TRIZ理論在提高轉(zhuǎn)爐出鋼口壽命解決方案中的應(yīng)用

曹海蓮 嚴(yán)軍

（青海大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，青海 西寧810016）

TRIZ理論在提高轉(zhuǎn)爐出鋼口壽命解決方案中的應(yīng)用

曹海蓮 嚴(yán)軍

（青海大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，青海 西寧810016）

轉(zhuǎn)爐出鋼口的壽命對(duì)鋼水質(zhì)量及生產(chǎn)穩(wěn)定性有重要影響，通過運(yùn)用TRIZ理論對(duì)如何提高轉(zhuǎn)爐出鋼口壽命進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)例詳細(xì)論述了TRIZ解決問題的基本步驟，并學(xué)會(huì)如何在實(shí)際工程問題中應(yīng)用問題分析工具和問題求解工具。

TRIZ；出鋼口；壽命；矛盾矩陣；創(chuàng)新原理

1 引言

轉(zhuǎn)爐出鋼口是鋼水由轉(zhuǎn)爐進(jìn)入鋼包的唯一通道。出鋼時(shí)，由于頻繁承受高溫鋼水、高氧化性爐渣的摩擦沖刷和氧化侵蝕，加之急冷急熱的作用，導(dǎo)致出鋼口壽命很低，需要不斷地修補(bǔ)和更換。轉(zhuǎn)爐出鋼口使用次數(shù)是轉(zhuǎn)爐煉鋼重要的技術(shù)指標(biāo)之一，它不僅會(huì)影響生產(chǎn)周期，而且影響到鋼水質(zhì)量及生產(chǎn)穩(wěn)定性[1]。

轉(zhuǎn)爐常用擋渣法出鋼，其中擋渣效果比較好的是擋渣塞法[2]。擋渣器設(shè)計(jì)為陀螺形裝置，陀螺形部分懸浮于鋼水與渣液界面上，當(dāng)鋼水流盡時(shí)，陀螺形部分適時(shí)堵住出鋼口，從而防止渣液流入鋼包。當(dāng)出鋼口使用到一定爐次后侵蝕嚴(yán)重，擋渣器無法完成擋渣功能，出現(xiàn)下渣，同時(shí)造成合金收得率低、耐火材料消耗多。因此，提高出鋼口的壽命是目前迫切需要解決的問題。

國內(nèi)鋼鐵廠通常從縮短澆鋼時(shí)間，改變澆鋼口材質(zhì)，減緩鋼水、爐渣的沖擊幾方面考慮，采取優(yōu)化熱換出鋼口工藝，對(duì)出鋼口結(jié)構(gòu)及材質(zhì)進(jìn)行改造，改善煉鋼、出鋼技術(shù)，出鋼口掛渣保護(hù)和優(yōu)化擋渣機(jī)構(gòu)減小對(duì)出鋼口的機(jī)械撞擊等措施，來實(shí)現(xiàn)提高出鋼口壽命的目的[3]。為系統(tǒng)地分析影響出鋼口壽命的原因，本文提出應(yīng)用TRIZ理論尋找提高轉(zhuǎn)爐出鋼口壽命的解決方案。

2 TRIZ概述

TRIZ是源于前蘇聯(lián)的發(fā)明問題解決理論（TheoryofInventiveProblemSolving）[4]，它是由前蘇聯(lián)著名發(fā)明家G.S.Altshuller領(lǐng)導(dǎo)的研究機(jī)構(gòu)，通過深入分析和研究世界數(shù)十萬件高水平的發(fā)明專利建立起來的，其成果包括：總結(jié)出了產(chǎn)品發(fā)展進(jìn)化的客觀規(guī)律；提供了一系列分析、解決問題的具體流程和方法；指導(dǎo)人們創(chuàng)造性地解決技術(shù)難題[5]。當(dāng)人們掌握了這些規(guī)律和方法，就能夠能動(dòng)地進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)，預(yù)測(cè)未來趨勢(shì)。

針對(duì)具體的工程問題，傳統(tǒng)方法常常會(huì)利用經(jīng)驗(yàn)、頭腦風(fēng)暴法或其他設(shè)計(jì)方法尋求解決方案。TRIZ理論解決問題的流程是，采用系統(tǒng)分析或者三軸分析的方法對(duì)問題進(jìn)行定義、明確，然后確定待解決的問題；通過TRIZ提供的矛盾分析、物場分析、知識(shí)庫、科學(xué)效應(yīng)庫和專利庫等工具體系，產(chǎn)生構(gòu)思，最終形成方案。圖1是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和TRIZ解決問題的流程示意圖。

