TRIZ理論改善豎爐向氣化爐輸送礦石研究

韓立浩 李躍華 韓立寧 劉燕霞 曹 磊

(1. 河北工業職業技術學院 材料工程系；2. 河北工業職業技術學院 基礎課教學部，河北 石家莊 050091；3. 安陽鋼鐵集團有限責任公司 第一軋鋼廠，河南 安陽 455004)

0 引言

COREX豎爐內含鐵爐料的黏結一直是COREX工藝的一個重大難題[1]。印度VJSL公司1號和2號預還原豎爐因爐料黏結而進行清空處理，到2004年，年均因爐料黏結產生的清爐次數達到3次/年。南非COREX-2000預還原豎爐的運行情況比印度稍好，但每年需要清空作業的次數仍大于2次。寶鋼C-3000投產截止2014年以來，因豎爐內爐料黏結，已進行了8次清空作業，豎爐清空不僅需要長時間的休風，而且還要消耗大量的物料和人力，嚴重影響著COREX工藝鐵水的競爭力。

預還原豎爐內爐料在下部發生黏結成塊，累計到一定的程度后，使得螺旋排料器排料困難，而被迫進行清爐作業，嚴重影響預還原豎爐的順行，降低了設備使用效率，增高了煉鐵成本。此外，COREX投產后出現海綿鐵落料管煤氣反竄現象，即氣化爐內約1050℃高溫的未經過除塵的高粉塵煤氣通過DRI下降管直接反竄進入豎爐，而豎爐設計接受煤氣溫度為850℃。煤氣反竄嚴重則引起豎爐內ADW上黏結和架橋，并導致海綿鐵螺旋上方懸料，螺旋不能正常排料，從而使對應上方的爐料形成死料區，加劇圍管下部爐壁的黏結。本文擬通過TRIZ理論分析，對豎爐向氣化爐輸送含鐵爐料的設備及工藝進行改造，為豎爐順利向氣化爐提供含鐵原料提供建議和思路，其具有重要的生產實際應用價值。

1 TRIZ理論簡介

TRIZ理論[2]也稱發明問題解決理論(Theory of Inventive Problem Solving，TRIZ是其俄文首字母縮寫)，是由前蘇聯發明家阿奇舒勒(G. S. Altshuller)研究團隊通過對高水平發明專利進行分析和提煉之后總結出來的指導人們進行發明創新、解決工程問題的系統化的方法學體系，因而阿奇舒勒也被尊稱為TRIZ理論之父。

TRIZ理論以辯證法、系統論和認識論為哲學指導，以自然科學、系統科學和思維科學的研究成果為根基和支柱，以技術系統進化法則為理論基礎，包括了技術系統和技術過程、(技術系統進化過程中產生的)矛盾、(解決矛盾所用的)資源、(技術系統的進化方向)理想化等基本概念。TRIZ理論提供了分析工程問題所需的方法，包括矛盾分析、功能分析、資源分析和物場分析等，同時還提供了相應的問題求解工具，包括技術矛盾創新原理、物理矛盾分離原理、科學原理知識庫和發明問題標準解法等。TRIZ理論針對復雜問題的求解提供了發明問題解決算法(ARIZ)，同時TRIZ理論還包括了一些創新思維的方法，例如九屏幕法、智能小人法、金魚法等等。

TRIZ理論成功地揭示了創造發明的內在規律和原理，著力于澄清和強調系統中存在的矛盾，其目標是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。它不是采取折衷或者妥協的做法，而且它是基于技術的發展演化規律研究整個設計與開發過程，而不再是隨機的行為。實踐證明，運用TRIZ理論，可大大加快人們創造發明的進程而且能得到高質量的創新產品。

2 問題初始形勢分析

2.1 豎爐向氣化爐輸送礦石系統工作原理

塊礦、球團礦和熔劑加入豎爐，經還原煤氣還原后形成一定金屬化率的DRI，套筒焊接在豎爐側壁，旋轉軸上焊接有螺旋葉片，電機帶動旋轉軸從而帶動螺旋葉片轉動，進而將DRI送至輸料管道，加入氣化爐中，圖1中虛線箭頭指示的是螺旋排料器中礦石走向。

