基于TRIZ理論的帶罐打水渣處理裝置的創(chuàng)新設(shè)計

韓長儀，戴年建

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

在冶金領(lǐng)域中，鋼渣處理的目的是改善鋼渣穩(wěn)定性、回收金屬、實現(xiàn)資源化再利用以及減少環(huán)境污染。大量鋼渣被廢棄形成渣山，嚴(yán)重威脅著環(huán)境生態(tài)和安全，也影響著鋼鐵企業(yè)的生存和發(fā)展。高效、清潔的渣處理工藝設(shè)備對促進(jìn)渣處理技術(shù)的進(jìn)步和鋼鐵工業(yè)的發(fā)展具有重大的意義[1-2]。

對于脫硫渣處理來講，常見的有帶罐打水、熱潑處理和熱態(tài)直接利用等處理方法。其中帶罐打水處理工藝具有投資低、污染少、處理時間短和尾渣穩(wěn)定等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用[3-4]。

目前，國內(nèi)有直接注水進(jìn)行渣處理的情況，未設(shè)置煙氣收集，雖然設(shè)備簡單，造價成本低，但是進(jìn)行渣處理時，大量的灰塵和煙氣直接外溢到車間內(nèi)，使得操作條件惡化，環(huán)境受到污染。有些鋼廠也有設(shè)置傾翻式、移動式煙氣收集裝置的渣處理設(shè)備。其中傾翻式是利用液壓結(jié)構(gòu)或者電機(jī)將煙罩傾翻，但只能實現(xiàn)單工位使用，而且造價成品高，占用空間大。移動式是利用電機(jī)將煙罩移開，可以實現(xiàn)單雙工位使用，但是也存在設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用面積大和擺放渣罐困難等缺點。

隨著國際對環(huán)境生態(tài)越來越重視，鋼鐵企業(yè)增添渣處理設(shè)備的需求也越來越多。綜合考慮安全性、投資成本和空間等因素，選用新式渣處理設(shè)備極有必要。

本文提出一種雙工位旋轉(zhuǎn)式帶罐打水渣處理裝置，介紹了其結(jié)構(gòu)組成、功能和設(shè)計特點，創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)用了系統(tǒng)完備性法則、因果分析、功能分析、最終理想解和發(fā)明原理多個TRIZ理論方法。本裝置通過電機(jī)驅(qū)動打水煙罩在兩個工作位之間旋轉(zhuǎn)切換，可實現(xiàn)對脫硫渣的噴水處理，以便回收再利用，同時設(shè)置有煙氣灰塵收集機(jī)構(gòu)，改善現(xiàn)場條件，減少環(huán)境污染。本裝置具有自動控制、結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、投資成本低、清潔環(huán)保、占用空間小等優(yōu)點。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

帶罐打水裝置如圖1所示，主要包括底座、立柱、驅(qū)動裝配、T型支柱、煙氣管、打水煙罩、渣罐、開關(guān)和管線等，由PLC控制程序進(jìn)行自動控制[5]。

圖1 雙工位旋轉(zhuǎn)式帶罐打水渣處理裝置立體圖

圖2為雙工位示意圖，通過電機(jī)驅(qū)動打水煙罩在兩個工作位之間旋轉(zhuǎn)切換。

圖2 帶罐打水渣處理裝置雙工位俯視示意圖

驅(qū)動裝配如下頁圖3所示，主要包括減速電機(jī)、小齒輪、回轉(zhuǎn)支承、電機(jī)防護(hù)罩、齒輪防護(hù)罩等零部件。

圖3 驅(qū)動裝配剖視圖

減速電機(jī)輸出軸垂直向上安裝固定于立柱上，小齒輪與回轉(zhuǎn)支承的外齒圈相嚙合，回轉(zhuǎn)支承下側(cè)內(nèi)圈通過螺栓固定于立柱上，上側(cè)外圈通過螺栓與T型支柱連接。齒輪防護(hù)罩分為上下兩部分，下側(cè)固定不動，上側(cè)隨T型支柱轉(zhuǎn)動，對齒輪副進(jìn)行防塵保護(hù)。

如圖4所示，T型支柱由鋼管和鋼板焊接成T型，下側(cè)通過螺栓與回轉(zhuǎn)支承的上側(cè)外圈齒輪固定，可一起轉(zhuǎn)動。T型支柱上側(cè)為圓形結(jié)構(gòu)，其直徑小于煙氣管的內(nèi)徑，與煙氣管同軸安裝且有間隙，可以相對旋轉(zhuǎn)。T型支柱橫側(cè)面設(shè)計了螺栓孔，用于固定打水煙罩。

