基于TRIZ理論的焦炭反應性檢測裝置優(yōu)化設計*

徐曉麗，蘇艷芳，賈佳鑫，孫圓圓，趙振寧

(遼寧科技大學化學工程學院，遼寧 鞍山 114000)

焦炭是高爐進行煉鐵的重要原材料，其主要成分是固定碳，它的功能除了燃燒去提供熱源，還會和二氧化碳生成一氧化碳，而生成的一氧化碳則會把鐵礦石還原成鐵；另外還充當著滲炭劑和骨架支撐的角色。高爐生產(chǎn)焦炭反應性是指焦炭在高爐內與CO2氣體的反應能力。在過去的研究表明，焦炭反應性與焦炭反應后強度一般具有反比的關系[1]。焦炭反應性過高會降低焦炭強度，產(chǎn)生更多的碎焦和焦粉，使高爐透氣性惡化，影響高爐的平穩(wěn)運行。所以測定焦炭反應性對高爐煉鐵使很重要的一步。因為傳統(tǒng)的焦炭反應性檢測器需要大量的時間去冷卻反應管和爐體，所以會產(chǎn)生檢測效率低下的問題；另外反應管內部的焦樣與二氧化碳反應程度不均勻會帶來檢測結果不準確的問題。TRIZ理論是一種解決發(fā)明創(chuàng)造過程中矛盾問題，實現(xiàn)對產(chǎn)品創(chuàng)新的方法[2]。應用TRIZ理論對焦炭反應性檢測裝置所存在的問題進行分析，并且把TRIZ理論解決問題的方法運用到其創(chuàng)新和解決問題的過程中，這對于焦炭反應性的測定還有TRIZ理論的實際應用都有著積極的意義。

1 TRIZ理論

1.1 TRIZ理論與Altshuller

TRIZ理論是基于知識的、面向人類的解決發(fā)明問題的系統(tǒng)方法學，由前蘇聯(lián)社會科學家Altshuller在1946年提出的。他發(fā)現(xiàn)任何一個領域無論是產(chǎn)品的改進、還是技術的變革、創(chuàng)新和發(fā)展都和生物系統(tǒng)一樣，有著產(chǎn)生、生長、成熟、衰老、滅亡，是有規(guī)律可循的。如果人們能掌握這些規(guī)律，他們可以能動地推測行業(yè)的未來趨勢。他和他的團隊用數(shù)十年去分析了全世界大約二百五十萬份專利后，總結出了一套解決技術問題的的系統(tǒng)方法。

1.2 TRIZ理論主要內容

現(xiàn)代Triz理論其主要包括創(chuàng)新思維方法和問題分析方法、技術系統(tǒng)進化法則、技術矛盾解決原理、創(chuàng)新問題標準解法、發(fā)明問題解決算法ARIZ、知識庫等六個部分。在預測完市場后，通過TRIZ理論中的分析工具對其中存在的問題進行分析，之后通過基于知識的工具的到相應的解決方案。

TRIZ理論除了能幫助人們快速和準確地找到核心問題，還能提供了系統(tǒng)分析且具有可操作性的分析工具(如39個通用工程參數(shù)等)和直接的或可資參考和借鑒的豐富便利的方案來源(如40條發(fā)明原理等)。這樣可以大大提高發(fā)明者問題解決速率，另外還可以給發(fā)明者指明一個可以行進的方向[3]。

