TRIZ理論在改善引流砂對(duì)鋼液危害中的應(yīng)用

曹 磊 石永亮 馬保振 黃偉青 韓立浩

河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系 河北石家莊 050091

鋼包內(nèi)傳統(tǒng)的高熔點(diǎn)氧化物固體引流砂含有Cr2O3、SiO2、Fe2O3、Al2O3等成分，一旦進(jìn)入中間包，便會(huì)增加鋼液中夾雜物的含量，最終影響產(chǎn)品的質(zhì)量［1－7］。

為了減少常規(guī)引流方法對(duì)鋼液的污染，有些鋼鐵企業(yè)采取如下措施：大包滑板打開，引流砂下落，人工用接砂盤在長(zhǎng)水口下部接住引流砂；當(dāng)鋼液流入長(zhǎng)水口后，移開接砂盤。但這種方式需要人工判斷引流砂何時(shí)接完，鋼液是否流入長(zhǎng)水口，判斷難度大，控制難度也大。本工作中將采用TRIZ理論對(duì)連鑄引流方法設(shè)計(jì)進(jìn)行討論，以期獲得更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

1 TRIZ理論

TRIZ理論［8］認(rèn)為產(chǎn)品創(chuàng)新的核心是解決設(shè)計(jì)中的沖突或矛盾，從而提出39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)。在問(wèn)題解決過(guò)程中，利用該設(shè)計(jì)方法把實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的沖突或矛盾轉(zhuǎn)化為TRIZ理論中的通用化參數(shù)。同時(shí)利用TRIZ理論中的矛盾沖突矩陣表得出對(duì)應(yīng)的發(fā)明解決原理，結(jié)合實(shí)際問(wèn)題，選擇符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)明原理，得出最佳產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。其解決問(wèn)題的一般流程［9－11］為具體問(wèn)題、TRIZ問(wèn)題、TRIZ的理論與工具、TRIZ的通用解和具體問(wèn)題的解。

2 發(fā)明問(wèn)題初始形勢(shì)分析和系統(tǒng)分析

2．1 發(fā)明問(wèn)題初始形勢(shì)分析

本問(wèn)題所處的技術(shù)系統(tǒng)是連鑄鋼包開澆過(guò)程中的引流系統(tǒng)，該技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼水的引流，確保鋼包內(nèi)鋼水可以順利流入中間包。

現(xiàn)有連鑄鋼包開澆過(guò)程中的鋼水引流系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題是：引流砂從鋼包內(nèi)經(jīng)過(guò)鋼包下水口與連鑄長(zhǎng)水口后進(jìn)入中間包內(nèi)接觸鋼液，對(duì)鋼水造成污染。污染源包括引流砂中的FeO和其他氧化物。

2．2 系統(tǒng)分析

（1）功能分析。建立已有系統(tǒng)的功能模型（見圖1）。

圖1 功能模型示意圖

（2）因果分析。應(yīng)用因果鏈分析法確定產(chǎn)生問(wèn)題的關(guān)鍵原因，如圖2所示。

圖2 因果鏈分析圖

（3）沖突區(qū)域確定。根據(jù)所建立的功能模型及因果鏈分析法分析，本工作中擬聚焦引流砂對(duì)鋼液的污染這一關(guān)鍵問(wèn)題，并采用物理沖突、物質(zhì)－場(chǎng)模型和76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解以及裁剪等TRIZ工具進(jìn)行分析求解。

3 利用TRIZ工具求解

3．1 物質(zhì)－場(chǎng)模型求解

建立問(wèn)題的物質(zhì)－場(chǎng)模型如圖3所示。根據(jù)所建問(wèn)題的物質(zhì)－場(chǎng)模型，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決流程，得到標(biāo)準(zhǔn)解為No．1．2．2、No．1．2．4。

圖3 物質(zhì)－場(chǎng)模型

No．1．2．2標(biāo)準(zhǔn)解為：系統(tǒng)中同時(shí)存在有用作用（引流砂具有引流鋼液作用）和有害作用（引流砂污染鋼液），通過(guò)改變S2來(lái)消除有害作用。依據(jù)No．1．2．2標(biāo)準(zhǔn)解得到問(wèn)題的解如下。