3 基于TRIZ理論的提高轉(zhuǎn)爐出鋼口壽命設(shè)計(jì)實(shí)例

按照TRIZ解決問題的流程，設(shè)定好目標(biāo)后進(jìn)行功能分析、三軸分析，對(duì)問題求解后形成方案，方案進(jìn)行比較選擇后對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

圖1 解決問題流程示意圖

3.1 TRIZ問題的描述

轉(zhuǎn)爐出鋼口在使用一定爐次后侵蝕嚴(yán)重，出鋼后期擋渣效果差。應(yīng)該改善的特性是：轉(zhuǎn)爐出鋼口的壽命；目前改善該特性的傳統(tǒng)方式是：提高出鋼口材質(zhì)；減小熔渣的侵蝕、沖刷；擋渣出鋼等。

3.2 問題分析與分解

將如何提高轉(zhuǎn)爐出鋼口壽命定義為工程問題，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)分析，建立組件模型如圖2所示。

圖2 組件模型

利用Pro/Innovator軟件對(duì)組件進(jìn)行價(jià)值分析，根據(jù)理想度診斷，簡化和理想化系統(tǒng)。分解系統(tǒng)分析模塊產(chǎn)生的轉(zhuǎn)化問題，以Howtoprevent侵蝕of工作層作為初始問題然后進(jìn)行因果分析，分析出鋼口工作層被侵蝕的原因。以工作層耐火材料為例，通過資源分析找到可利用的物質(zhì)資源，得到相應(yīng)的資源方案。

從如何提高轉(zhuǎn)爐出鋼口壽命這個(gè)問題出發(fā)，對(duì)問題進(jìn)行分解，從分解的問題中找到入手點(diǎn)，定義技術(shù)矛盾，尋找矛盾方案。

3.3 問題解決

3.3.1 系統(tǒng)組件分析

根據(jù)Pro/Innovator軟件提供的理想度診斷分析，經(jīng)過簡化和理想化系統(tǒng)后，得到裁減方案1和方案2。裁減方案1：裁減永久層，永久層的保溫和支撐功能由工作層完成；裁減方案2：裁減擋渣器，由出鋼口完成擋渣功能，將出鋼口設(shè)計(jì)成滑板組合式，初始出鋼時(shí)滑板全開，到鋼水出到2/3時(shí)，滑板逐漸閉合縮小，以實(shí)現(xiàn)擋渣通鋼的作用。

3.3.2 系統(tǒng)資源分析

TRIZ理論認(rèn)為解決問題的實(shí)質(zhì)就是對(duì)資源的合理應(yīng)用。使用技術(shù)系統(tǒng)資源是提高理想度最重要的手段之一，只有具備并合理使用資源才能解決所有技術(shù)問題。以Howtoprevent侵蝕of工作層作為初始問題，分析其中可利用的物質(zhì)資源有工作層耐火材料的厚度、粒度和種類。由此得到資源方案1：增加工作層的耐蝕性，在工作層表面添加耐蝕的涂層；資源方案2：增加耐火材料厚度以減緩鋼水對(duì)耐火材料的侵蝕；資源方案3：減小耐火材料顆粒度尺寸，制備耐火材料時(shí)更致密，可以減緩鋼水的侵蝕；資源方案4：向耐火材料添加其他物質(zhì)，以改變其化學(xué)成分，從而改善其性能。

3.3.3 以不同的問題作為入手點(diǎn)，定義技術(shù)矛盾如下：

3.3.3.1 擋渣器強(qiáng)度不足：改進(jìn)的方法是增強(qiáng)擋渣器的強(qiáng)度，確保擋渣器在鋼水中不被侵蝕，保證擋渣效果。改善的參數(shù)是強(qiáng)度，惡化的參數(shù)是運(yùn)動(dòng)物體的體積。應(yīng)用TRIZ的矛盾矩陣，可用10號(hào)、14號(hào)、15號(hào)和7號(hào)創(chuàng)新原理來解決這個(gè)技術(shù)矛盾。選取7號(hào)創(chuàng)新原理得到矛盾方案1：利用嵌套原理，將擋渣器嵌套在出鋼口上，實(shí)現(xiàn)擋渣流鋼作用，增加擋渣器的強(qiáng)度。選取10號(hào)創(chuàng)新原理得到矛盾方案2：在投入擋渣器前，預(yù)先給擋渣器增加防腐蝕的涂層。

3.3.3.2 爐渣黏度過度：改進(jìn)的方法是適當(dāng)?shù)亟档蜖t渣黏度，此時(shí)改善的參數(shù)是物質(zhì)的量，惡化的參數(shù)是物體產(chǎn)生有害因素。應(yīng)用矛盾矩陣，可用3號(hào)、35號(hào)、40號(hào)和39號(hào)創(chuàng)新原理來解決這個(gè)技術(shù)矛盾。選取35號(hào)原理得到矛盾方案3：提高鋼水溫度，可以相應(yīng)降低黏度。選取40號(hào)創(chuàng)新原理得到矛盾方案4：選用復(fù)合材料造渣劑，以降低黏度。

