基于QC和TRIZ解決浸入式水口原位梯度復合過程中的缺陷問題

魏昌晟　曹喜營　雷賢卿　閆廣周

摘 要：本文利用QC小組活動，結合TRIZ創新方法，分析了浸入式水口原位梯度復合過程中出現缺陷的問題，同時運用5M1E分析法、矛盾原理和物場分析法等工具，分析比較各創新理論得出的解。最終運用價值工程法確認改進的設計方案，快速準確地解決實際問題，證明多方法融合創新在實際工程設計中具有很強的實用性與適用性。

關鍵詞：QC;TRIZ;浸入式水口;5M1E;矛盾原理;物場分析法;價值工程理論

中圖分類號：TF341.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）20-0045-04

Solving Defects in In-situ Gradient Compounding Process of

Immersion Nozzle Based on QC and TRIZ

WEI Changsheng1，2，3 CAO Xiying1，2 LEI Xianqing3 YAN Guangzhou1，2

（1. Luoyang Refractory Materials Research Institute Co.， Ltd.， Sinosteel Group Corporation Limited，Luoyang Henan 471039;2. State Key Laboratory of Advanced Refractories，Luoyang Henan 471039;3. College of Mechanical and Electrical Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang Henan 471003）

Abstract： This paper analyzed the defects in the in-situ gradient compounding process of immersion nozzles by using QC group activities and TRIZ innovation methods， and used 5M1E analysis method， contradiction principle and object field analysis method to analyze and compare the solutions obtained by each innovation theory. Finally， the value engineering method was used to confirm the improved design scheme， and the practical problems were solved quickly and accurately， which proved that the multi-method fusion innovation had strong practicability and applicability in practical engineering design.

Keywords： QC;TRIZ;immersion nozzle;5M1E;contradiction principle;object field analysis method;value engineering theory

浸入式水口是連鑄工藝中最關鍵的功能耐火材料，與結晶器、保護渣并稱為連鑄工藝的三大關鍵輔助技術[1-3]。浸入式水口上接中間包、下連結晶器，是鋼水最后接觸的耐火材料。作用是將鋼水輸送到結晶器，并保護鋼水不發生二次氧化，防止氮溶入、渣混入和鋼水飛濺。

浸入式水口由多種含碳耐火材料在原位梯度復合構成，采用冷等靜壓工藝成型。其在原位梯度復合過程中極易產生缺陷，傳統單一的問題分析方法很難在短期內得出一個全面考慮的解決方案。為高效地得到理想的技術方案，人們就需要運用多方法融合創新，即將QC小組活動周密的全面問題分析與TRIZ理論的創新方法相結合，最終運用價值工程法確定獲得滿足需求的問題解決方案。

1 問題引出

浸入式水口采用結構、材料、功能一體化設計與制造，根據各功能材料結構、服役和失效特點，通過材料組成梯度化、結構復合化，同步提升材料關鍵服役性能，實現使用可靠性、服役壽命、服役功能的共同改善。如圖1所示，浸入式水口由三部分材料原位梯度復合構成，內腔為無碳內襯材料，外層為鋁碳本體材料和低碳鋯碳渣線材料。

如圖2所示，浸入式水口采用冷等靜壓工藝成型，模具分為包套、剛性模具和內襯加料套管3部分。原位梯度復合裝料過程中，內襯加料套管套裝在剛性模具外部，用于構成分離的坯料裝填空間，即包套與內襯加料套管間構成本體坯料空間，內襯加料套管與剛性模具間構成內襯坯料空間。在實際生產中，該過程極易產生缺陷問題。

2 問題分析

2.1 QC小組活動

通過現狀調查對存在問題的179支浸入式水口的缺陷因素進行統計分析，并根據統計結果繪制出排列圖（見圖3），確定內襯偏心是造成浸入式水口缺陷的主要癥結。浸入式水口內襯偏心情況如圖4所示。

