TRIZ理論在改善引流砂對鋼液危害中的應用

曹 磊 石永亮 馬保振 黃偉青 韓立浩

河北工業職業技術學院 材料工程系 河北石家莊 050091

鋼包內傳統的高熔點氧化物固體引流砂含有Cr2O3、SiO2、Fe2O3、Al2O3等成分，一旦進入中間包，便會增加鋼液中夾雜物的含量，最終影響產品的質量［1－7］。

為了減少常規引流方法對鋼液的污染，有些鋼鐵企業采取如下措施：大包滑板打開，引流砂下落，人工用接砂盤在長水口下部接住引流砂；當鋼液流入長水口后，移開接砂盤。但這種方式需要人工判斷引流砂何時接完，鋼液是否流入長水口，判斷難度大，控制難度也大。本工作中將采用TRIZ理論對連鑄引流方法設計進行討論，以期獲得更優的設計方案。

1 TRIZ理論

TRIZ理論［8］認為產品創新的核心是解決設計中的沖突或矛盾，從而提出39個通用技術參數。在問題解決過程中，利用該設計方法把實際工程設計中的沖突或矛盾轉化為TRIZ理論中的通用化參數。同時利用TRIZ理論中的矛盾沖突矩陣表得出對應的發明解決原理，結合實際問題，選擇符合產品設計的發明原理，得出最佳產品設計方案。其解決問題的一般流程［9－11］為具體問題、TRIZ問題、TRIZ的理論與工具、TRIZ的通用解和具體問題的解。

2 發明問題初始形勢分析和系統分析

2．1 發明問題初始形勢分析

本問題所處的技術系統是連鑄鋼包開澆過程中的引流系統，該技術系統實現的功能是實現對鋼水的引流，確保鋼包內鋼水可以順利流入中間包。

現有連鑄鋼包開澆過程中的鋼水引流系統存在的主要問題是：引流砂從鋼包內經過鋼包下水口與連鑄長水口后進入中間包內接觸鋼液，對鋼水造成污染。污染源包括引流砂中的FeO和其他氧化物。

2．2 系統分析

（1）功能分析。建立已有系統的功能模型（見圖1）。

圖1 功能模型示意圖

（2）因果分析。應用因果鏈分析法確定產生問題的關鍵原因，如圖2所示。

圖2 因果鏈分析圖

（3）沖突區域確定。根據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鋼液的污染這一關鍵問題，并采用物理沖突、物質－場模型和76個標準解以及裁剪等TRIZ工具進行分析求解。

3 利用TRIZ工具求解

3．1 物質－場模型求解

建立問題的物質－場模型如圖3所示。根據所建問題的物質－場模型，應用標準解解決流程，得到標準解為No．1．2．2、No．1．2．4。

圖3 物質－場模型

No．1．2．2標準解為：系統中同時存在有用作用（引流砂具有引流鋼液作用）和有害作用（引流砂污染鋼液），通過改變S2來消除有害作用。依據No．1．2．2標準解得到問題的解如下。

方案1：使用低熔點、高密度液體金屬引流劑代替傳統的氧化物引流劑。鋼包水口內的溫度一般約為900℃。可以尋找熔點低于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。由于引流劑的熔點低于其存在的環境溫度900℃，會以液體金屬的狀態存在，同時由于其密度高于鋼液密度，會沉積在鋼液下部的鋼包水口內。當需要開澆時，打開滑板，液體金屬引流劑通過鋼包下水口和長水口進入中間包。雖然液體引流砂進入了鋼液，但是由于其量較少（含量低于0．05%（w）），進入鋼液后可以作為鋼液中的殘余元素存在，不會對鋼液造成影響，也不會對生產的鋼種性能產生影響。

改進后的物質－場模型如圖4所示。

圖4 改進后物質－場模型

No．1．2．4標準解為：系統中同時存在有用和有害作用，用場F2來抵消有害作用。依據No．1．2．4標準解得到問題的解如下。

方案2：增加引流砂抽吸裝置，將未進入鋼液的引流砂抽離系統。改進后的物質－場模型如圖5所示。

圖5 增加引流砂抽吸裝置后的物質－場模型

3．2 物理沖突求解

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

當引流砂在鋼包水口內時，可以起到有用的作用，避免鋼液在水口內凝固導致鋼液無法引流；而當引流砂進入中間包后，對鋼液會產生有害作用，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”上進行分離。

