TRIZ理論在提高轉爐出鋼口壽命解決方案中的應用

曹海蓮 嚴軍

（青海大學機械工程學院，青海 西寧810016）

TRIZ理論在提高轉爐出鋼口壽命解決方案中的應用

曹海蓮 嚴軍

（青海大學機械工程學院，青海 西寧810016）

轉爐出鋼口的壽命對鋼水質量及生產穩定性有重要影響，通過運用TRIZ理論對如何提高轉爐出鋼口壽命進行分析，結合實例詳細論述了TRIZ解決問題的基本步驟，并學會如何在實際工程問題中應用問題分析工具和問題求解工具。

TRIZ；出鋼口；壽命；矛盾矩陣；創新原理

1 引言

轉爐出鋼口是鋼水由轉爐進入鋼包的唯一通道。出鋼時，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，導致出鋼口壽命很低，需要不斷地修補和更換。轉爐出鋼口使用次數是轉爐煉鋼重要的技術指標之一，它不僅會影響生產周期，而且影響到鋼水質量及生產穩定性[1]。

轉爐常用擋渣法出鋼，其中擋渣效果比較好的是擋渣塞法[2]。擋渣器設計為陀螺形裝置，陀螺形部分懸浮于鋼水與渣液界面上，當鋼水流盡時，陀螺形部分適時堵住出鋼口，從而防止渣液流入鋼包。當出鋼口使用到一定爐次后侵蝕嚴重，擋渣器無法完成擋渣功能，出現下渣，同時造成合金收得率低、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。

國內鋼鐵廠通常從縮短澆鋼時間，改變澆鋼口材質，減緩鋼水、爐渣的沖擊幾方面考慮，采取優化熱換出鋼口工藝，對出鋼口結構及材質進行改造，改善煉鋼、出鋼技術，出鋼口掛渣保護和優化擋渣機構減小對出鋼口的機械撞擊等措施，來實現提高出鋼口壽命的目的[3]。為系統地分析影響出鋼口壽命的原因，本文提出應用TRIZ理論尋找提高轉爐出鋼口壽命的解決方案。

2 TRIZ概述

TRIZ是源于前蘇聯的發明問題解決理論（TheoryofInventiveProblemSolving）[4]，它是由前蘇聯著名發明家G.S.Altshuller領導的研究機構，通過深入分析和研究世界數十萬件高水平的發明專利建立起來的，其成果包括：總結出了產品發展進化的客觀規律；提供了一系列分析、解決問題的具體流程和方法；指導人們創造性地解決技術難題[5]。當人們掌握了這些規律和方法，就能夠能動地進行產品開發設計，預測未來趨勢。

針對具體的工程問題，傳統方法常常會利用經驗、頭腦風暴法或其他設計方法尋求解決方案。TRIZ理論解決問題的流程是，采用系統分析或者三軸分析的方法對問題進行定義、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、知識庫、科學效應庫和專利庫等工具體系，產生構思，最終形成方案。圖1是傳統設計方法和TRIZ解決問題的流程示意圖。

3 基于TRIZ理論的提高轉爐出鋼口壽命設計實例

按照TRIZ解決問題的流程，設定好目標后進行功能分析、三軸分析，對問題求解后形成方案，方案進行比較選擇后對結果進行評估。

圖1 解決問題流程示意圖

3.1 TRIZ問題的描述

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

3.2 問題分析與分解

將如何提高轉爐出鋼口壽命定義為工程問題，對其進行系統分析，建立組件模型如圖2所示。

圖2 組件模型

利用Pro/Innovator軟件對組件進行價值分析，根據理想度診斷，簡化和理想化系統。分解系統分析模塊產生的轉化問題，以Howtoprevent侵蝕of工作層作為初始問題然后進行因果分析，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資源，得到相應的資源方案。

從如何提高轉爐出鋼口壽命這個問題出發，對問題進行分解，從分解的問題中找到入手點，定義技術矛盾，尋找矛盾方案。

3.3 問題解決

3.3.1 系統組件分析

根據Pro/Innovator軟件提供的理想度診斷分析，經過簡化和理想化系統后，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，將出鋼口設計成滑板組合式，初始出鋼時滑板全開，到鋼水出到2/3時，滑板逐漸閉合縮小，以實現擋渣通鋼的作用。

3.3.2 系統資源分析

TRIZ理論認為解決問題的實質就是對資源的合理應用。使用技術系統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，以改變其化學成分，從而改善其性能。

3.3.3 以不同的問題作為入手點，定義技術矛盾如下：

3.3.3.1 擋渣器強度不足：改進的方法是增強擋渣器的強度，確保擋渣器在鋼水中不被侵蝕，保證擋渣效果。改善的參數是強度，惡化的參數是運動物體的體積。應用TRIZ的矛盾矩陣，可用10號、14號、15號和7號創新原理來解決這個技術矛盾。選取7號創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，實現擋渣流鋼作用，增加擋渣器的強度。選取10號創新原理得到矛盾方案2：在投入擋渣器前，預先給擋渣器增加防腐蝕的涂層。

3.3.3.2 爐渣黏度過度：改進的方法是適當地降低爐渣黏度，此時改善的參數是物質的量，惡化的參數是物體產生有害因素。應用矛盾矩陣，可用3號、35號、40號和39號創新原理來解決這個技術矛盾。選取35號原理得到矛盾方案3：提高鋼水溫度，可以相應降低黏度。選取40號創新原理得到矛盾方案4：選用復合材料造渣劑，以降低黏度。