方案1：使用低熔點(diǎn)、高密度液體金屬引流劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氧化物引流劑。鋼包水口內(nèi)的溫度一般約為900℃?？梢詫ふ胰埸c(diǎn)低于900℃且密度大于鋼液密度的金屬及其合金為引流劑，比如鉛鉍合金、鉛銻合金等。由于引流劑的熔點(diǎn)低于其存在的環(huán)境溫度900℃，會(huì)以液體金屬的狀態(tài)存在，同時(shí)由于其密度高于鋼液密度，會(huì)沉積在鋼液下部的鋼包水口內(nèi)。當(dāng)需要開澆時(shí)，打開滑板，液體金屬引流劑通過(guò)鋼包下水口和長(zhǎng)水口進(jìn)入中間包。雖然液體引流砂進(jìn)入了鋼液，但是由于其量較少（含量低于0．05%（w）），進(jìn)入鋼液后可以作為鋼液中的殘余元素存在，不會(huì)對(duì)鋼液造成影響，也不會(huì)對(duì)生產(chǎn)的鋼種性能產(chǎn)生影響。

改進(jìn)后的物質(zhì)－場(chǎng)模型如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后物質(zhì)－場(chǎng)模型

No．1．2．4標(biāo)準(zhǔn)解為：系統(tǒng)中同時(shí)存在有用和有害作用，用場(chǎng)F2來(lái)抵消有害作用。依據(jù)No．1．2．4標(biāo)準(zhǔn)解得到問(wèn)題的解如下。

方案2：增加引流砂抽吸裝置，將未進(jìn)入鋼液的引流砂抽離系統(tǒng)。改進(jìn)后的物質(zhì)－場(chǎng)模型如圖5所示。

圖5 增加引流砂抽吸裝置后的物質(zhì)－場(chǎng)模型

3．2 物理沖突求解

沖突描述：連鑄鋼包開澆時(shí)，既需要引流砂來(lái)引流，又不需要引流砂以避免鋼液的污染，存在物理沖突。

當(dāng)引流砂在鋼包水口內(nèi)時(shí)，可以起到有用的作用，避免鋼液在水口內(nèi)凝固導(dǎo)致鋼液無(wú)法引流；而當(dāng)引流砂進(jìn)入中間包后，對(duì)鋼液會(huì)產(chǎn)生有害作用，污染鋼液。由于引流砂在不同的“空間”上具有不同的特性，因此該沖突可以從“空間”上進(jìn)行分離。

查找與該分離原理對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理有No．1、

No．2、No．3、No．4、No．7、No．13、No．17、No．24、No．26、No．30。對(duì)發(fā)明原理進(jìn)行分析研究，認(rèn)為No．1、No．2、No．3對(duì)于解決問(wèn)題具有重要的啟發(fā)意義。依據(jù)No．1分割、No．2抽取、No．3局部質(zhì)量發(fā)明原理，得到解如下。

方案3：根據(jù)發(fā)明原理No．1分割原理設(shè)想，將長(zhǎng)水口設(shè)計(jì)成可組合的（易于拆卸和組裝）。結(jié)合發(fā)明原理No．3局部質(zhì)量原理使物體的不同部分實(shí)現(xiàn)不同的功能，將長(zhǎng)水口出口設(shè)計(jì)成組合式，底部用于截流引流砂，側(cè)壁用于鋼液通過(guò)。借鑒發(fā)明原理No．2抽取原理，將“負(fù)面”部分（污染鋼液的引流砂）抽取出來(lái)，進(jìn)入長(zhǎng)水口底端存留。具體設(shè)計(jì)示意圖見圖6。

圖6 方案3示意圖

3．3 裁剪工具求解

針對(duì)功能模型中引流砂對(duì)鋼液污染的有害作用，應(yīng)用第2條裁剪規(guī)則將功能載體實(shí)現(xiàn)的功能由功能對(duì)象自己來(lái)實(shí)現(xiàn)。即：將引流砂裁剪掉，引流砂在系統(tǒng)中引流的功能作用由鋼液本身來(lái)完成。將引流砂裁剪后，產(chǎn)生了新的問(wèn)題：鋼包上水口內(nèi)鋼液容易凝固，導(dǎo)致鋼液無(wú)法自動(dòng)引流。

