе - 66

Условие задачи:

 

На металлургических заводах жидкую сталь разливают в металлические формы - изложницы. В дальнейшем полученный слиток превращают в изделие, прокатывая его на прокатных станах.

При разливке струя расплавленной стали, падая из отверстия ковша с большой высоты, вызывает размывание дна изложницы и приваривание к нему слитка. В результате изложница выходит из строя, а слиток бракуется.

Для защиты дна изложницы от такого разрушения используются металлические прокладки. Прокладки не всегда хорошо свариваются со слитком, в результате чего при последующей прокатке в слитке образуется брак; более того, в некоторых случаях прокладки отрываются, создавая аварийную ситуацию на прокатных станах. Как быть?

(Задача предложена С.К.Голиковым)

triz_case_stal

 

Решение:

 

1. Состав системы:

изложница (стакан), струя жидкого горячего металла, ковш, тепловая энергия, накопленная в металле, кинетическая энергия падающей с достаточно большой высоты струи металла.

2. Конечная цель, с которой ставится задача:

- предотвратить разрушение изложницы и приваривание к ее дну слитка. Уже на этом этапе понятно, что эти два вредных явления (нежелательные эффекты НЭ) тесно взаимосвязаны, что позволяет говорить об одном НЭ.

3. В какой постановке решаем задачу?

- Исходя из приведенного условия, есть соблазн решать задачу о хорошем приваривании к слитку защитной прокладки. Целесообразно, однако, поступить по-иному: решать самую первоначальную задачу, как бы «очистив» систему от введенных защитных элементов. Это позволит поискать иные, возможно, более перспективные решения проблемы, мимо которых прошли специалисты, ранее занимавшиеся ею. Задачу же о хорошем приваривании защитной прокладки к слитку можно рассмотреть на последующем этапе.

4. Идеальный конечный результат (ИКР):

- система сама устраняет указанный выше нежелательный эффект.

- перечисленные выше составные элементы системы сами предотвращают НЭ.

5. В чём состоит помеха? В чём заключается существо конфликта? Что мешает достижению ИКР?

- Конфликт вытекает из текста условия - это размывание дна изложницы струей горячего металла. Пока не видно средств для предотвращения этого явления.

6. В чем состоит конкретная научно- или технически обоснованная причина помехи? («почему мешает»)?

- Физическая суть явления заключается в том, что струя прогревает верхний слой металла дна изложницы, который размягчается и теряет прочность под воздействием силы, возникающей при ударе струи в место ее падения.

7. При каких условиях помеха исчезнет?

Разрушения поверхности дна изложницы, а это и есть зона конфликта, и приварки слитка можно избежать,

 

- если дно изложницы будет изготовлено из термически более стойкого материала;

- если струя металла будет падать с меньшей высоты;

- если струя металла будет иметь температуру ниже данной;

- если чем-то защитить дно изложницы от непосредственного воздействия струи;

- если струя металла будет воздействовать на дно изложницы не локально, а распределяться на большую поверхность; это позволит как уменьшить нагрев дна изложницы, так и, возможно, уменьшить ударное воздействие падающей массы металла на эту поверхность.

 

Итак, сформулировано пять возможных направлений решения задачи, каждое из которых ведёт к исчезновению помехи.

Их критическое рассмотрение позволяет сделать вывод, что первые три малоперспективны, поскольку связаны с серьезными изменениями технологического процесса, используемого оборудования. Примерно то же самое можно сказать и о четвёртом направлении: как следует из условия задачи, оно уже анализировалось специалистами, которые и предложили применять для защиты дна изложницы защитные прокладки. Данное предложение имеет существенные недостатки, но это всё же – решение, и поэтому мы его тоже рассмотрим, но сделаем это позднее, после завершения общего анализа.

Таким образом, сейчас мы сосредоточим свои усилия на работе в последнем, пятом, направлении: попытаемся изменить характер воздействия струи горячего металла на поверхность дна изложницы.