3.3.3.3 工作層受侵蝕：改進的方法是把工作層分成幾層，每層選取不同材質的耐火材料，與鋼水接觸的那一層使用復合材料。改善的參數是強度，惡化的參數是靜止物體的重量。應用矛盾矩陣，可用40號、26號、27號和1號創新原理來解決這個技術矛盾。選取40號和27號創新原理得到矛盾方案5：將工作層分成幾層，采用復合材料，與鋼水接觸的部分采用抗熱、耐蝕性最強的復合材料。

3.3.3.4 鋼種對工作層的侵蝕作用：改進的方法是一個周期內生產同一品種的鋼。改善的參數是靜止物體的重量，惡化的參數是適應性、通用性。應用矛盾矩陣，可用19號、15號和29號創新原理來解決。選取19號和15號原理得到矛盾方案6：周期性的冶煉相同鋼種，鋼種不同時，更換材質不同的出鋼口。

3.3.3.5 鋼水從出鋼口流出時對工作層的侵蝕作用：此時改善的參數是速度，惡化的參數是物質損失。應用矛盾矩陣，可用10號、13號、28號和38號創新原理解決這個矛盾。選取10號和13號創新原理，得到矛盾方案7：可在鋼水通過出鋼口工作層前，預先在工作層添加一層保護層；出鋼口的工作層使用透氣耐火材料，出鋼時可通少量惰性氣體，在工作層與鋼液間形成氣膜，減緩鋼水的沖刷。

3.3.4 知識庫分析

傳統的科學效應庫提供了100多條科學效應，隨著時代的發展，以計算機軟件為平臺的科學效應庫升華為知識效應庫，不僅提供科學效應查詢，而且還包括更多的專利技術查詢。Pro/ Innovator軟件采用統一的功能性描述和查詢方式，可以快速得出針對問題的相關方案，以克服人的思維慣性，拓寬知識面，并最終得到解決問題的方案。

3.3.4.1 從《不發生實際粘合的細粒耐火材料層保護漏斗中的永久耐火磚襯里》耐火材料內襯結構上獲得到啟發，獲得知識庫方案1：建議在工作層上涂一層不發生實際粘合的細料耐火材料涂層。

3.3.4.2 從《移動式頂吹噴槍在轉爐耐火材料上提供均勻的熔渣分布》結構動作原理上獲得到啟發，獲得知識庫方案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》中的結構動作原理上獲得到啟發。獲得知識庫方案3：在工作層中制造凹凸不平以達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，凸起部分會形成一層薄氣體，鋼液在這個氣膜上滑過，可減少摩擦。

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

3.3.4.5 依靠查詢知識庫，從《多孔結構降低蝸輪葉片保護涂層的熱傳導能力》中的結構動作原理上獲得到啟發，獲得知識庫方案4：多孔結構降低工作層的熱傳導能力，工作層使用多層保護涂層，其中包括一層多孔陶瓷層以降低熱傳導性，這樣可以降低工作層的溫度，減緩熱侵蝕。

3.3.5 物質-場分析

圖3 物-場模型

圖4 評價模型和權重

圖5 備選方案的評價結果

物質-場分析法是一種使用符號表達技術系統變換的建模技術，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內的問題，旨在用符號語言描述系統構成要素以及構成要素之間的相互聯系。任何一個完整的系統功能都可用一個完整的物-場三角形進行模型化，這個模型具備三個必要元素：兩種物質和一個場。為了規范模型的表示，常把物質排在一行，用S1表示產品，S2表示工具，F表示場。

轉爐出鋼時，出鋼口要承受高溫鋼水、爐渣的摩擦沖刷和氧化侵蝕，導致出鋼口壽命很低，需要不斷地修補和更換。因此問題部位為出鋼口的工作層侵蝕，構建物-場模型如圖3所示。應用標準解物場模型的破壞，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構，出鋼口與鋼水最先接觸的部分設計成擋板型結構，減小鋼水渦流對工作層局部的沖刷。

3.4 方案選擇

運用TRIZ理論的工具對項目進行解題分析后，得到了很多方案，為了選擇最終方案，需要建議方案評價模型，對備選方案進行評價。圖4是評價模型和評價權重，圖5顯示了備選方案的評價結果。從方案評價中可以得出，優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

TRIZ理論通過一系列系統化解決問題的流程，幫助設計和研發人員得到最有效的解決方案，對解決工程實際問題有重要的指導意義。

通過系統分析如何提高轉爐出鋼口壽命，熟悉TRIZ理論解決問題的流程，學會應用問題分析工具和求解工具，確定了最優方案。雖然應用對象較簡單，但卻有針對性地分析和解決了工程實際問題，充分說明TRIZ應用的有效性和廣泛性。

[1]翟衛江，戴文彬.提高30T轉爐出鋼口壽命生產實踐[J].南鋼科技與管理，2007（4）：19-21

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

[3]王強，李會林，白素宏.石鋼轉爐出鋼口改造實踐[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。

青海省科技基礎條件平臺建設計劃（2012-T-Y22）。

曹海蓮（1985-），女，講師，教師，碩士研究生，研究方向：鋼鐵冶金領域。