基于TRIZ理論解決耐火材料熱震試驗裝置溫度波動大的問題

何濤

摘 要：目前，部分耐火材料熱震試驗裝置可操作性差，工作效率低，試驗過程中存在爐內(nèi)溫降較大的問題。本文利用功能分析法、因果分析法和沖突分析法，將一般的功能性問題轉(zhuǎn)化為發(fā)明問題，確定理想解。其間利用沖突理論中的技術(shù)沖突和物理沖突以及物質(zhì)場模型和76個標(biāo)準(zhǔn)解理論，確定發(fā)明原理為NO7套裝和NO10預(yù)操作，最終根據(jù)專業(yè)技術(shù)背景和實際情況，得到解決方法，即墊板、爐門和手柄的一體化。此方案可以將試樣取出時間控制在0.5min內(nèi)，并且爐內(nèi)溫度波動在25℃內(nèi)。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論;耐火材料;熱震;沖突理論;76個標(biāo)準(zhǔn)解

中圖分類號：TQ175.12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）20-0032-04

Solving the Problem of Large Temperature Fluctuation of Refractory

Thermal Shock Test Device Based on TRIZ Theory

HE Tao

（State Key Laboratory of Advanced Refractories， Sinosteel Luoyang Institute of Refractories Research Co.， Ltd.， Luoyang Henan 471039）

Abstract： At present， some refractory thermal shock test devices have poor operability， low work efficiency， and there is a problem of large temperature drop in the furnace during the test. This paper used functional analysis， causal analysis and conflict analysis to transform general functional problems into invention problems and determine ideal solutions. In the meantime， using the technical conflicts and physical conflicts in the conflict theory and the material field model and 76 standard solution theory， the invention principle was determined to be the NO7 package and the NO10 pre-operation. Finally， according to the professional technical background and the actual situation， the solution was obtained， that was， the integration of the pad， the door and the handle. This solution can control the sample take-out time within 0.5min， and the furnace temperature fluctuates within 25℃.

Keywords： TRIZ theory;refractory;thermal shock;conflict theory;76 standard solutions

TRIZ理論是由蘇聯(lián)學(xué)者根里奇·阿奇舒勒及他的同事于1964年最先提出。TRIZ理論方法是解決發(fā)明問題最基本的理論方法，這些方法又可以普遍應(yīng)用于解決新出現(xiàn)的發(fā)明問題，協(xié)助人們獲得這些發(fā)明問題所需要的有效解[1-3]。因此，在實際操作過程中遇到問題時，TRIZ理論可以為研究和生產(chǎn)人員提供理論解決方案，人們再根據(jù)自身的知識背景和實際情況，以理論解決方案為指導(dǎo)來解決實際問題。

耐火材料抗熱震性能試驗是耐火材料從業(yè)人員在研發(fā)、生產(chǎn)過程中常見的測試手段，通過對耐火材料進行抗熱震試驗來評估材料的耐急冷急熱性能以及使用壽命。具體操作是將耐火材料試驗樣塊放在1 100℃高溫環(huán)境（熱震試驗電爐內(nèi)）加熱到與爐內(nèi)溫度平衡的狀態(tài)，然后快速轉(zhuǎn)換到低溫環(huán)境并循環(huán)若干次。根據(jù)《耐火材料 抗熱震性試驗方法》（GB/T 30873—2014），耐火制品抗熱震性測試方法分為水急冷法和空氣急冷法[4]。熱震試驗裝置是耐火材料抗熱震試驗的必備工具，因此，熱震試驗裝置的結(jié)構(gòu)性能優(yōu)劣直接決定了熱震測試的便利性并對測試結(jié)果會產(chǎn)生一定的影響。

1 問題描述

熱震試驗裝置由電源控制柜、爐殼、保溫材料、發(fā)熱元件和爐門組成。電爐爐膛左右側(cè)布置發(fā)熱體，前側(cè)是爐口，如圖1所示。熱震試驗系統(tǒng)主要由電爐、拿取工具（坩堝鉗）和冷卻裝置組成。試驗的過程中由熱震試驗電爐提供高溫環(huán)境，電爐升溫至所需溫度，打開爐門，取出塞磚后，放入或取出試樣對試樣進行循環(huán)熱震試驗。