圖1 COREX豎爐排料

2.2 問題出現的條件和時間

豎爐向氣化爐輸送礦石時，對系統問題出現的條件和時間進行了如下分析：

(1)當進入豎爐中煤氣溫度過高時，造成爐料粘結，超過螺旋排料螺距，排料困難，影響順行。

(2)當氣化爐內約1050℃高溫的未經過除塵的高粉塵煤氣通過礦石下降管直接反竄進入豎爐，煤氣反竄嚴重則引起豎爐內礦石黏結，尺寸變大，導致螺旋不能正常排料。

(3)當入爐礦粉化嚴重時，易造成固相黏結，導致爐料尺寸增加，以致螺旋發生堵塞，不能正常向氣化爐輸料。

2.3 問題或類似問題的現有解決方案分析

經過文獻查閱和專利查詢[3, 4]，目前關于該系統存在問題的解決方法有如下幾種：

(1)對加入豎爐的礦石添加涂層，防止爐料黏結，該方法較好地解決了此問題，但為給礦石表面添加涂層，需另設置涂層廠，增加成本投入，并延長冶煉時間。

(2)在螺旋排料器上方某位置添加破碎裝置，但該方法不適于大規模工業生產，從而影響生產率。

(3)改變螺旋尺寸分布，在螺旋排料器進料位置采用小尺寸、短螺距分布，而在排料位置采用大尺寸、長螺距分布，這樣雖可較好地改善由于爐料黏結造成的螺旋排料失效問題，但其為整體不可拆卸結構，若某一螺旋刀片破損需整體更換，費時費力，影響生產率。

3 運用TRIZ工具解決問題

3.1 功能分析

3.1.1 系統分析

依據TRIZ理論的解題流程，對系統進行問題描述后，首先應對系統進行分析，通過系統分析和因果鏈分析，可深入了解各個元件的功能，明確各個元件之間的關系，以及元件之間的相互作用，并確定這些作用是有用的、有害的或者是過度或者是不足的，以此找到解決問題的關鍵點，元件分析如表1所示，系統的整體功能分析如圖2所示。

表1 系統元件分析

圖2 系統的整體功能

3.1.2 因果鏈分析

應用因果鏈分析法確定輸送系統產生問題的原因，如圖3所示，分析知導致豎爐向氣化爐輸送礦石出現問題的原因有：螺旋葉片尺寸不合理；螺旋排料器螺距分布不合理；高溫煤氣反竄。

3.2 TRIZ工具

3.2.1 理想解分析

根據TRIZ理想解分析，其流程如下：解決系統問題的最終理想解是螺旋排料器不再發生堵塞，次理想解是螺旋排料器清空周期延長至180天左右；設計的最終目的是延長螺旋排料器清空周期；理想解是豎爐向氣化爐輸送礦石過程不再發生堵塞，達到理想解的障礙是氣化爐中會有高溫煤氣反竄至輸料通道、豎爐中礦石粘結，尺寸變大，出現這種障礙的結果是螺旋排料失效，礦石不能順利加入氣化爐。若要不出現此障礙需不出現高溫煤氣反竄或強制冷卻反竄的高溫煤氣，可用輸料管道處冷卻水或高溫煤氣兌入冷煤氣，從而依據理想解分析得到方案為：在輸料通道處通入冷卻氣體或引入冷卻水用于冷卻從氣化爐反竄來的高溫煤氣。

3.2.2 可用資源分析

在TRIZ研究的歷史上，1982年Vladimir Petrov首先提出了技術系統超額供給的概念，認為技術系統所具有的某些能力通常都大于需求，可以利用這些多余的能力，增加系統的理想化水平，這就是系統中可用資源的概念。1985年，Altshuller引入了物質-場資源的概念[5]。基于資源可獲得的容易程度，資源可分為：內部資源、外部資源、超系統中的資源三類，對該輸送系統可用資源進行分析，如表2所示。

圖3 因果鏈分析法得出的問題原因

表2 輸送系統可用資源分析

3.2.3 問題求解

針對螺旋葉片尺寸不合理；螺旋排料器螺距分布不合理；高溫煤氣反竄三個問題關鍵點，運用TRIZ理論分析工具尋求可實施方案。

(1)應用沖突解決理論[6, 7]。 為了改善輸送礦石受阻問題，要求增大螺旋排料器的螺旋葉片尺寸，但這樣會導致螺旋葉片壽命降低，這就構成了一對技術沖突。轉換成TRIZ標準沖突為：改善的參數是運動物體的面積(5)，惡化的參數是強度(14)，查找沖突矩陣得到解決方案。方案一：依據發明原理3：局部質量-1，將物體或環境的均勻結構變成不均勻結構。也即對螺旋葉片表面進行熱處理增加其使用強度、添加涂層或使其具自清潔處理功能；方案二：依據發明原理15：動態化-3，如果一個物體是靜止的，使之變為運動的或可改變的。也即參照電磁振動給料器，使螺旋排料器具振動功能，改善不能向氣化爐輸料問題。

同樣地，為了改善COREX豎爐向氣化爐輸送礦石受阻問題，需要參數螺旋葉片尺寸增大，但又為了改善螺旋排料葉片壽命，需要參數螺旋葉片尺寸減小，這就構成了一對物理沖突。依據4條分離原理(空間分離、時間分離、基于條件的分離、整體與部分分離)當中的空間分離原理No.3局部質量，得到解決方案。方案三可描述為在螺旋葉片上添加涂層或使其具自清潔功能，即使礦石發生粘結，也不會與螺旋葉片出現粘附現象。

