TRIZ理論在改善引流砂對鋼液危害中的應用

曹 磊 石永亮 馬保振 黃偉青 韓立浩

河北工業(yè)職業(yè)技術學院 材料工程系 河北石家莊 050091

鋼包內(nèi)傳統(tǒng)的高熔點氧化物固體引流砂含有Cr2O3、SiO2、Fe2O3、Al2O3等成分，一旦進入中間包，便會增加鋼液中夾雜物的含量，最終影響產(chǎn)品的質(zhì)量［1－7］。

為了減少常規(guī)引流方法對鋼液的污染，有些鋼鐵企業(yè)采取如下措施：大包滑板打開，引流砂下落，人工用接砂盤在長水口下部接住引流砂；當鋼液流入長水口后，移開接砂盤。但這種方式需要人工判斷引流砂何時接完，鋼液是否流入長水口，判斷難度大，控制難度也大。本工作中將采用TRIZ理論對連鑄引流方法設計進行討論，以期獲得更優(yōu)的設計方案。

1 TRIZ理論

TRIZ理論［8］認為產(chǎn)品創(chuàng)新的核心是解決設計中的沖突或矛盾，從而提出39個通用技術參數(shù)。在問題解決過程中，利用該設計方法把實際工程設計中的沖突或矛盾轉化為TRIZ理論中的通用化參數(shù)。同時利用TRIZ理論中的矛盾沖突矩陣表得出對應的發(fā)明解決原理，結合實際問題，選擇符合產(chǎn)品設計的發(fā)明原理，得出最佳產(chǎn)品設計方案。其解決問題的一般流程［9－11］為具體問題、TRIZ問題、TRIZ的理論與工具、TRIZ的通用解和具體問題的解。

2 發(fā)明問題初始形勢分析和系統(tǒng)分析

2．1 發(fā)明問題初始形勢分析

本問題所處的技術系統(tǒng)是連鑄鋼包開澆過程中的引流系統(tǒng)，該技術系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是實現(xiàn)對鋼水的引流，確保鋼包內(nèi)鋼水可以順利流入中間包。

現(xiàn)有連鑄鋼包開澆過程中的鋼水引流系統(tǒng)存在的主要問題是：引流砂從鋼包內(nèi)經(jīng)過鋼包下水口與連鑄長水口后進入中間包內(nèi)接觸鋼液，對鋼水造成污染。污染源包括引流砂中的FeO和其他氧化物。

2．2 系統(tǒng)分析

（1）功能分析。建立已有系統(tǒng)的功能模型（見圖1）。

圖1 功能模型示意圖

（2）因果分析。應用因果鏈分析法確定產(chǎn)生問題的關鍵原因，如圖2所示。

圖2 因果鏈分析圖

（3）沖突區(qū)域確定。根據(jù)所建立的功能模型及因果鏈分析法分析，本工作中擬聚焦引流砂對鋼液的污染這一關鍵問題，并采用物理沖突、物質(zhì)－場模型和76個標準解以及裁剪等TRIZ工具進行分析求解。

3 利用TRIZ工具求解

3．1 物質(zhì)－場模型求解

建立問題的物質(zhì)－場模型如圖3所示。根據(jù)所建問題的物質(zhì)－場模型，應用標準解解決流程，得到標準解為No．1．2．2、No．1．2．4。

圖3 物質(zhì)－場模型

No．1．2．2標準解為：系統(tǒng)中同時存在有用作用（引流砂具有引流鋼液作用）和有害作用（引流砂污染鋼液），通過改變S2來消除有害作用。依據(jù)No．1．2．2標準解得到問題的解如下。

方案1：使用低熔點、高密度液體金屬引流劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氧化物引流劑。鋼包水口內(nèi)的溫度一般約為900℃。可以尋找熔點低于900℃且密度大于鋼液密度的金屬及其合金為引流劑，比如鉛鉍合金、鉛銻合金等。由于引流劑的熔點低于其存在的環(huán)境溫度900℃，會以液體金屬的狀態(tài)存在，同時由于其密度高于鋼液密度，會沉積在鋼液下部的鋼包水口內(nèi)。當需要開澆時，打開滑板，液體金屬引流劑通過鋼包下水口和長水口進入中間包。雖然液體引流砂進入了鋼液，但是由于其量較少（含量低于0．05%（w）），進入鋼液后可以作為鋼液中的殘余元素存在，不會對鋼液造成影響，也不會對生產(chǎn)的鋼種性能產(chǎn)生影響。

改進后的物質(zhì)－場模型如圖4所示。

圖4 改進后物質(zhì)－場模型

No．1．2．4標準解為：系統(tǒng)中同時存在有用和有害作用，用場F2來抵消有害作用。依據(jù)No．1．2．4標準解得到問題的解如下。

方案2：增加引流砂抽吸裝置，將未進入鋼液的引流砂抽離系統(tǒng)。改進后的物質(zhì)－場模型如圖5所示。

圖5 增加引流砂抽吸裝置后的物質(zhì)－場模型

3．2 物理沖突求解

沖突描述：連鑄鋼包開澆時，既需要引流砂來引流，又不需要引流砂以避免鋼液的污染，存在物理沖突。

當引流砂在鋼包水口內(nèi)時，可以起到有用的作用，避免鋼液在水口內(nèi)凝固導致鋼液無法引流；而當引流砂進入中間包后，對鋼液會產(chǎn)生有害作用，污染鋼液。由于引流砂在不同的“空間”上具有不同的特性，因此該沖突可以從“空間”上進行分離。

