基于TRIZ理論的環保底濾法高爐爐渣處理系統創新設計

婁娟娟，王得剛

（中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176）

高爐煉鐵會得到主產品——鐵水，還會產生副產品——高溫液態熔渣，目前普遍采用水沖渣工藝對熔渣進行粒化處理。水沖渣工藝根據渣水分離方式的不同，大致可歸為沉淀過濾和機械過濾兩種。水沖渣工藝的主要流程如圖1所示。

圖1 水沖渣工藝的主要流程

傳統底濾法爐渣的沖制與淬化在沖渣溝內完成，利用過濾池進行渣水分離，存在下列缺陷：

（1）沖渣溝沖渣易爆炸，安全性差。

（2）蒸汽排放量大，環境差。

（3）過濾池占地面積大。

（4）帶水抓渣，水渣外運時有渣水溢撒，環境影響惡劣。

隨著機械化和自動化的發展，包括轉鼓法在內的一系列機械過濾沖渣工藝在高爐上得到應用。其主要缺點包括：

（1）工藝設備復雜，一次性投資及運營維護成本高。

（2）作業率較低、故障率較高。

（3）渣水分離效果差。

（4）蒸汽排放量大，環境差。

傳統底濾法和機械過濾法對高爐爐渣進行渣水分離處理，普遍存在安全性較差、含硫蒸汽排放量大環境差、占地面積大、渣水分離效果差等主要問題。隨著我國環保形勢越來越嚴峻，以及用戶對安全、成本重視程度的不斷提高，為了滿足市場需求，有必要研發一種新型高爐爐渣處理系統。

1 TRIZ理論概述

TRIZ是“發明問題解決理論”的俄文簡稱，前蘇聯人Altshuller分析數以萬計的專利（后來擴展到250萬份），提出專利中解決的問題只涉及到39個技術參數之間的矛盾，可應用40個發明原理中的若干項來解決。

利用TRIZ理論解決問題時，設計者首先將待解決的沖突和問題表達成為TRIZ問題，然后利用TRIZ中的工具，如發明原理、標準解等，求出該TRIZ問題的普適解或稱模擬解；最后再把該解轉化為技術領域內的解或特解，從而達到技術系統的進化。

2 解決方案

解決問題的總體思路：針對國內外高爐爐渣處理方法普遍存在的問題，在傳統底濾法基礎上進行創新，利用TRIZ理論，通過封閉的粒化池解決安全問題，設置蒸汽冷凝噴淋裝置解決含硫蒸汽排放量大的環保問題，優化過濾池的濾料粒級分布、提高過濾效率解決占地面積問題，研究新工藝解決渣水分離效果差、水渣外運時的渣水溢撒問題；設置擺動渣溝，控制水渣流向。通過一系列的創新設計，形成全新的環保底濾高爐渣處理系統。

環保底濾高爐爐渣處理系統工藝流程如圖2所示，該系統針對傳統爐渣處理方法普遍存在的問題，將粒化塔與過濾池相結合，采用封閉式粒化池及蒸汽噴淋冷卻系統，將過濾池、冷卻塔、循環泵組結合起來，采用全新的操作工藝，實現無水抓渣。

環保底濾法高爐爐渣處理系統的主要科技創新如下：

2.1 設置安全封閉的粒化池，確保安全沖渣

圖2 環保底濾法高爐爐渣處理系統工藝流程

根據TRIZ創新方法理論，運用預先作用原理和預先防范原理（TRIZ發明原理10、11），將熔渣粒化放置在相對封閉的粒化池內，在池內有一定高度的保護水位，入口處設置防護罩，從一定程度上消除了傳統沖渣溝頭意外爆炸產生的安全隱患；渣水混合物從粒化池下方流出，溢流水從上方的溢流口流出。與傳統底濾法的沖渣溝相比，環保底濾高爐爐渣處理系統確保了沖渣安全。

圖3 熔渣粒化-粒化池示意圖

如圖3所示，熔渣在粒化池內進行粒化，粒化池內有保護水位，可以確保沖渣安全；同時，粒化池工藝較沖渣溝工藝系統循環水量減小，節省系統運營成本約30%；且系統產生的蒸汽能夠集中高空排放，為爐前清潔生產提供保障。