3.3.3.3 工作層受侵蝕：改進(jìn)的方法是把工作層分成幾層，每層選取不同材質(zhì)的耐火材料，與鋼水接觸的那一層使用復(fù)合材料。改善的參數(shù)是強(qiáng)度，惡化的參數(shù)是靜止物體的重量。應(yīng)用矛盾矩陣，可用40號(hào)、26號(hào)、27號(hào)和1號(hào)創(chuàng)新原理來解決這個(gè)技術(shù)矛盾。選取40號(hào)和27號(hào)創(chuàng)新原理得到矛盾方案5：將工作層分成幾層，采用復(fù)合材料，與鋼水接觸的部分采用抗熱、耐蝕性最強(qiáng)的復(fù)合材料。

3.3.3.4 鋼種對(duì)工作層的侵蝕作用：改進(jìn)的方法是一個(gè)周期內(nèi)生產(chǎn)同一品種的鋼。改善的參數(shù)是靜止物體的重量，惡化的參數(shù)是適應(yīng)性、通用性。應(yīng)用矛盾矩陣，可用19號(hào)、15號(hào)和29號(hào)創(chuàng)新原理來解決。選取19號(hào)和15號(hào)原理得到矛盾方案6：周期性的冶煉相同鋼種，鋼種不同時(shí)，更換材質(zhì)不同的出鋼口。

3.3.3.5 鋼水從出鋼口流出時(shí)對(duì)工作層的侵蝕作用：此時(shí)改善的參數(shù)是速度，惡化的參數(shù)是物質(zhì)損失。應(yīng)用矛盾矩陣，可用10號(hào)、13號(hào)、28號(hào)和38號(hào)創(chuàng)新原理解決這個(gè)矛盾。選取10號(hào)和13號(hào)創(chuàng)新原理，得到矛盾方案7：可在鋼水通過出鋼口工作層前，預(yù)先在工作層添加一層保護(hù)層；出鋼口的工作層使用透氣耐火材料，出鋼時(shí)可通少量惰性氣體，在工作層與鋼液間形成氣膜，減緩鋼水的沖刷。

3.3.4 知識(shí)庫分析

傳統(tǒng)的科學(xué)效應(yīng)庫提供了100多條科學(xué)效應(yīng)，隨著時(shí)代的發(fā)展，以計(jì)算機(jī)軟件為平臺(tái)的科學(xué)效應(yīng)庫升華為知識(shí)效應(yīng)庫，不僅提供科學(xué)效應(yīng)查詢，而且還包括更多的專利技術(shù)查詢。Pro/ Innovator軟件采用統(tǒng)一的功能性描述和查詢方式，可以快速得出針對(duì)問題的相關(guān)方案，以克服人的思維慣性，拓寬知識(shí)面，并最終得到解決問題的方案。

3.3.4.1 從《不發(fā)生實(shí)際粘合的細(xì)粒耐火材料層保護(hù)漏斗中的永久耐火磚襯里》耐火材料內(nèi)襯結(jié)構(gòu)上獲得到啟發(fā)，獲得知識(shí)庫方案1：建議在工作層上涂一層不發(fā)生實(shí)際粘合的細(xì)料耐火材料涂層。

3.3.4.2 從《移動(dòng)式頂吹噴槍在轉(zhuǎn)爐耐火材料上提供均勻的熔渣分布》結(jié)構(gòu)動(dòng)作原理上獲得到啟發(fā)，獲得知識(shí)庫方案2：通過頂吹噴槍，向爐渣吹惰性氣體，加入熔渣凝固劑形成熔渣覆層后將熔渣覆層分布在出鋼口受侵蝕最嚴(yán)重的表面上。

3.3.4.3 從《防水層的凹凸不平減小船的摩擦阻力》中的結(jié)構(gòu)動(dòng)作原理上獲得到啟發(fā)。獲得知識(shí)庫方案3：在工作層中制造凹凸不平以達(dá)到減小鋼水摩擦阻力的目的。為此，在工作層表面上施一層耐蝕材料膜涂層，并在涂層上制造出凹凸不平。惰性氣體通過通氣裝置供給工作層，氣體可捕集在凹陷部分，凸起部分會(huì)形成一層薄氣體，鋼液在這個(gè)氣膜上滑過，可減少摩擦。

