基于TRIZ理論的帶罐打水渣處理裝置的創新設計

韓長儀，戴年建

（中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176）

在冶金領域中，鋼渣處理的目的是改善鋼渣穩定性、回收金屬、實現資源化再利用以及減少環境污染。大量鋼渣被廢棄形成渣山，嚴重威脅著環境生態和安全，也影響著鋼鐵企業的生存和發展。高效、清潔的渣處理工藝設備對促進渣處理技術的進步和鋼鐵工業的發展具有重大的意義[1-2]。

對于脫硫渣處理來講，常見的有帶罐打水、熱潑處理和熱態直接利用等處理方法。其中帶罐打水處理工藝具有投資低、污染少、處理時間短和尾渣穩定等優點而被廣泛應用[3-4]。

目前，國內有直接注水進行渣處理的情況，未設置煙氣收集，雖然設備簡單，造價成本低，但是進行渣處理時，大量的灰塵和煙氣直接外溢到車間內，使得操作條件惡化，環境受到污染。有些鋼廠也有設置傾翻式、移動式煙氣收集裝置的渣處理設備。其中傾翻式是利用液壓結構或者電機將煙罩傾翻，但只能實現單工位使用，而且造價成品高，占用空間大。移動式是利用電機將煙罩移開，可以實現單雙工位使用，但是也存在設備結構復雜、占用面積大和擺放渣罐困難等缺點。

隨著國際對環境生態越來越重視，鋼鐵企業增添渣處理設備的需求也越來越多。綜合考慮安全性、投資成本和空間等因素，選用新式渣處理設備極有必要。

本文提出一種雙工位旋轉式帶罐打水渣處理裝置，介紹了其結構組成、功能和設計特點，創新設計應用了系統完備性法則、因果分析、功能分析、最終理想解和發明原理多個TRIZ理論方法。本裝置通過電機驅動打水煙罩在兩個工作位之間旋轉切換，可實現對脫硫渣的噴水處理，以便回收再利用，同時設置有煙氣灰塵收集機構，改善現場條件，減少環境污染。本裝置具有自動控制、結構簡單、安全可靠、投資成本低、清潔環保、占用空間小等優點。

1 結構設計

帶罐打水裝置如圖1所示，主要包括底座、立柱、驅動裝配、T型支柱、煙氣管、打水煙罩、渣罐、開關和管線等，由PLC控制程序進行自動控制[5]。

圖1 雙工位旋轉式帶罐打水渣處理裝置立體圖

圖2為雙工位示意圖，通過電機驅動打水煙罩在兩個工作位之間旋轉切換。

圖2 帶罐打水渣處理裝置雙工位俯視示意圖

驅動裝配如下頁圖3所示，主要包括減速電機、小齒輪、回轉支承、電機防護罩、齒輪防護罩等零部件。

圖3 驅動裝配剖視圖

減速電機輸出軸垂直向上安裝固定于立柱上，小齒輪與回轉支承的外齒圈相嚙合，回轉支承下側內圈通過螺栓固定于立柱上，上側外圈通過螺栓與T型支柱連接。齒輪防護罩分為上下兩部分，下側固定不動，上側隨T型支柱轉動，對齒輪副進行防塵保護。

如圖4所示，T型支柱由鋼管和鋼板焊接成T型，下側通過螺栓與回轉支承的上側外圈齒輪固定，可一起轉動。T型支柱上側為圓形結構，其直徑小于煙氣管的內徑，與煙氣管同軸安裝且有間隙，可以相對旋轉。T型支柱橫側面設計了螺栓孔，用于固定打水煙罩。

圖4 T型支柱結構示意圖

如圖5所示，煙氣管由鋼管和鋼板焊接而成，分為兩節以便拆換。煙氣管下側與T型支柱同軸安裝且有間隙，上側與廠房車間的煙道連接固定。

圖5 煙氣管結構示意圖

煙氣管下側包括壓板和密封圈。壓板壓緊密封圈，密封圈貼在T型支柱上側的鋼管上，起到密封作用，同時也不影響旋轉功能。

打水煙罩如圖6所示，由矩形管、鋼管和鋼板焊接而成，煙氣可以從其內部通過T型支柱和煙氣管排到廠房車間的煙道中。打水煙罩通過螺栓固定于T型支柱側面上，其另一端罩子是圓形的，下面布置有打水管線，由1根管線分出6個噴水點，在圓周均勻布置，可向渣罐內噴水，有利于鋼渣均勻冷卻。

圖6 打水煙罩結構示意圖

開關裝配包括4個光電開關、2個開關固定板和1個感應板。光電開關通過開關固定板焊接固定在立柱的側面，感應板焊接固定在齒輪防護罩的上側部分，可隨其旋轉。感應板運行至光電開關上方時可發訊進而反饋位置，4個光電開關分別檢測2個渣罐的工作位和超行程位。

管線裝配如圖7所示，分為水管線裝配和潤滑管線裝配。

圖7 管線裝配結構示意圖

水管線裝配主要包括軟管、旋轉接頭和固定水管。固定水管固定在立柱側面，其一端與車間水源管線相連，另一端與旋轉接頭進水口相連。旋轉接頭的出水口端與軟管的低端連接，旋轉接頭兩端可以相對旋轉且密封，也固定于立柱側面，軟管高端與打水煙罩相連接。采用旋轉接頭是為了延長設備使用壽命，避免軟管因長期的拖拽而損壞。

將旋轉接頭設置在立柱內部與其同心安裝，可以實現360°旋轉，但同時會帶來安裝困難、加工成本高和難以維修等問題，故本次設計采用布置在立柱外側，既滿足了雙工位的要求，也避免了以上同軸安裝的缺點。