在試樣抗熱震試驗過程中，由于電爐內(nèi)外溫差較大，放入或取出試樣時長時間敞開的爐口引起爐內(nèi)溫度較大波動，有時電爐內(nèi)溫降會超過50℃，電爐又需要較長時間加熱到指定溫度，一方面影響試驗效率，另一方面需要消耗較多的電能。另外，塞磚加爐門的結(jié)構(gòu)開啟不方便，手拿坩堝鉗移動高溫塞磚和樣塊，操作人員在高溫環(huán)境下作業(yè)，既存在安全隱患又費時費力。因此，要解決操作人員操作過程中的安全性和操作效率問題，同時解決在取放樣品過程中電爐的溫降問題，將電爐內(nèi)溫降控制在30℃以內(nèi)。

2 問題分析

2.1 功能分析

根里奇·阿奇舒勒通過對功能的研究發(fā)現(xiàn)，任何一個功能都可以至少分解為三個基本元件，這三個基本元件的有機作用可以形成一個功能。功能分析是指對已有系統(tǒng)進行分解，得到標(biāo)準(zhǔn)、不足、過剩和有害功能。主要任務(wù)為：確定技術(shù)系統(tǒng)所提供的主功能;研究組成部件對系統(tǒng)功能的貢獻(xiàn);分析系統(tǒng)中的有用及有害關(guān)系;確定沖突、不足作用、過剩作用及有害作用;繪制功能圖（功能模型）。熱震試驗裝置的各元件功能圖如圖2所示，爐門、塞磚、操作者、電爐、工具、托板和試樣都是整個系統(tǒng)中有形的物質(zhì)元件，熱、光和力都是場元件，通過物質(zhì)和場的相互作用來實現(xiàn)功能，而耐火材料抗熱震試驗過程就是利用試驗爐的各項功能來實現(xiàn)的。

2.2 因果分析

在試驗的過程中，為了提高效率和不同樣品相互對比的準(zhǔn)確可靠性，操作者一次會放入電爐多個樣品。這樣一來，在操作的過程中，由于試驗工具的不方便，操作者需要反復(fù)操作，每次取出一兩個樣品，取樣的操作時間長導(dǎo)致爐門敞開時間較長，產(chǎn)生爐內(nèi)熱量損失，導(dǎo)致爐內(nèi)溫度變化較大，從而影響試驗效率和試驗結(jié)果的可靠性。熱震試驗裝置的爐口位置和爐口的尺寸大小也會對熱量的損失產(chǎn)生一定影響，大爐口放樣品比較方便但是爐口敞開熱量散失多，小爐口熱量散失少但是爐子里放樣品操作不是很方便，因果分析圖如圖3所示。

2.3 沖突分析

自然界中，矛盾是普遍存在的，沖突是矛盾的極端表現(xiàn)，只有不斷地發(fā)現(xiàn)并解決矛盾，科學(xué)才能進步，社會才能發(fā)展。TRIZ理論認(rèn)為，發(fā)明問題的核心是解決沖突，未克服沖突的設(shè)計都不是創(chuàng)新。因此，熱震試驗裝置既要求多放試樣，以提高試驗效率，又要求減少爐口敞開時間，降低沖突產(chǎn)生概率。因此，熱震試驗裝置的關(guān)鍵問題在于：試樣數(shù)量多，拿取操作時間過長，導(dǎo)致爐內(nèi)熱量損失嚴(yán)重，從而引起爐內(nèi)溫度變化。最終想得到的理想解就是：在多放試樣的情況下爐內(nèi)溫度不發(fā)生變化。技術(shù)沖突為：一次多拿幾個試樣，降低了取樣時間（電爐溫降變慢），但操作過程穩(wěn)定性降低。物理沖突為：一次操作試樣數(shù)量既要“多”又要“少”。