為了改善系統的螺旋螺距分布問題，要求螺旋具備可拆卸性，但這樣會導致螺旋排料器的螺旋可制造性難度增加，這同樣是一對技術沖突。轉換成TRIZ標準沖突為：改善的參數是形狀(12)，惡化的參數是可制造性(32)，查找沖突矩陣得到解決方案。方案四：依據發明原理1：分割-2，使物體分成容易組裝及拆卸的部分(連接性)，也即將螺旋葉片分成容易組裝及拆卸的部分，如圖4所示，其為分段可拆卸螺旋，第一段、第二段、第三段之間采用鍵銷連接固定。第一段螺旋尺寸較小，與豎爐內礦石接觸，可使較多的礦石進入螺旋排料器，增加礦石下料率；第二段、第三段螺旋尺寸逐漸增大，使礦石不易在螺旋排料器內卡滯，此種結構螺旋排料器改善了豎爐內礦石向氣化爐輸送時的卡滯現象，還改善了因某段螺旋破壞而需更換整個螺旋的問題，提高更換速率，進而提高生產率。

針對高溫煤氣反竄問題，若要減少高溫煤氣反竄，要求減小輸料管道口徑，但這樣會導致系統的生產率降低，這是一對技術沖突。轉換成TRIZ標準沖突為：改善的參數是靜止物體的面積(6)，惡化的參數是生產率(39)，查找沖突矩陣得到解決方案。方案五：依據發明原理15：動態化-1，使一個物體或其環境在操作的每一個階段自動調整，以達到優化的性能，也即使輸料管道在輸料過程中能夠根據進入其內的煤氣量自動調整尺寸，以最大程度抑制煤氣反竄，如圖5所示。圖5中箭頭方向為礦石輸送方向，填充黑色的形狀物為礦石。在輸料管道下部安裝有煤氣檢測儀表，可檢測煤氣溫度、煤氣量等信息，用于自動調整輸料管道的尺寸；方案六：依據發明原理7：套裝-2，使一個物體穿過另一物體的空腔，也即將輸料管道采取套裝的形式，與氣化爐連接處采用小口徑管道(抑制煤氣反竄量)，與螺旋排料器連接處采用大口徑管道(使礦石易于進入管道，提高生產率)，如圖6所示。

圖5 可自動調整尺寸的輸料管道 圖6 套裝形式的輸料管道

(2)應用物質-場分析及76個標準解，首先，建立問題的物質-場模型，如圖7所示。其次，根據所建立的物質-場模型，應用標準解解決流程，得到標準解為：No.11有害作用是由一個場引起的，引入要素S3吸收有害效應。對高溫還原煤氣和輸料管道的作用建立已有系統的功能分析，如圖8所示。依據標準解，得到該問題的解為：在輸料管道處安裝抽氣裝置，吸收反竄入輸料管道的還原煤氣，得到改進之后的物質-場模型如圖9所示。

圖7 物質-場模型

圖8 功能分析

圖9 改進后的物質-場模型

圖10 一種可用于抽除還原煤氣的裝置

根據改進后的物質-場模型，確定問題要實現的功能為“Remove gas”，查找效應知識庫，得到可用的效應為“Vacuum”，依據該效應得到問題的解決方案，如圖10所示。

4 技術方案及評價

根據TRIZ理論對以上方案進行可用性評價，如表3所示。

根據系統性、可比性的原則構建指標評價體系，經過各項數據的統計分析，得到8種方案的指標數據，依據TOPSIS法計算評價[8]，確定可用的解為：①對螺旋葉片進行熱處理增加其強度，同時添加一涂層(該涂層不與礦石潤濕)，并使螺旋葉片可拆分，以適應不同狀態下的排料；②輸料管道采用“漏斗型”管道；③在輸料管道處安裝一真空裝置，用于抽除反竄至輸料管道的還原煤氣。形成5個專利預案：一種可用于抽除還原煤氣的裝置；一種可自動調節口徑的輸料管道；一種可拆分的螺旋葉片；一種帶自清潔功能的螺旋排料器；一種帶振動功能的螺旋排料器。

表3 8種可行方案及可用性評估

5 結語

本文以COREX豎爐向氣化爐輸送礦石問題為研究對象，基于TRIZ理論，對系統存在的問題進行了描述，進一步建立了整體功能模型圖，采用因果鏈法進行了系統分析，并確定了問題關鍵點；采用技術沖突、物理沖突、物質場-76個標準解及效應工具進行了求解。對豎爐向氣化爐輸送含鐵爐料的設備及工藝改造提供了新穎的思路，包括設置抽除還原煤氣的裝置、使用可自動調節口徑的輸料管道、改進螺旋排料器葉片及螺旋排料器具有自清潔功能或振動功能，預計均可取得良好效果，為順利向氣化爐提供含鐵原料提供保證，具有重要的實際應用價值，其必將為COREX煉鐵產生深遠的影響，TRIZ理論體系非常符合COREX煉鐵行業未來發展的趨勢需求，應在本領域廣泛的推廣和應用TRIZ理論。