查找與該分離原理對應的發(fā)明原理有No．1、

No．2、No．3、No．4、No．7、No．13、No．17、No．24、No．26、No．30。對發(fā)明原理進行分析研究，認為No．1、No．2、No．3對于解決問題具有重要的啟發(fā)意義。依據(jù)No．1分割、No．2抽取、No．3局部質(zhì)量發(fā)明原理，得到解如下。

方案3：根據(jù)發(fā)明原理No．1分割原理設想，將長水口設計成可組合的（易于拆卸和組裝）。結合發(fā)明原理No．3局部質(zhì)量原理使物體的不同部分實現(xiàn)不同的功能，將長水口出口設計成組合式，底部用于截流引流砂，側壁用于鋼液通過。借鑒發(fā)明原理No．2抽取原理，將“負面”部分（污染鋼液的引流砂）抽取出來，進入長水口底端存留。具體設計示意圖見圖6。

圖6 方案3示意圖

3．3 裁剪工具求解

針對功能模型中引流砂對鋼液污染的有害作用，應用第2條裁剪規(guī)則將功能載體實現(xiàn)的功能由功能對象自己來實現(xiàn)。即：將引流砂裁剪掉，引流砂在系統(tǒng)中引流的功能作用由鋼液本身來完成。將引流砂裁剪后，產(chǎn)生了新的問題：鋼包上水口內(nèi)鋼液容易凝固，導致鋼液無法自動引流。

功能分析：對裁剪后功能模型進行功能分析，示意圖如圖7所示。

圖7 裁剪后功能模型示意圖

因果分析：應用基于5WHY的魚骨圖分析法確定產(chǎn)生問題的關鍵原因，如圖8所示，分析確定產(chǎn)生問題的關鍵原因是滑板厚度薄。

圖8 應用基于5WHY的魚骨圖

沖突區(qū)域確定：問題關鍵點是滑板厚度。

以“滑板厚度”為關鍵點解決問題進行求解，采用TRIZ工具是技術沖突解，具體求解決過程如下：

①沖突描述：增加滑板的厚度或者采用多層滑板減少了滑板的導熱，但增加了滑板結構的穩(wěn)定性。②轉換成TRIZ標準沖突。改善的參數(shù)：No．22能量損失；惡化的參數(shù)：No．13結構的穩(wěn)定性。③查找沖突矩陣，得到發(fā)明原理為No．14、No．2、No．39、No．6。

依據(jù)No．39發(fā)明原理第1條用惰性氣體代替通常環(huán)境，得到方案4：將滑板內(nèi)部做成中空，增加滑板的隔熱效果，示意圖如圖9所示。依據(jù)No．39發(fā)明原理第2條：在真空中完成。由此可以得到方案5：將滑板內(nèi)部做成真空，增加滑板的隔熱效果，示意圖如圖10所示。

圖9 方案4示意圖

圖10 方案5示意圖

4 全部技術方案及評價

全部技術方案及評價見表1。根據(jù)上述得到的5個方案，經(jīng)過綜合評價，確定最優(yōu)解為：創(chuàng)新方案1：將方案1、4、5組合，即利用低熔點高密度液體金屬引流砂代替?zhèn)鹘y(tǒng)固體引流砂，同時將鋼包滑板做成中空或真空形式，增加鋼包上水口內(nèi)液體金屬引流砂的保溫效果，避免凝固，確保良好的引流效果，如圖11所示；方案3：將長水口出口設計成組合式，底部用于截流引流砂，側壁用于鋼液通過，將“負面”部分（污染鋼液的引流砂）抽取出來，進入長水口底端存留，如圖6所示。方案3可以在引流砂完成其有用功能后，實現(xiàn)與鋼液的有效分離，避免污染鋼液。

圖11 創(chuàng)新方案1示意圖

表1 全部技術方案及評價

5 結語

以TRIZ理論為基礎，對連鑄鋼包澆注系統(tǒng)設計中所存在的問題進行分析，通過功能分析、因果鏈分析法確定引流砂即有引流作用又污染鋼液這一關鍵沖突，并充分應用了物質(zhì)－場模型、物理沖突及裁剪等TRIZ工具對連鑄澆注工藝設計進行了改進，產(chǎn)生了5種解決方案，經(jīng)過對方案的綜合評價，確定了2個方案。創(chuàng)新方案1將原方案1、4、5組合，即利用低熔點高密度液體金屬引流砂代替?zhèn)鹘y(tǒng)固體引流砂，同時將鋼包滑板做成中空或真空形式，增加鋼包上水口內(nèi)液體金屬引流砂的保溫效果，避免凝固，確保良好的引流效果；方案3將長水口出口設計成組合式，底部用于截流引流砂，側壁用于鋼液通過，將“負面”部分（污染鋼液的引流砂）抽取出來，進入長水口底端存留。此方案可以在引流砂完成其有用功能后，實現(xiàn)與鋼液的有效分離，避免污染鋼液。