圖1 運用TRIZ解決問題步驟Fig.1 steps of using TRIZ to solve problems

2 TRIZ理論在焦炭反應性檢測裝置的應用

2.1 焦炭反應性測定裝置問題的分析

焦炭反應性的測定，是將一定質量的焦炭樣品放入反應器中，在1100 ℃下與二氧化碳反應2 h，待冷卻后，取出焦樣，對其進行稱量，以焦炭質量損失百分比表示焦炭的反應性(Cr1%)[4]。在焦炭反應性檢測裝置工作的過程中，當焦樣與二氧化碳反應后，爐體及反應管的溫度很高，此時我們無法打開反應管獲取焦樣，從而無法進行后續(xù)的操作。在常溫下，爐體和反應管需要耗費大量的時間去冷卻，便因此產(chǎn)生了檢測效率低下的問題。另外，由于焦樣和二氧化碳的接觸程度不同，所以會產(chǎn)生各焦樣反應程度不均一和不充分的現(xiàn)象，從而對實驗結果產(chǎn)生了偏差。在現(xiàn)有焦炭反應性檢測裝置中提到了使用升降裝置來對反應管進行拿取[5-6]，對比傳統(tǒng)老式的檢測裝置是起到平穩(wěn)拿取反應管的作用，但是其結構復雜且并未解決反應管內部焦樣與二氧化碳反應程度不均一及冷卻時間過長的問題。

2.2 技術沖突的確定

針對上述問題的解決方案：(1)減少爐體與反應管的接觸面積，同時增大反應與空氣的接觸面積，這回使的爐體的結構變得復雜，從而構成了“減小爐體和焦樣產(chǎn)生的有害因素”和“裝置的復雜性的增加”的技術沖突，將其分別變?yōu)門RIZ理論的39各工程參數(shù)中的31號(即物體產(chǎn)生的有害因素)和36號(即系統(tǒng)的復雜性)。(2)內部試樣可以進行運動，使焦樣可以均勻接觸二氧化碳，這會使得所測的數(shù)據(jù)更加可靠，但同時運動需要外加的能量來支持，這邊構成了“數(shù)據(jù)可靠性的提高”和“能量損失”的矛盾沖突，兩者分別為TRIZ理論39個工程參數(shù)中的27號(即可靠性)和22號(即能量損失)。

2.3 發(fā)明原理的確定

確定了待改善參數(shù)和惡化參數(shù)后，通過查詢TRIZ理論提供的矛盾矩陣，我們可以得到相對應的解決原理，這些原理是這個矛盾的可能解。經(jīng)查找后得到三條可應用的發(fā)明原理，分別是第1，11和31條，如表1所示。

表1 發(fā)明原理及其解釋Table 1 Principle of invention and its interpretation

2.4 焦炭反應性檢測裝置的構思方案

結合焦炭反應性檢測儀器所出現(xiàn)的問題和所得到的發(fā)明原理我們得到下述解決方案：利用第一條發(fā)明原理，將爐體進行分割，讓其有一部分不與反應管接觸，而另外接觸的部分可以對反應管進行加熱，這會使得爐體內部形成一個空腔(可供空氣流通)，同時添加鼓風機加速空氣的流動從而使得冷卻的時間變短；根據(jù)第二條發(fā)明原理，在反應管頂部安裝一個振蕩器，預先給反應管內的焦樣一個微小的振動，這可以使得在檢測過程中焦樣可以和二氧化碳有均勻充分的接觸；最后通過第三條發(fā)明原理，在反應管底部使用空氣分布器，使二氧化碳分布的更加均勻。結合以上的分析設計以下焦炭反應裝置結構及其作用，如圖2和圖3所示。在焦樣和二氧化碳發(fā)生反應時，我們使二氧化碳氣體從氣體分布器13進入，同時打開振蕩器7使得焦樣可以與二氧化碳得到均勻的接觸，從而提高檢測結果的準確性；在反應結束后，我們打開鼓風機1向爐體4內的空腔輸入氣體，讓空氣帶走爐體4和反應管的熱量，從而達到了減少冷卻時間和提高檢測效率的目的。

圖2 焦炭反應性檢測儀示意圖Fig.2 Schematic diagram of coke reactivity detector

3 結 語

針對焦炭反應性檢測裝置所存在的問題，通過運用TRIZ理論對其進行分析，發(fā)現(xiàn)要優(yōu)化它所存在的技術矛盾，最后利用創(chuàng)新原理得到一些合理的解決方案，給焦炭反應性檢測裝置提供來一些優(yōu)化思路，這也是對解決傳統(tǒng)的焦炭反應裝置檢測效率低和檢測結果不準確的情況提供一種可以參考的方案。