В соответствии с рекомендациями к этому пункту алгоритма рассмотрим возможность применения аналогий.

Возможна такая аналогия: допустим, в Вашем домашнем кране есть только горячая вода (испортился смеситель, отключили холодную воду), а надо непременно помыть руки. Если вода горячая, но не кипяток, то можно рискнуть, но совершенно очевидно, что это нужно делать быстро, с тем, чтобы избежать локального нагрева кожи рук. (Можно применить и личностную аналогию, представить себя дном изложницы, на которую льется струя горячей воды: хочется побыстрее выскочить из-под падающей струи).

У нас же иная ситуация, надо заставить двигаться не дно изложницы (что сложно), а саму струю, то есть нужно создать условия для управления движением струи, чего до сих пор не было. Это принципиально осуществимо либо с помощью внешних устройств, создающих пульсирующее давление (например, потока горячего воздуха, направляемого на поверхность струи), либо с помощью ковша, который входит в перечень элементов системы. Ковш является ближним ресурсом, возможность использования именно этого ресурса и следует рассмотреть в первую очередь.

Но предположим, что конкретного решения пока найти не удалось. Продолжим движение по шагам алгоритма.

8. Проверка приемлемости формулировок выполненных шагов алгоритма

Анализ позволяет сформулировать новую конечную цель: управление поведением струи металла. Похоже, однако, что это ничего нового пока не дает. Поэтому будем считать, что проверка формулировок шагов алгоритма ПА дала удовлетворительный результат.

9. Рассмотрим перечень источников энергии

- Для управления струей нужна энергия. (Оказалось, что, по сути, мы все-таки используем новую формулировку конечного результата). Отсутствие энергии является помехой осуществления ИКР. Перечень возможных источников энергии предлагает рассмотреть энергию, которая имеется в самой системе. В нашем случае, это тепловая и кинетическая энергия струи. Не совсем ясно, как использовать тепловую энергию, а вот кинетическую использовать, по-видимому, можно. Для этого на пути струи надо установить препятствие, которое заставит струю дробиться и «распыляться» на большую площадь, что и являлось бы решением задачи. Однако, необходимо, чтобы такое

препятствие было бы из такого материала и такой формы, чтобы не вносить новых неприятностей в процесс отливки.

10. Используем группу простых приемов

- Если принять за помеху недопустимое увеличение веса объекта, имея в виду массу падающей струи металла, то можно придти к идее, подсказываемой приемом «сделать движущиеся части неподвижными и, наоборот, неподвижные части сделать движущимися». В применении к нашему случаю этот приём можно интерпретировать следующим образом: сделать струю металла перемещающейся в поперечном ее движению направлении. Данная идея уже возникала ранее.

Движение по алгоритму ПА (предварительного анализа) закончено, однако продолжим поиск решений задачи по алгоритму УА (углубленного анализа).

1. Вновь рассмотрим условия задачи и отнесем ее к одному из предложенных в алгоритме классов, а именно к задачам на устранения вредного или усиления полезного взаимодействия.

2. Вепольная модель (http://www.trizland.ru/trizba.php?id=111) сводится к вредному взаимодействию между веществом В1 - дно изложницы и веществом В2 - струей металла. Поле взаимодействие П - совмещенное тепловое и механическое поля.

3. Перейдем к пункту 5.

5.1. Стандарты подкласса 1.2. настойчиво предлагают введение вещества В3, предотвращающего или оттягивающего на себя вредное взаимодействие. Тем самым мы вновь приходим к идее использования защитной прокладки, укладываемой на дно изложницы.

5.2. Проанализируем далее, какие свойства системы или её элементов, рассмотренных на шаге 1 ПА, являются источником конфликта. Это прежде всего:

- давление, вызываемое струей металла на ослабленную нагревом поверхность дна изложницы;

- ограниченность размеров площади контакта металла струи и дна изложницы, что и создает недопустимый уровень нагрева дна изложницы и давления на нее.