圖4 T型支柱結(jié)構(gòu)示意圖

如圖5所示，煙氣管由鋼管和鋼板焊接而成，分為兩節(jié)以便拆換。煙氣管下側(cè)與T型支柱同軸安裝且有間隙，上側(cè)與廠房車間的煙道連接固定。

圖5 煙氣管結(jié)構(gòu)示意圖

煙氣管下側(cè)包括壓板和密封圈。壓板壓緊密封圈，密封圈貼在T型支柱上側(cè)的鋼管上，起到密封作用，同時也不影響旋轉(zhuǎn)功能。

打水煙罩如圖6所示，由矩形管、鋼管和鋼板焊接而成，煙氣可以從其內(nèi)部通過T型支柱和煙氣管排到廠房車間的煙道中。打水煙罩通過螺栓固定于T型支柱側(cè)面上，其另一端罩子是圓形的，下面布置有打水管線，由1根管線分出6個噴水點，在圓周均勻布置，可向渣罐內(nèi)噴水，有利于鋼渣均勻冷卻。

圖6 打水煙罩結(jié)構(gòu)示意圖

開關(guān)裝配包括4個光電開關(guān)、2個開關(guān)固定板和1個感應(yīng)板。光電開關(guān)通過開關(guān)固定板焊接固定在立柱的側(cè)面，感應(yīng)板焊接固定在齒輪防護(hù)罩的上側(cè)部分，可隨其旋轉(zhuǎn)。感應(yīng)板運行至光電開關(guān)上方時可發(fā)訊進(jìn)而反饋位置，4個光電開關(guān)分別檢測2個渣罐的工作位和超行程位。

管線裝配如圖7所示，分為水管線裝配和潤滑管線裝配。

圖7 管線裝配結(jié)構(gòu)示意圖

水管線裝配主要包括軟管、旋轉(zhuǎn)接頭和固定水管。固定水管固定在立柱側(cè)面，其一端與車間水源管線相連，另一端與旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)水口相連。旋轉(zhuǎn)接頭的出水口端與軟管的低端連接，旋轉(zhuǎn)接頭兩端可以相對旋轉(zhuǎn)且密封，也固定于立柱側(cè)面，軟管高端與打水煙罩相連接。采用旋轉(zhuǎn)接頭是為了延長設(shè)備使用壽命，避免軟管因長期的拖拽而損壞。

將旋轉(zhuǎn)接頭設(shè)置在立柱內(nèi)部與其同心安裝，可以實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，但同時會帶來安裝困難、加工成本高和難以維修等問題，故本次設(shè)計采用布置在立柱外側(cè)，既滿足了雙工位的要求，也避免了以上同軸安裝的缺點。

渣罐作為容器承接存放鋼渣，不屬于本裝置材料。另外，供水回路中設(shè)置電磁水閥和流量計，以便實現(xiàn)自動控制打水進(jìn)行鋼渣處理。

2 工作流程

圖2中噴水煙罩是以位于1號工作位渣罐上方狀態(tài)切換為2號處理位工作為例，工作過程如下：

PLC控制程序啟動減速電機(jī)，通過小齒輪和回轉(zhuǎn)支承嚙合帶動T型支柱，進(jìn)而驅(qū)動噴水煙罩旋轉(zhuǎn)至2號處理工作位，對應(yīng)光電開關(guān)發(fā)訊控制電機(jī)停止。控制車間水源的電磁水閥通電后進(jìn)行均勻噴水，并對脫硫渣進(jìn)行冷卻處理，灰塵及煙氣先后通過噴水煙罩、T型支柱和煙氣管抽排到車間煙道中去。當(dāng)從2號工作位運行至1號時，同理反向操作運行，從而實現(xiàn)2個工作處理位之間的自動切換及打水渣處理功能。

3 TRIZ理論方法應(yīng)用

TRIZ意譯為發(fā)明問題解決理論，是指導(dǎo)創(chuàng)新活動的重要理論之一，它可以幫助設(shè)計者在方案設(shè)計階段迅速地產(chǎn)生一個具有創(chuàng)造性的新概念，實現(xiàn)產(chǎn)品的快速創(chuàng)新[6]。

此創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)用到了以下TRIZ理論方法：系統(tǒng)完備性法則、因果分析、功能分析、最終理想解和40個發(fā)明原理。

3.1 系統(tǒng)完備性法則

技術(shù)系統(tǒng)由多個組件或元素組成，為了實現(xiàn)特定的功能，系統(tǒng)必須具備最基本的要素，且各要素之間必須存在必要的聯(lián)系。本帶罐打水渣處理裝置在創(chuàng)新設(shè)計時按逆向考慮，首先確定產(chǎn)品功能，然后反向思考實現(xiàn)的傳動方式和能源等，對比分析優(yōu)缺點確定方案。

