TRIZ 理論在提高板式異形坯結(jié)晶器本體冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定性中的應(yīng)用

周 永 王碩煜 鄭志成 吳昊川 胡少華

（安徽馬鋼表面技術(shù)股份有限公司，安徽 馬鞍山243000）

TRIZ，即“發(fā)明問題解決理論”，也被稱為“萃智”或“萃思”。TRIZ 是由前蘇聯(lián)發(fā)明家、教育家G.S.Altshuller 和他的研究團(tuán)隊(duì)，通過分析大量專利和創(chuàng)新案例總結(jié)出來的[1]。TRIZ 理論揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，通過分析解決系統(tǒng)中存在的矛盾，獲得最終理想解[2-3]。

馬鋼集團(tuán)致力于學(xué)習(xí)應(yīng)用及推廣TRIZ 已有近九年歷史，在實(shí)際中也解決了很多工程難題。本文闡述了利用TRIZ 理論解決馬鋼現(xiàn)有板式異形坯結(jié)晶器銅板在使用過程中偶有發(fā)生燒傷、燒損問題的過程和最佳方案的實(shí)施過程。

1 背景

結(jié)晶器是承接從中間罐注入的鋼水并使之按規(guī)定斷面形狀凝固成堅(jiān)固坯殼的連續(xù)鑄鋼設(shè)備。它是連鑄機(jī)最關(guān)鍵的部件，其結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和性能參數(shù)對(duì)鑄坯質(zhì)量和鑄機(jī)生產(chǎn)能力起著決定性作用。為了保證連鑄坯的正常結(jié)晶，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)壁的冷卻效果就有很高的要求。

結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)中所使用的冷卻水為軟水，不會(huì)因?yàn)槠洵h(huán)境存在高溫而導(dǎo)致冷卻水結(jié)垢，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)堵塞的情況出現(xiàn)，對(duì)結(jié)晶器銅板的冷卻效果理論上應(yīng)該是穩(wěn)定的。但是在實(shí)際使用過程中，偶爾還會(huì)發(fā)生結(jié)晶器銅板過熱損傷，導(dǎo)致產(chǎn)線非正常停產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致連鑄坯結(jié)晶燒傷甚至漏鋼的問題。對(duì)生產(chǎn)安全和生產(chǎn)成本造成了很大的壓力。這一問題困擾馬鋼異形坯生產(chǎn)線多年，一直未找到理想的解決方案。

2 基于TRIZ 理論問題分析及方案生成

2.1 功能分析與裁剪

通過系統(tǒng)功能分析和組件分析確定系統(tǒng)的構(gòu)成及其功能，并應(yīng)用TRIZ 輔助軟件Pro-I Desktop v5 建立系統(tǒng)功能模型如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)功能分析

結(jié)晶器本體冷卻系統(tǒng)由水箱、銅板及其水箱和銅板內(nèi)部形成的進(jìn)水管路、進(jìn)水槽、冷卻水通道、出水槽、出水管路構(gòu)成。在系統(tǒng)功能分析的基礎(chǔ)上，通過對(duì)系統(tǒng)各組件進(jìn)行理想度計(jì)算和診斷分析得出推薦的系統(tǒng)裁剪方案1：裁剪掉進(jìn)、出水槽。在系統(tǒng)功能分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行流功能分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)控制不足，得出方案2：在進(jìn)、出水槽內(nèi)增加壓力監(jiān)測(cè)裝置。

2.2 因果分析

利用Pro-I Desktop v5 對(duì)初始問題“冷卻水流量不可控”進(jìn)行因果分析，分析結(jié)果如圖2 所示。

由因果分析可知造成冷卻水流量不可控的關(guān)鍵原因是冷卻水通道因雜質(zhì)堵塞，而冷卻水道中的雜質(zhì)主要由冷卻水進(jìn)水管路、進(jìn)水槽和水箱與銅板結(jié)合面銹蝕脫落形成。根據(jù)系統(tǒng)因果分析得出方案3：在進(jìn)水管路之后的位置增加冷卻水雜質(zhì)過濾系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)因果分析圖

2.3 矛盾分析

2.3.1 技術(shù)矛盾

從系統(tǒng)因果分析可以看出，水箱系統(tǒng)腐蝕生銹脫落是造成冷卻水道堵塞的主要原因，所以從更改進(jìn)水管路材質(zhì)為切入點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)矛盾解決問題。得到初步改進(jìn)方案：將進(jìn)水管路即水箱整體改為不銹鋼制作，優(yōu)點(diǎn)：不銹鋼耐腐蝕，使用過程中不產(chǎn)生氧化物雜質(zhì)，缺點(diǎn)：水箱強(qiáng)度降低，不能滿足使用要求。