Таким образом, нежелательное свойство взаимодействия объектов можно свести к недопустимым размерам контакта струи и дна изложницы.

5.3. Перейдем к рассмотрению рекомендаций таблицы часто используемых приемов.

Что нужно изменить? Примем за изменяемый параметр площадь неподвижного объекта. Таблица в этом случае рекомендует приемы:

- 18 - использование механических колебаний;

- 2 - вынесение;

- 35 - изменение физико-химических параметров объекта (например, агрегатного состояния, степени гибкости, температуры);

- 10 - предварительное действие;

- 16 - частичное или избыточное действие;

- 30 - использование оболочек и тонких пленок;

- 40 - применение композиционных материалов.

Кроме того, целесообразно проанализировать и содержание строки «Вредные факторы, генерируемые самим объектом». Оказывается, что и в этом случае таблица рекомендует приемы 18, 35, 2, а также приёмы 1 (дробление) и 39 (использование инертной среды).

Как видим, и в том и в другом случае на первый план выступают приемы 18, 35, 2.

Рассмотрим последовательно эти рекомендации.

Прием 18. Совершенно очевидно, что колебательное движение для площадки контакта струи с дном изложницы может устранить нежелательное явление. Это совпадает с идеей, полученной на шаге 10 алгоритма ПА. Какие элементы системы можно подвергнуть колебательному движению? Во-первых, изложницу (хотя это связано с перемещением большой массы), и, во-вторых, саму струю (что значительно проще). Источником колебательного движения струи может стать ковш, из которого

течёт металл: придать колебательное движение самому ковшу технически не слишком сложно.

Прием 2. Принцип «вынесения» рекомендует отделить от объекта мешающую часть (мешающее свойство) или выделить единственно нужную часть (нужное свойство). Мешающей частью является слой дна изложницы, который подвергается размыванию. В соответствии с приемом 2 можно попытаться отделить этот мешающий слой. Здесь в очередной раз возникает идея защитной прокладки, воспринимающей на себя вредное воздействие струи и подвергающейся при этом прогреву, размягчению и привариванию к образующемуся слитку. Полученное решение соответствует стандарту 1.2.2.

Прием 35. Одна из рекомендаций приема заключается в изменении агрегатного состояния объекта. Можно ли дно изложницы хотя бы частично сделать жидким, и тем защитить его от локального нагрева и разрушения? Если сочетать такую идею с идеей защитной прокладки, то возникает новая мысль: сделать прокладку жидкой. Осуществить это можно предварительным частичным заполнением изложницы жидким металлом. Если теперь дать этому слою металла немного остыть и кристаллизоваться, то образуется защитный слой необходимой прочности и хорошей свариваемости. Необходимые параметры по температуре и толщине слоя можно подобрать опытным путем.

Остановимся в анализе на этом месте и подведем итог. Он заключается в том, что рассмотрение задачи в некоторой исходной постановке по алгоритмам ПА и УА приводит к двум принципиально разным решениям:

) управлять площадью пятна контакта струи и изложницы, и

а

б) применить защитную прокладку в виде слоя самой же стали.

Контрольные решения:

1. Предложено придать разливочному ковшу дополнительные колебания путем использования конструкции ковша со смещенным относительно оси его цапф разливочным отверстием.

2. Предложен способ получения слитков при разливке стали сверху, включающий заливку стали в изложницу до 1/10 . 1/5 ее высоты полой конусообразной струей, создаваемой путем дросселирования расплава в шиберном затворе. (Здесь сохранена специфическая техническая лексика заявки на изобретение автора данной задачи).

Примечание: как видим, найдено еще одно решение задачи по управлению струей металла. Оно получено в процессе разбора этой задачи самим автором задачи при рассмотрении приема 1 (дробление). И хотя получение конусообразной струи не вполне можно считать буквальным ее дроблением, тем не менее сработал эвристический эффект данного приема.