應(yīng)用系統(tǒng)完備性法則分析雙工位旋轉(zhuǎn)切換功能，分析各部件間的聯(lián)系，有助于準(zhǔn)確地判斷系統(tǒng)組件是否能構(gòu)成完整的技術(shù)系統(tǒng)，技術(shù)系統(tǒng)完備性圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)完備性圖

3.2 魚骨圖因果分析

魚骨圖是較為常見且有效的查找原因的工具，它是由出現(xiàn)的問題出發(fā)，從人機(jī)料法環(huán)測6個維度去尋找原因。應(yīng)用魚骨圖對帶罐打水渣處理裝置的現(xiàn)有缺點進(jìn)行因果分析，分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 因果分析魚骨圖

通過分析確定了帶罐打水渣處理裝置創(chuàng)新設(shè)計的功能方向，比如雙工位甚至多工位結(jié)構(gòu)、否定傾翻形式、帶排煙裝置和全自動控制等。

3.3 功能分析

產(chǎn)品規(guī)劃時，系統(tǒng)的功能分析是通過技術(shù)系統(tǒng)抽象的“功能”角度來分析系統(tǒng)的，是產(chǎn)品功能原理設(shè)計的關(guān)鍵步驟和正確定義問題的前提。

通過功能分析，明確了本次產(chǎn)品設(shè)計的主要功能，功能分析表如表1所示。

表1 功能分析表

3.4 最終理想解

TRIZ理論中，在解決問題之初，運用理想化思維尋求最終理想解（IFR），保證問題解決過程中沿著此目標(biāo)前進(jìn)，從而避免了傳統(tǒng)方法中缺乏目標(biāo)的弊端，提升了創(chuàng)新設(shè)計的效率，如下頁表2所示。

表2 最終理想解分析表

最終理想解有以下4個特點：保持了原系統(tǒng)的優(yōu)點；消除了原系統(tǒng)的不足；沒有使系統(tǒng)變得更復(fù)雜；沒有引入新的缺陷。當(dāng)確定了待設(shè)計產(chǎn)品或系統(tǒng)的最終理想解之后，可以用這4個特點檢查其有無不符合之處，并進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，以確定達(dá)到或接近最終理想解IFR為止。舉例思考如下頁表3所示。

表3 特點分析表

3.5 發(fā)明原理

Altshuller通過對大量專利進(jìn)行了研究分析和總結(jié)，提煉出了TRIZ理論中最重要、具有普遍用途的40個發(fā)明原理。

發(fā)明原理“No.1分割”的一種含義是使物體分成容易組裝及拆卸的部分。根據(jù)此理論的提示，將打水煙罩由圓形截面改為多邊形截面，更容易焊接制造。

發(fā)明原理“No.2抽取”的一種含義是將物體中的負(fù)面部分或特性抽取出來。本裝置中回轉(zhuǎn)支承潤滑孔在內(nèi)部，將潤滑點引至外側(cè)并集中，改善潤滑操作性。

發(fā)明原理“No.5組合”的含義是把相同的物體或完成類似操作的物體聯(lián)合起來，把時間上相同或類似的操作聯(lián)合起來。本裝置中打水管線和打水煙罩功能不同，但都要運動切換工位，將兩者組合設(shè)計在一起來簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)并實現(xiàn)功能。

發(fā)明原理“No.6多用性”的含義是使物體或物體的一部分實現(xiàn)多種功能。除去液壓缸驅(qū)動煙罩?jǐn)[動和成本因素外，本裝置采用電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)支承可實現(xiàn)打水煙罩360°正反向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而可以實現(xiàn)2工位甚至更多工位工作的需求，使設(shè)備的適用范圍更廣。

4 結(jié)語

鋼渣的綜合利用不但可以消除環(huán)境污染，還能夠變廢為寶，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，是可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，對國家和社會都具有十分重要的意義。

本文首先說明了帶罐打水裝置的結(jié)構(gòu)組成和工作流程，然后介紹了TRIZ理論的具體應(yīng)用。實踐證明，運用TRIZ理論，可大大加快創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程，而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品。

本創(chuàng)新設(shè)計的雙工位旋轉(zhuǎn)式帶罐打水渣處理裝置，由電機(jī)通過齒輪和回轉(zhuǎn)支承驅(qū)動打水煙罩在2個工位之間旋轉(zhuǎn)切換，根據(jù)需求向渣罐中進(jìn)行均勻噴水，完成脫硫渣的冷卻處理，以便回收再利用；同時設(shè)置灰塵和煙氣收集機(jī)構(gòu)，具有自動控制、結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、投資成本低等優(yōu)點，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。該設(shè)計具有創(chuàng)新性、可行性和實用性，可為各鋼鐵企業(yè)和科研單位的工藝改進(jìn)和研發(fā)創(chuàng)新提供思路，并具有一定的參考價值。