利用矛盾原理確定系統(tǒng)需改善的參數(shù)是物體產(chǎn)生的有害因素，惡化的參數(shù)是系統(tǒng)的強(qiáng)度，查找矛盾矩陣，得到推薦的創(chuàng)新原理為No.15、No.35、No.22、No.2。運(yùn)用創(chuàng)新原理，得到方案4：運(yùn)用2 號(hào)原理“抽取原理”，將進(jìn)水管路從水箱中抽取出來，形成獨(dú)立系統(tǒng)，避免因管路材質(zhì)更改而影響水箱的整體強(qiáng)度。

2.3.2 物理矛盾

在上述技術(shù)矛盾中存在物理矛盾：既要材料強(qiáng)度低，耐腐蝕，因?yàn)榭梢员苊猱a(chǎn)生雜質(zhì)，又要材質(zhì)強(qiáng)度高，不耐腐蝕，因?yàn)榭梢詫?duì)銅板提供足夠的支撐強(qiáng)度。分析上述物理矛盾，得到系統(tǒng)的理想狀態(tài)，即在有水流通的地方能耐腐蝕，但不能降低整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。查找分離原理和發(fā)明原理得到方案5：應(yīng)用空間分離原理中的1 號(hào)原理“分割原理”和7 號(hào)原理“嵌套原理”，把水箱分割成通水部分和支撐部分兩個(gè)獨(dú)立的部分，用不銹鋼制作通水部分，合金鋼制作支撐部分，再將通水部分嵌入支撐部分，組合形成新的水箱。

2.4 物場(chǎng)分析

針對(duì)進(jìn)水管路中產(chǎn)生雜質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)，造成系統(tǒng)堵塞問題，應(yīng)用“標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)”中的S1.2.2，引入系統(tǒng)中現(xiàn)有物質(zhì)的變異物，來消除進(jìn)水管路和冷卻水間的有害作用，建立物場(chǎng)模型如圖3（a）所示。得到方案6：使用不銹鋼材料制作進(jìn)水管路，消除冷卻水對(duì)進(jìn)水管路的腐蝕，使其在使用過程中不產(chǎn)生雜質(zhì)。

針對(duì)水箱與銅板結(jié)合面因腐蝕而產(chǎn)生脫落，進(jìn)入系統(tǒng)造成堵塞問題，應(yīng)用“標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)”中的S1.2.1，在水箱與銅板結(jié)合面之間引入外部現(xiàn)有的物質(zhì)，以避免水箱與銅板結(jié)合面之間的直接接觸來消除他么之間的有害作用，建立物場(chǎng)模型如圖3（b）所示。得到方案7：在結(jié)晶器水箱與結(jié)晶器銅板連接面增加耐腐蝕層，防止水箱在使用過程中產(chǎn)生腐蝕。

2.5 方案評(píng)價(jià)

根據(jù)TRIZ 理論，結(jié)合企業(yè)實(shí)際的創(chuàng)新能力水平，提出以下4 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：提升生產(chǎn)效率、降低單位成本、實(shí)施時(shí)間、實(shí)施成本。對(duì)每一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)定一個(gè)參數(shù)權(quán)重，建立評(píng)價(jià)模型[4]。

圖3 物場(chǎng)模型

將上述7 種方案對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)模型參數(shù)數(shù)值輸入Pro-I Desktop v5 評(píng)價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，獲得7 種設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)結(jié)果。從方案評(píng)價(jià)結(jié)果可以得出優(yōu)選方案：方案5、6、7、4。根據(jù)上述分析，將這四個(gè)方案進(jìn)行組合得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案：將原水箱上形成進(jìn)水管路、進(jìn)水槽的部分從水箱上進(jìn)行分割，變成相互連接的兩個(gè)部分，使用不銹鋼材料制作冷卻水管路和水槽部分，使用合金結(jié)構(gòu)鋼制作支撐框架部分，并在水箱與結(jié)晶器銅板接觸面增加耐腐蝕涂層。

3 結(jié)論

本文以TRIZ 理論為基礎(chǔ)，通過應(yīng)用TRIZ 方法和工具對(duì)結(jié)晶器本體冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析，針對(duì)現(xiàn)有結(jié)晶器冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定性存在的問題，提出了7 種創(chuàng)新方案，并利用TRIZ 輔助軟件Pro-I Desktop v5 對(duì)7 種方案進(jìn)行了評(píng)價(jià)，根據(jù)方案評(píng)價(jià)結(jié)果確定了一種最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

綜上所述，基于TRIZ 理論的結(jié)晶器本體冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是可行的，將TRIZ 理論應(yīng)用到板式異形坯結(jié)晶器本體冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可消除因冷卻水道銹蝕原因堵塞結(jié)晶器銅板細(xì)小水孔導(dǎo)致的銅板燒毀現(xiàn)象，提高了板式異形坯結(jié)晶器本體冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定性。