查找與該分離原理對應的發明原理有No．1、

No．2、No．3、No．4、No．7、No．13、No．17、No．24、No．26、No．30。對發明原理進行分析研究，認為No．1、No．2、No．3對于解決問題具有重要的啟發意義。依據No．1分割、No．2抽取、No．3局部質量發明原理，得到解如下。

方案3：根據發明原理No．1分割原理設想，將長水口設計成可組合的（易于拆卸和組裝）。結合發明原理No．3局部質量原理使物體的不同部分實現不同的功能，將長水口出口設計成組合式，底部用于截流引流砂，側壁用于鋼液通過。借鑒發明原理No．2抽取原理，將“負面”部分（污染鋼液的引流砂）抽取出來，進入長水口底端存留。具體設計示意圖見圖6。

圖6 方案3示意圖

3．3 裁剪工具求解

針對功能模型中引流砂對鋼液污染的有害作用，應用第2條裁剪規則將功能載體實現的功能由功能對象自己來實現。即：將引流砂裁剪掉，引流砂在系統中引流的功能作用由鋼液本身來完成。將引流砂裁剪后，產生了新的問題：鋼包上水口內鋼液容易凝固，導致鋼液無法自動引流。

功能分析：對裁剪后功能模型進行功能分析，示意圖如圖7所示。

圖7 裁剪后功能模型示意圖

因果分析：應用基于5WHY的魚骨圖分析法確定產生問題的關鍵原因，如圖8所示，分析確定產生問題的關鍵原因是滑板厚度薄。

圖8 應用基于5WHY的魚骨圖

沖突區域確定：問題關鍵點是滑板厚度。

以“滑板厚度”為關鍵點解決問題進行求解，采用TRIZ工具是技術沖突解，具體求解決過程如下：

①沖突描述：增加滑板的厚度或者采用多層滑板減少了滑板的導熱，但增加了滑板結構的穩定性。②轉換成TRIZ標準沖突。改善的參數：No．22能量損失；惡化的參數：No．13結構的穩定性。③查找沖突矩陣，得到發明原理為No．14、No．2、No．39、No．6。

依據No．39發明原理第1條用惰性氣體代替通常環境，得到方案4：將滑板內部做成中空，增加滑板的隔熱效果，示意圖如圖9所示。依據No．39發明原理第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 全部技術方案及評價

全部技術方案及評價見表1。根據上述得到的5個方案，經過綜合評價，確定最優解為：創新方案1：將方案1、4、5組合，即利用低熔點高密度液體金屬引流砂代替傳統固體引流砂，同時將鋼包滑板做成中空或真空形式，增加鋼包上水口內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：將長水口出口設計成組合式，底部用于截流引流砂，側壁用于鋼液通過，將“負面”部分（污染鋼液的引流砂）抽取出來，進入長水口底端存留，如圖6所示。方案3可以在引流砂完成其有用功能后，實現與鋼液的有效分離，避免污染鋼液。

圖11 創新方案1示意圖

表1 全部技術方案及評價

5 結語

以TRIZ理論為基礎，對連鑄鋼包澆注系統設計中所存在的問題進行分析，通過功能分析、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鍵沖突，并充分應用了物質－場模型、物理沖突及裁剪等TRIZ工具對連鑄澆注工藝設計進行了改進，產生了5種解決方案，經過對方案的綜合評價，確定了2個方案。創新方案1將原方案1、4、5組合，即利用低熔點高密度液體金屬引流砂代替傳統固體引流砂，同時將鋼包滑板做成中空或真空形式，增加鋼包上水口內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將長水口出口設計成組合式，底部用于截流引流砂，側壁用于鋼液通過，將“負面”部分（污染鋼液的引流砂）抽取出來，進入長水口底端存留。此方案可以在引流砂完成其有用功能后，實現與鋼液的有效分離，避免污染鋼液。