3 確定發(fā)明問題的解決方案

3.1 沖突理論解決發(fā)明問題

沖突一般分為管理沖突、技術(shù)沖突和物理沖突。耐火材料行業(yè)一般采用技術(shù)沖突和物理沖突來解決發(fā)明問題。技術(shù)沖突是指一個作用同時導(dǎo)致有用和有害兩種結(jié)果，通常表現(xiàn)為兩個相互關(guān)聯(lián)參數(shù)的沖突。物理沖突是指為了實現(xiàn)某種功能，一個子系統(tǒng)或元件應(yīng)具有一種特性，但同時出現(xiàn)了與該特性相反的特性，物理沖突是同一系統(tǒng)同一參數(shù)內(nèi)的沖突。TRIZ理論提出用39個通用工程參數(shù)來描述沖突，同時這些工程參數(shù)又對應(yīng)40條發(fā)明原理，根據(jù)工程參數(shù)來確定發(fā)明原理，這樣可以很好地解決設(shè)計發(fā)明過程中的難題。對于此熱震試驗裝置系統(tǒng)來說，人們要從技術(shù)沖突和物理沖突兩個方面來分析解決此發(fā)明問題。

3.1.1 技術(shù)沖突理論解決發(fā)明問題。在抗熱震試驗的過程中，為了提高效率，操作者需要用試驗工具一次多夾幾個試樣，但是會導(dǎo)致可操作性降低。將此技術(shù)沖突轉(zhuǎn)化為一般發(fā)明問題，在此系統(tǒng)中改善的工程參數(shù)是No.39效率，惡化的工程參數(shù)是No.33可操作性，通過查找沖突矩陣得到的發(fā)明原理是：No.1，No.28，No.7，No.19。No.1分割原理、No.28機械系統(tǒng)替代原理、No.7嵌套原理、No.19周期性作用原理將爐膛分為兩個區(qū)，單獨控制溫度，至少有一個始終保持試驗溫度（或直接采用兩個電爐），將夾子根據(jù)樣品數(shù)量分成多個夾板，確保夾持多個試樣時保持試樣穩(wěn)定。根據(jù)發(fā)明原理再結(jié)合相關(guān)背景知識，人們可以得到相應(yīng)的解決辦法。根據(jù)發(fā)明原理No.7套裝，可以得到的解決辦法為：將墊板、塞磚、爐門和工具套在一體，如圖4（a）所示。根據(jù)發(fā)明原理No.10預(yù)操作，可以得到的解決方案為多個試樣預(yù)先擺放在墊板上，用工具拿取墊板，如圖4（b）所示。根據(jù)發(fā)明原理No.28機械系統(tǒng)代替，可以得到的解決方案為用工業(yè)機器人代替操作，如圖4（c）所示。

3.1.2 物理沖突理論解決發(fā)明問題。考慮到一次操作的試樣數(shù)量在不同的空間、時間段、條件和系統(tǒng)層次具有不同的特性，因此該沖突可以從空間、時間、條件、整體與部分角度進行分離。通過查找，與該分離原理對應(yīng)的發(fā)明原理有：No.9預(yù)加反作用、No.10預(yù)先作用、No.11預(yù)補償、No.13反向作用原理、No.15動態(tài)化、No.16未達(dá)到或超過的作用、No.18振動、No.19周期性作用、No20有效作用的連續(xù)性、No.21緊急行動、No.29氣動與液壓結(jié)構(gòu)、No.34拋棄與修復(fù)、No.37熱膨脹。根據(jù)選定的發(fā)明原理，結(jié)合實際情況，最終挑選No.10、No.11、No.21、No.29發(fā)明原理來尋求解決方案。依據(jù)No.10預(yù)操作發(fā)明原理，得到的解決方案如圖5（a）所示，將多個試樣預(yù)先擺放在墊板上用工具拿取墊板。依據(jù)No.11預(yù)補償發(fā)明原理，得到的解決方案如圖5（b）所示，用預(yù)先準(zhǔn)備好的塞磚2補償爐口。依據(jù)No.21緊急行動發(fā)明原理，得到的解決方案為操作人員多練習(xí)操作過程，以最快的速度完成有害操作。依據(jù)No.29氣動與液壓機構(gòu)發(fā)明原理，得到的解決方案為設(shè)計一套氣動與液壓機構(gòu)，操作試樣的拿取。