3. Способ разливки стали, включающий заливку в изложницу первой партии жидкого металла, ее кристаллизацию и последующее заполнение жидким металлом всего объема изложницы, отличающийся тем, что первую порцию заливают жидким расплавом остатка от предыдущей плавки на высоту 0,005 . 0, 015 высоты изложницы. (а.с. СССР N 1507518).

Вернемся теперь к решению задачи о плохой свариваемости защитной металлической прокладки. Практически в этом случае нет особой необходимости формулировать шаги ПА, так как формулировка этой задачи близка той, которая прозвучала в исходной постановке. Новое задание можно сформулировать как задачу на устранение вредного или усиления полезного действия, так и как задачу на совершенствование существующей системы.

Уточним суть конфликта.

Рассматриваемая ситуация противоположна той, которая имела место в предыдущей задаче: сваривание хорошо происходит в локальной зоне контакта струи с прокладкой, но плохо - по остальной поверхности, что и приводит, в итоге, к аварийной ситуации при

прокате слитка (прокладка отрывается от последнего). Это означает, что формулировка вредных свойств близка той, которая звучала в первой части решения:

- недостаточная площадь надежного контакта и

- возникновение вредных факторов, генерируемых самим объектом.

В силу этого и набор рекомендуемых приемов будет тем же. Перечислим дополнительные приемы, не рассмотренные ранее:

- № 1 - дробление и

- № 40 - применение композиционных материалов.

Совместное применение этих приемов привело автора задачи к идее двух следующих решений:

Контрольные решения 2:

4. Способ разливки стали в изложницы, включающий размещение на дне изложницы металлического кускового материала в виде конуса, отличающийся тем, что в качестве кускового материала используются железнорудные окатыши (а.с. СССР № 17244420).

Это решение интересно тем, что сочетает в себе оба подхода: защитный слой и управление струей металла.

5. Устройство для разливки стали сверху, содержащее изложницу, на поверхности которой размещен кусковой металлический материал в виде конуса, отличающийся тем, что на дно изложницы установлена вставка образованная металлической полосой, упирающейся углами в стенки изложницы и состоящей из нескольких ячеек, а кусковой материал размещен в центральной ячейке (а.с. СССР № 1803254).

Если рассмотреть задачу как совершенствование существующей системы, то можно воспользоваться рекомендацией стандарта 2.2.2. о дроблении одного из взаимодействующих веществ, что совпадает с рекомендациями приема 1.

Анализ полученных решений

Анализ, выполненный задачедателем, показал, что применение решения 3 невозможно, если одна и та же изложница используется для заполнения разными сортами расплавленной стали. То же относится и к применению металлических прокладок (как сплошных, так и из кускового металла). Для реализации решения 5 необходимо изготовление вставок, что усложняет процесс. Наиболее эффективными можно считать решения 1 и 2, обеспечивающие управление струей металла. Они же оказываются ближе всего к формулировкам ИКР (см. шаг 4 алгоритма ПА) «система сама обеспечивает...». Решение обеспечивается за счет ресурсов самой системы. Действительно, в системе есть хорошо управляемые элементы (шиберный затвор выпускного отверстия и тросы, на которых подвешен ковш). Тем не менее, как видим, для технической реализации всех решений требуются отдельные изменения в частях исходной системы.

* * *

При разборе решения использовался «Алгоритм предварительного анализа».

Разбор цитируется по пособию: Гасанов А.И., Кокин С. М. Учебно-методическое издание к курсу «Методы поиска решений творческих инженерных задач» (Часть III), М. 1999 г.

Для кого:  Инженер

Тип решаемой задачи:  Физика,Техника

Добавить в блокнотБлижайшие мероприятия
(Голосов: 0, Рейтинг: 0)



Добавить комментарий:

Комментарии:

    Для кого:  Инженер

    Тип решаемой задачи:  Физика,Техника

    Добавить в блокнотБлижайшие мероприятия
    (Голосов: 0, Рейтинг: 0)



    Добавить комментарий:

    Комментарии: