TRIZ 理論在提高板式異形坯結晶器本體冷卻系統穩定性中的應用

周 永 王碩煜 鄭志成 吳昊川 胡少華

（安徽馬鋼表面技術股份有限公司，安徽 馬鞍山243000）

TRIZ，即“發明問題解決理論”，也被稱為“萃智”或“萃思”。TRIZ 是由前蘇聯發明家、教育家G.S.Altshuller 和他的研究團隊，通過分析大量專利和創新案例總結出來的[1]。TRIZ 理論揭示了創造發明的內在規律和原理，通過分析解決系統中存在的矛盾，獲得最終理想解[2-3]。

馬鋼集團致力于學習應用及推廣TRIZ 已有近九年歷史，在實際中也解決了很多工程難題。本文闡述了利用TRIZ 理論解決馬鋼現有板式異形坯結晶器銅板在使用過程中偶有發生燒傷、燒損問題的過程和最佳方案的實施過程。

1 背景

結晶器是承接從中間罐注入的鋼水并使之按規定斷面形狀凝固成堅固坯殼的連續鑄鋼設備。它是連鑄機最關鍵的部件，其結構、材質和性能參數對鑄坯質量和鑄機生產能力起著決定性作用。為了保證連鑄坯的正常結晶，對結晶器內壁的冷卻效果就有很高的要求。

結晶器冷卻系統中所使用的冷卻水為軟水，不會因為其環境存在高溫而導致冷卻水結垢，進而導致結晶器冷卻系統堵塞的情況出現，對結晶器銅板的冷卻效果理論上應該是穩定的。但是在實際使用過程中，偶爾還會發生結晶器銅板過熱損傷，導致產線非正常停產，嚴重時導致連鑄坯結晶燒傷甚至漏鋼的問題。對生產安全和生產成本造成了很大的壓力。這一問題困擾馬鋼異形坯生產線多年，一直未找到理想的解決方案。

2 基于TRIZ 理論問題分析及方案生成

2.1 功能分析與裁剪

通過系統功能分析和組件分析確定系統的構成及其功能，并應用TRIZ 輔助軟件Pro-I Desktop v5 建立系統功能模型如圖1 所示。

圖1 系統功能分析

結晶器本體冷卻系統由水箱、銅板及其水箱和銅板內部形成的進水管路、進水槽、冷卻水通道、出水槽、出水管路構成。在系統功能分析的基礎上，通過對系統各組件進行理想度計算和診斷分析得出推薦的系統裁剪方案1：裁剪掉進、出水槽。在系統功能分析的基礎上進行流功能分析，發現系統內控制不足，得出方案2：在進、出水槽內增加壓力監測裝置。

2.2 因果分析

利用Pro-I Desktop v5 對初始問題“冷卻水流量不可控”進行因果分析，分析結果如圖2 所示。

由因果分析可知造成冷卻水流量不可控的關鍵原因是冷卻水通道因雜質堵塞，而冷卻水道中的雜質主要由冷卻水進水管路、進水槽和水箱與銅板結合面銹蝕脫落形成。根據系統因果分析得出方案3：在進水管路之后的位置增加冷卻水雜質過濾系統。

圖2 系統因果分析圖

2.3 矛盾分析

2.3.1 技術矛盾

從系統因果分析可以看出，水箱系統腐蝕生銹脫落是造成冷卻水道堵塞的主要原因，所以從更改進水管路材質為切入點應用技術矛盾解決問題。得到初步改進方案：將進水管路即水箱整體改為不銹鋼制作，優點：不銹鋼耐腐蝕，使用過程中不產生氧化物雜質，缺點：水箱強度降低，不能滿足使用要求。

利用矛盾原理確定系統需改善的參數是物體產生的有害因素，惡化的參數是系統的強度，查找矛盾矩陣，得到推薦的創新原理為No.15、No.35、No.22、No.2。運用創新原理，得到方案4：運用2 號原理“抽取原理”，將進水管路從水箱中抽取出來，形成獨立系統，避免因管路材質更改而影響水箱的整體強度。

2.3.2 物理矛盾

在上述技術矛盾中存在物理矛盾：既要材料強度低，耐腐蝕，因為可以避免產生雜質，又要材質強度高，不耐腐蝕，因為可以對銅板提供足夠的支撐強度。分析上述物理矛盾，得到系統的理想狀態，即在有水流通的地方能耐腐蝕，但不能降低整體的結構強度。查找分離原理和發明原理得到方案5：應用空間分離原理中的1 號原理“分割原理”和7 號原理“嵌套原理”，把水箱分割成通水部分和支撐部分兩個獨立的部分，用不銹鋼制作通水部分，合金鋼制作支撐部分，再將通水部分嵌入支撐部分，組合形成新的水箱。

2.4 物場分析

針對進水管路中產生雜質進入系統，造成系統堵塞問題，應用“標準解系統”中的S1.2.2，引入系統中現有物質的變異物，來消除進水管路和冷卻水間的有害作用，建立物場模型如圖3（a）所示。得到方案6：使用不銹鋼材料制作進水管路，消除冷卻水對進水管路的腐蝕，使其在使用過程中不產生雜質。

針對水箱與銅板結合面因腐蝕而產生脫落，進入系統造成堵塞問題，應用“標準解系統”中的S1.2.1，在水箱與銅板結合面之間引入外部現有的物質，以避免水箱與銅板結合面之間的直接接觸來消除他么之間的有害作用，建立物場模型如圖3（b）所示。得到方案7：在結晶器水箱與結晶器銅板連接面增加耐腐蝕層，防止水箱在使用過程中產生腐蝕。

2.5 方案評價

根據TRIZ 理論，結合企業實際的創新能力水平，提出以下4 個評價指標：提升生產效率、降低單位成本、實施時間、實施成本。對每一個評價指標設定一個參數權重，建立評價模型[4]。

圖3 物場模型

將上述7 種方案對應的評價模型參數數值輸入Pro-I Desktop v5 評價系統進行計算，獲得7 種設計方案的評價結果。從方案評價結果可以得出優選方案：方案5、6、7、4。根據上述分析，將這四個方案進行組合得到最優設計方案：將原水箱上形成進水管路、進水槽的部分從水箱上進行分割，變成相互連接的兩個部分，使用不銹鋼材料制作冷卻水管路和水槽部分，使用合金結構鋼制作支撐框架部分，并在水箱與結晶器銅板接觸面增加耐腐蝕涂層。

3 結論

本文以TRIZ 理論為基礎，通過應用TRIZ 方法和工具對結晶器本體冷卻系統進行分析，針對現有結晶器冷卻系統穩定性存在的問題，提出了7 種創新方案，并利用TRIZ 輔助軟件Pro-I Desktop v5 對7 種方案進行了評價，根據方案評價結果確定了一種最優設計方案。

綜上所述，基于TRIZ 理論的結晶器本體冷卻系統優化設計方案是可行的，將TRIZ 理論應用到板式異形坯結晶器本體冷卻系統的優化設計中，可消除因冷卻水道銹蝕原因堵塞結晶器銅板細小水孔導致的銅板燒毀現象，提高了板式異形坯結晶器本體冷卻系統的穩定性。