3.3.4.4 依靠查詢知識(shí)庫，可以直接用《自修復(fù)耐熱涂層消除熱裂紋》的方案。在工作層使用自修復(fù)耐熱涂層，該涂層具有所需的耐高溫和抗體氧化的特點(diǎn)，可以獲得較長的使用壽命。

3.3.4.5 依靠查詢知識(shí)庫，從《多孔結(jié)構(gòu)降低蝸輪葉片保護(hù)涂層的熱傳導(dǎo)能力》中的結(jié)構(gòu)動(dòng)作原理上獲得到啟發(fā)，獲得知識(shí)庫方案4：多孔結(jié)構(gòu)降低工作層的熱傳導(dǎo)能力，工作層使用多層保護(hù)涂層，其中包括一層多孔陶瓷層以降低熱傳導(dǎo)性，這樣可以降低工作層的溫度，減緩熱侵蝕。

3.3.5 物質(zhì)-場分析

圖3 物-場模型

圖4 評(píng)價(jià)模型和權(quán)重

圖5 備選方案的評(píng)價(jià)結(jié)果

物質(zhì)-場分析法是一種使用符號(hào)表達(dá)技術(shù)系統(tǒng)變換的建模技術(shù)，它以解決問題中的各種矛盾為中心，通過建立一種模型來描述系統(tǒng)內(nèi)的問題，旨在用符號(hào)語言描述系統(tǒng)構(gòu)成要素以及構(gòu)成要素之間的相互聯(lián)系。任何一個(gè)完整的系統(tǒng)功能都可用一個(gè)完整的物-場三角形進(jìn)行模型化，這個(gè)模型具備三個(gè)必要元素：兩種物質(zhì)和一個(gè)場。為了規(guī)范模型的表示，常把物質(zhì)排在一行，用S1表示產(chǎn)品，S2表示工具，F(xiàn)表示場。

轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)，出鋼口要承受高溫鋼水、爐渣的摩擦沖刷和氧化侵蝕，導(dǎo)致出鋼口壽命很低，需要不斷地修補(bǔ)和更換。因此問題部位為出鋼口的工作層侵蝕，構(gòu)建物-場模型如圖3所示。應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解物場模型的破壞，形成物場方案1：通過引入S3來消除有害作用，即引入表面耐熱耐蝕性處理工藝；物場方案2：引入S1的變形來消除有害作用，即改變工作層自身結(jié)構(gòu)，出鋼口與鋼水最先接觸的部分設(shè)計(jì)成擋板型結(jié)構(gòu)，減小鋼水渦流對(duì)工作層局部的沖刷。

3.4 方案選擇

運(yùn)用TRIZ理論的工具對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行解題分析后，得到了很多方案，為了選擇最終方案，需要建議方案評(píng)價(jià)模型，對(duì)備選方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖4是評(píng)價(jià)模型和評(píng)價(jià)權(quán)重，圖5顯示了備選方案的評(píng)價(jià)結(jié)果。從方案評(píng)價(jià)中可以得出，優(yōu)先考慮減輕鋼水的摩擦，其次減慢工作層侵蝕的速度。

4 小結(jié)

TRIZ理論通過一系列系統(tǒng)化解決問題的流程，幫助設(shè)計(jì)和研發(fā)人員得到最有效的解決方案，對(duì)解決工程實(shí)際問題有重要的指導(dǎo)意義。

通過系統(tǒng)分析如何提高轉(zhuǎn)爐出鋼口壽命，熟悉TRIZ理論解決問題的流程，學(xué)會(huì)應(yīng)用問題分析工具和求解工具，確定了最優(yōu)方案。雖然應(yīng)用對(duì)象較簡單，但卻有針對(duì)性地分析和解決了工程實(shí)際問題，充分說明TRIZ應(yīng)用的有效性和廣泛性。

[1]翟衛(wèi)江，戴文彬.提高30T轉(zhuǎn)爐出鋼口壽命生產(chǎn)實(shí)踐[J].南鋼科技與管理，2007（4）：19-21

[2]鄭新友，叢玉偉，劉平等.轉(zhuǎn)爐出鋼擋渣方法[J].鋼鐵研究，2000（1）：59-62.

[3]王強(qiáng)，李會(huì)林，白素宏.石鋼轉(zhuǎn)爐出鋼口改造實(shí)踐[J].河北冶金，2008（5）：34-36

[4]ToruNakagawa.ProblemSolvingMethodologyforInnovation：TRIZ/USIT[R].FirstSymposiumonKnowledgeCreationSupportSystemsheldonFeb，2004：27-28.

TF748

A

1671-0037（2014）01-8-2.5

2013年10月30日。

青海省科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)建設(shè)計(jì)劃（2012-T-Y22）。

曹海蓮（1985-），女，講師，教師，碩士研究生，研究方向：鋼鐵冶金領(lǐng)域。