渣罐作為容器承接存放鋼渣，不屬于本裝置材料。另外，供水回路中設置電磁水閥和流量計，以便實現自動控制打水進行鋼渣處理。

2 工作流程

圖2中噴水煙罩是以位于1號工作位渣罐上方狀態切換為2號處理位工作為例，工作過程如下：

PLC控制程序啟動減速電機，通過小齒輪和回轉支承嚙合帶動T型支柱，進而驅動噴水煙罩旋轉至2號處理工作位，對應光電開關發訊控制電機停止。控制車間水源的電磁水閥通電后進行均勻噴水，并對脫硫渣進行冷卻處理，灰塵及煙氣先后通過噴水煙罩、T型支柱和煙氣管抽排到車間煙道中去。當從2號工作位運行至1號時，同理反向操作運行，從而實現2個工作處理位之間的自動切換及打水渣處理功能。

3 TRIZ理論方法應用

TRIZ意譯為發明問題解決理論，是指導創新活動的重要理論之一，它可以幫助設計者在方案設計階段迅速地產生一個具有創造性的新概念，實現產品的快速創新[6]。

此創新設計應用到了以下TRIZ理論方法：系統完備性法則、因果分析、功能分析、最終理想解和40個發明原理。

3.1 系統完備性法則

技術系統由多個組件或元素組成，為了實現特定的功能，系統必須具備最基本的要素，且各要素之間必須存在必要的聯系。本帶罐打水渣處理裝置在創新設計時按逆向考慮，首先確定產品功能，然后反向思考實現的傳動方式和能源等，對比分析優缺點確定方案。

應用系統完備性法則分析雙工位旋轉切換功能，分析各部件間的聯系，有助于準確地判斷系統組件是否能構成完整的技術系統，技術系統完備性圖如圖8所示。

圖8 系統完備性圖

3.2 魚骨圖因果分析

魚骨圖是較為常見且有效的查找原因的工具，它是由出現的問題出發，從人機料法環測6個維度去尋找原因。應用魚骨圖對帶罐打水渣處理裝置的現有缺點進行因果分析，分析結果如圖9所示。

圖9 因果分析魚骨圖

通過分析確定了帶罐打水渣處理裝置創新設計的功能方向，比如雙工位甚至多工位結構、否定傾翻形式、帶排煙裝置和全自動控制等。

3.3 功能分析

產品規劃時，系統的功能分析是通過技術系統抽象的“功能”角度來分析系統的，是產品功能原理設計的關鍵步驟和正確定義問題的前提。

通過功能分析，明確了本次產品設計的主要功能，功能分析表如表1所示。

表1 功能分析表

3.4 最終理想解

TRIZ理論中，在解決問題之初，運用理想化思維尋求最終理想解（IFR），保證問題解決過程中沿著此目標前進，從而避免了傳統方法中缺乏目標的弊端，提升了創新設計的效率，如下頁表2所示。

表2 最終理想解分析表

最終理想解有以下4個特點：保持了原系統的優點；消除了原系統的不足；沒有使系統變得更復雜；沒有引入新的缺陷。當確定了待設計產品或系統的最終理想解之后，可以用這4個特點檢查其有無不符合之處，并進行系統優化，以確定達到或接近最終理想解IFR為止。舉例思考如下頁表3所示。

表3 特點分析表

3.5 發明原理

Altshuller通過對大量專利進行了研究分析和總結，提煉出了TRIZ理論中最重要、具有普遍用途的40個發明原理。

發明原理“No.1分割”的一種含義是使物體分成容易組裝及拆卸的部分。根據此理論的提示，將打水煙罩由圓形截面改為多邊形截面，更容易焊接制造。

發明原理“No.2抽取”的一種含義是將物體中的負面部分或特性抽取出來。本裝置中回轉支承潤滑孔在內部，將潤滑點引至外側并集中，改善潤滑操作性。

發明原理“No.5組合”的含義是把相同的物體或完成類似操作的物體聯合起來，把時間上相同或類似的操作聯合起來。本裝置中打水管線和打水煙罩功能不同，但都要運動切換工位，將兩者組合設計在一起來簡化設備結構并實現功能。

發明原理“No.6多用性”的含義是使物體或物體的一部分實現多種功能。除去液壓缸驅動煙罩擺動和成本因素外，本裝置采用電機驅動回轉支承可實現打水煙罩360°正反向連續旋轉，進而可以實現2工位甚至更多工位工作的需求，使設備的適用范圍更廣。

4 結語

鋼渣的綜合利用不但可以消除環境污染，還能夠變廢為寶，創造巨大的經濟效益，是可持續發展的有效途徑，對國家和社會都具有十分重要的意義。

本文首先說明了帶罐打水裝置的結構組成和工作流程，然后介紹了TRIZ理論的具體應用。實踐證明，運用TRIZ理論，可大大加快創造發明的進程，而且能得到高質量的創新產品。

本創新設計的雙工位旋轉式帶罐打水渣處理裝置，由電機通過齒輪和回轉支承驅動打水煙罩在2個工位之間旋轉切換，根據需求向渣罐中進行均勻噴水，完成脫硫渣的冷卻處理，以便回收再利用；同時設置灰塵和煙氣收集機構，具有自動控制、結構簡單、安全可靠、投資成本低等優點，實現了節能環保。該設計具有創新性、可行性和實用性，可為各鋼鐵企業和科研單位的工藝改進和研發創新提供思路，并具有一定的參考價值。