2.2 設置蒸汽冷凝噴淋裝置，實現環保沖渣

根據TRIZ創新方法理論，運用預先防范原理和變害為利原理（TRIZ發明原理11、22），如圖4所示在粒化池上部設置高空煙囪，煙囪內設置蒸汽冷凝噴淋裝置，利用沖渣補充水對蒸汽進行噴淋冷凝。實現蒸汽有組織高空排放的同時減少含硫蒸汽排放量15%，進而減少沖渣水消耗量。

2.3 優化過濾池濾料粒級分布，減小過濾池面積

底濾法工藝的特點在于利用過濾層實現渣水的自然分離，過濾池過濾模型如圖5所示；采用過濾池進行渣水分離工藝，以粒狀濾料層截留水中懸浮物，通過多孔介質過濾層的水經過濾管匯集到過濾主管，水中懸浮物含量＜30mg/L。

圖4 粒化池上方設置蒸汽冷凝噴淋裝置

圖5 渣水分離-過濾池過濾模型

根據TRIZ創新方法理論，運用非對稱原理和組合原理（TRIZ發明原理4、5），中冶京誠通過試驗研究，優化過濾池濾料粒級分布及過濾管結構，提高過濾速度，減少過濾池數量，節省了占地面積，該系統過濾效果好，沖渣水可以不經過處理，直接進行換熱采暖。環保底濾高爐爐渣處理系統得到的沖渣水情況如圖6所示。

圖6 環保底濾高爐爐渣處理系統得到的沖渣水

2.4 采用全新的操作工藝，實現無水抓渣

根據TRIZ創新方法理論，運用分割原理和周期性作業原理（TRIZ發明原理1、19），采用鏈斗機構取渣裝置，將過濾后的干渣抓取到機上皮帶機上。運用中介物原理和預先作用原理（TRIZ發明原理24、10），使機上皮帶機隨鏈斗機構一起移動，通過預先設定的自動控制系統達到無死角抓渣作業，并運送到旁邊的干渣運輸皮帶上。

2.5 設置擺動渣溝，控制水渣流向

環保底濾系統包括2個過濾池和分別與之對應的水渣溝閥門，2個過濾池輪換使用。水渣溝閥門（圖7）的密封面長期使用后易產生磨損，造成閥門不嚴、漏水的問題。

圖7 水渣溝閥門結構三維圖

根據TRIZ創新方法理論，運用分割原理、多用性原理、動態化原理、中介物原理、氣壓與液壓結構原理（TRIZ 發明原理 1、6、15、24、29），研發全新的設備——擺動渣溝。

新研發的擺動渣溝（如圖8所示）利用底部液壓桿的伸縮帶動槽體做以軸承為圓心的扇形范圍轉動，從而控制水渣流向不同的過濾池。

圖8 擺動渣溝

新設備克服了水渣溝閥門長期使用后產生磨損，造成閥門不嚴、漏水的問題，避免工作人員進入過濾池中進行檢修時被高溫沖渣水燙傷的危險，減少了安全隱患。

3 實施效果

環保底濾高爐爐渣處理系統2009年首次應用于江陰興澄特鋼，興澄特鋼工作人員在2016年全國高爐煉鐵學術年會上介紹了該系統在興澄特鋼的實施效果。環保底濾法水渣工藝在興澄3200 m3高爐穩定運行7年，具有明顯節水和減少蒸汽污染的效果。該系統投產7年僅更換過1次過濾1層的少量濾料，低運行成本和低維護作業受到用戶的一致好評。

4 推廣應用情況

環保底濾高爐爐渣處理技術已經申報5項發明專利和6項實用新型專利，其中3項發明專利和6項實用新型專利獲得授權，另有2項發明專利處于實審階段。

環保底濾高爐爐渣處理系統自2007年開始研發以來，為不斷完善技術工藝、提升產品性能、獲得市場競爭優勢，中冶京誠陸續進行了水渣溝閥門裝置、水渣自動取渣裝置、組合式回轉支承裝置、擺動渣溝、全自動取渣系統等多項相關技術的研發，形成了整套的環保底濾高爐爐渣處理系統。

5 結 語

通過TRIZ創新原理的分析，該產品解決了國內外高爐爐渣處理方法普遍存在的多項關鍵技術難題，打破了機械法在大高爐領域的壟斷地位，提供了環境友好、生產安全、節能環保的高爐爐渣處理產品。