為了更加明晰地認識主要癥結，繼續分層分析，對962支浸入式水口內襯偏心差值分布情況進行統計分析，統計結果如表1所示，并繪制出偏心差值分布情況餅圖，如圖5所示。

對不同內襯厚度樣品進行抗熱震試驗和耐侵蝕試驗，確定出浸入式水口內襯偏心差值的合理值應該不大于1mm。通過目標值測算，QC小組將活動目標定為浸入式水口內襯偏心不合格率降至1.84%，如圖6所示。

通過原因分析從5M1E分析法的6個方面，層層深入、由果溯因，確定原因分析因果圖，如圖7所示。

根據因果分析圖確定出10項末端因素，逐項對末端因素展開要因確認。最終確定技術要因1條，即內襯加料套管與模芯同軸偏差大。

2.2 TRIZ創新方法

內襯加料套管結構如圖8所示，套管內部和外部均設置有定位結構。根據TRIZ的矛盾原理，將QC小組活動中確定的技術問題轉化為通用問題模型，以提高內襯加料套管同軸定位的穩定性、可靠性，所以采用改善定位結構面積或數量的方法。但是，內襯加料套管抽離模具時會破壞材料界面，最終降低坯料原位梯度復合的穩定性、強度和可維修性。

技術矛盾是：改善的參數有穩定性（13）、可靠性（27）;惡化的參數有穩定性（13）、強度（14）、可維修性（34）。

根據矛盾矩陣，人們可以得到TRIZ建議使用的發明原理：17空間維數變化原理、9預先反作用原理、15動態特征原理、2抽取原理、35物理或化學參數改變原理、10預先作用原理、16未達到或過度的作用原理、11事先防范原理、28機械系統替代原理、3局部質量原理、25自服務原理和1分割原理。根據發明原理的啟發，人們可以得出以下創新技術方案，如表2所示。

通過物場分析法，根據浸入式水口原位梯度復合工藝過程，建立物質-場模型描述系統內的問題，手和內襯套管之間的作用是有用但不充分的相互作用（見圖9），進一步建立導致手的作用的不足的模型，即定位支撐與內襯套管、內襯套管與內襯坯料之間的作用都是有用但不充分的相互作用（見圖10）。

根據所建問題的物質-場模型，應用標準解解決流程，確定問題的通解7個，如表3所示。

歸納分析綜合矛盾原理和物場分析法，人們可以得出創新技術方案，綜合評估技術可行性，最終得出以下3個問題解決技術方案，如表5所示。

3 問題解決

根據上述可行技術方案，運用價值工程法測算成本系數和功能價值系數，最終依據價值系數確定出最優技術方案，如表6所示。

為了實施最優技術方案，本文設計了一個具有凸出3點且有一定高度的內定位元件，它可以安裝在剛性模具的頂部與內襯加料套管始終保持緊密的滑動配合，這樣就可以保證內襯加料套管在整個裝填料工藝作業過程中均與剛性模具保持同軸配合且不會對材料界面產生破壞，如圖11所示。方案實施效果經過QC小組最終確認，浸入式水口內襯偏心不合格率降至1.27%。

4 結語

QC小組活動針對企業的經營戰略、方針目標和現場存在的問題，以改進質量、降低消耗、提高人的素質和經濟效益為目的，運用質量管理的理論和方法開展創新改進活動。TRIZ理論則吸收了大量的克服思維定勢和心理障礙的傳統創新方法的精髓，并將它們納入邏輯程序，在發明問題分析和解決方案綜合的不同階段發揮作用。浸入式水口原位梯度復合過程中缺陷問題的解決，證實多方法融合創新針對技術問題能夠快速準確地得出新的解決方案，在解決實際工程問題的過程中具有很強的實用性與適用性。

參考文獻：

[1]李紅霞，楊傳福，王守業，等.耐火材料手冊[M].北京：冶金工業出版社，2007.

[2]吳云喜，王剛，陳獻偉，等.電網企業QC活動實操讀本[M].北京：中國電力出版社，2017.

[3]楊清亮.發明是這樣誕生的：TRIZ理論全接觸[M].北京：機械工業出版社，2010.