功能分析：對(duì)裁剪后功能模型進(jìn)行功能分析，示意圖如圖7所示。

圖7 裁剪后功能模型示意圖

因果分析：應(yīng)用基于5WHY的魚骨圖分析法確定產(chǎn)生問(wèn)題的關(guān)鍵原因，如圖8所示，分析確定產(chǎn)生問(wèn)題的關(guān)鍵原因是滑板厚度薄。

圖8 應(yīng)用基于5WHY的魚骨圖

沖突區(qū)域確定：?jiǎn)栴}關(guān)鍵點(diǎn)是滑板厚度。

以“滑板厚度”為關(guān)鍵點(diǎn)解決問(wèn)題進(jìn)行求解，采用TRIZ工具是技術(shù)沖突解，具體求解決過(guò)程如下：

①?zèng)_突描述：增加滑板的厚度或者采用多層滑板減少了滑板的導(dǎo)熱，但增加了滑板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。②轉(zhuǎn)換成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突。改善的參數(shù)：No．22能量損失；惡化的參數(shù)：No．13結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。③查找沖突矩陣，得到發(fā)明原理為No．14、No．2、No．39、No．6。

依據(jù)No．39發(fā)明原理第1條用惰性氣體代替通常環(huán)境，得到方案4：將滑板內(nèi)部做成中空，增加滑板的隔熱效果，示意圖如圖9所示。依據(jù)No．39發(fā)明原理第2條：在真空中完成。由此可以得到方案5：將滑板內(nèi)部做成真空，增加滑板的隔熱效果，示意圖如圖10所示。

圖9 方案4示意圖

圖10 方案5示意圖

4 全部技術(shù)方案及評(píng)價(jià)

全部技術(shù)方案及評(píng)價(jià)見表1。根據(jù)上述得到的5個(gè)方案，經(jīng)過(guò)綜合評(píng)價(jià)，確定最優(yōu)解為：創(chuàng)新方案1：將方案1、4、5組合，即利用低熔點(diǎn)高密度液體金屬引流砂代替?zhèn)鹘y(tǒng)固體引流砂，同時(shí)將鋼包滑板做成中空或真空形式，增加鋼包上水口內(nèi)液體金屬引流砂的保溫效果，避免凝固，確保良好的引流效果，如圖11所示；方案3：將長(zhǎng)水口出口設(shè)計(jì)成組合式，底部用于截流引流砂，側(cè)壁用于鋼液通過(guò)，將“負(fù)面”部分（污染鋼液的引流砂）抽取出來(lái)，進(jìn)入長(zhǎng)水口底端存留，如圖6所示。方案3可以在引流砂完成其有用功能后，實(shí)現(xiàn)與鋼液的有效分離，避免污染鋼液。

圖11 創(chuàng)新方案1示意圖

表1 全部技術(shù)方案及評(píng)價(jià)

5 結(jié)語(yǔ)

以TRIZ理論為基礎(chǔ)，對(duì)連鑄鋼包澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，通過(guò)功能分析、因果鏈分析法確定引流砂即有引流作用又污染鋼液這一關(guān)鍵沖突，并充分應(yīng)用了物質(zhì)－場(chǎng)模型、物理沖突及裁剪等TRIZ工具對(duì)連鑄澆注工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，產(chǎn)生了5種解決方案，經(jīng)過(guò)對(duì)方案的綜合評(píng)價(jià)，確定了2個(gè)方案。創(chuàng)新方案1將原方案1、4、5組合，即利用低熔點(diǎn)高密度液體金屬引流砂代替?zhèn)鹘y(tǒng)固體引流砂，同時(shí)將鋼包滑板做成中空或真空形式，增加鋼包上水口內(nèi)液體金屬引流砂的保溫效果，避免凝固，確保良好的引流效果；方案3將長(zhǎng)水口出口設(shè)計(jì)成組合式，底部用于截流引流砂，側(cè)壁用于鋼液通過(guò)，將“負(fù)面”部分（污染鋼液的引流砂）抽取出來(lái)，進(jìn)入長(zhǎng)水口底端存留。此方案可以在引流砂完成其有用功能后，實(shí)現(xiàn)與鋼液的有效分離，避免污染鋼液。