3.2 物質(zhì)-場模型分析及76個標(biāo)準(zhǔn)解解決發(fā)明問題

在設(shè)計科學(xué)的研究過程中，人們逐漸認(rèn)識到產(chǎn)品設(shè)計往往首先由工作原理確定，而工作原理構(gòu)思的關(guān)鍵是滿足產(chǎn)品的功能要求。產(chǎn)品是功能的載體，功能是產(chǎn)品的核心和本質(zhì)。物質(zhì)-場模型是TRIZ理論的重要分析工具。在使用物質(zhì)-場模型的過程中，人們要根據(jù)模型所描述的功能問題類型來確定問題的性質(zhì)，為設(shè)計人員提供解決問題的方向。同時，要結(jié)合物質(zhì)-場模型對系統(tǒng)功能的分析結(jié)果，參考76個標(biāo)準(zhǔn)解，為設(shè)計者激活創(chuàng)新思維創(chuàng)造條件。對于此熱震爐系統(tǒng)，最終想得到的理想解就是：在多放試樣的情況下爐內(nèi)溫度不發(fā)生變化。對放試樣這個功能進行物質(zhì)-場分析，首先建立物質(zhì)-場模型。物質(zhì)為S1（試樣）和S2（夾持工具），場為FMe（機械場），如圖6所示。

從物質(zhì)-場模型來看，一次需要多夾試樣，而現(xiàn)實情況是不能夾太多試樣，原因是場作用不足。根據(jù)所建問題的物質(zhì)-場模型，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決流程，改進物質(zhì)場，得到標(biāo)準(zhǔn)解為No.14至No.36。依據(jù)選定的標(biāo)準(zhǔn)解No.14鏈?zhǔn)轿飯瞿Ｐ停梢缘玫降慕鉃椋篠1（試樣），S2（夾持工具），S3（墊板）。

根據(jù)圖7中的標(biāo)準(zhǔn)解，人們可以得到解決方案，如圖5（a）所示。所以，根據(jù)物質(zhì)-場模型得到的解決方案與沖突理論得到的方案相同。

4 最終解決方案

根據(jù)沖突理論和物質(zhì)-場模型分析，對于此發(fā)明問題，人們可以得到以下幾種創(chuàng)新解決方案，如表1所示。

根據(jù)專業(yè)技術(shù)背景和現(xiàn)場實際情況，確定的最終解為：方案1+方案2。如圖8所示，將墊板、爐門塞磚、爐門和手柄結(jié)合成一體，多個試樣預(yù)先擺放在墊板上。可將試樣取出時間控制在0.5min內(nèi)，并且爐內(nèi)溫度波動控制在25℃內(nèi)。這樣既解決了多放試樣的可操作性問題，又實現(xiàn)了減小爐內(nèi)溫度波動的效果。

5 結(jié)論

抗熱震試驗是耐火材料常見的性能檢測方法，熱震試驗裝置是其中的一個關(guān)鍵設(shè)備。熱震試驗裝置存在可操作性差、工作效率低以及試驗過程中爐內(nèi)溫降較大的問題。筆者利用功能分析法、因果分析法和沖突分析法將一般的功能性問題轉(zhuǎn)化為發(fā)明問題，確定理想解，然后通過沖突理論中的技術(shù)沖突和物理沖突以及物質(zhì)場模型和76個標(biāo)準(zhǔn)解理論，得到發(fā)明原理為No.7套裝和No.10預(yù)操作，根據(jù)專業(yè)技術(shù)背景和實際情況得到問題的實際解決方案為墊板、爐門和手柄一體化。此方案可以有效地將試樣取出時間控制在0.5min內(nèi)，而且爐內(nèi)溫度波動可以控制在25℃內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：

[1]林岳.創(chuàng)新方法教程（初級）[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2]李彥.創(chuàng)新方法教程（中級）[M].北京：高等教育出版社，2012.

[3]檀潤華.創(chuàng)新方法教程（高級）[M].北京：高等教育出版社，2012.

[4]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.耐火制品抗熱震性測試方法：GB/T 30873—2014[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.