TRIZ理论在提高转炉出钢口寿命解决方案中的应用
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[摘 要] 转炉出钢口的寿命对钢水质量及生产稳定性有重要影响，通过运用triz理论对如何提高转炉出钢口寿命进行分析，结合实例详细论述了TRIZ解决问题的基本步骤，并学会如何在实际工程问题中应用问题分析工具和问题求解工具。
[关键词] TRIZ；出钢口；寿命；矛盾矩阵；创新原理
[中图分类号] TF748 [文献标识码] A 文章编号：1671-0037（2014）01-8-2.5
1 引言
转炉出钢口是钢水由转炉进入钢包的唯一通道。出钢时，由于频繁承受高温钢水、高氧化性炉渣的摩擦冲刷和氧化侵蚀，加之急冷急热的作用，导致出钢口寿命很低，需要不断地修补和更换。转炉出钢口使用次数是转炉炼钢重要的技术指标之一，它不仅会影响生产周期，而且影响到钢水质量及生产稳定性[1]。
转炉常用挡渣法出钢，其中挡渣效果比较好的是挡渣塞法[2]。挡渣器设计为陀螺形装置，陀螺形部分悬浮于钢水与渣液界面上，当钢水流尽时，陀螺形部分适时堵住出钢口，从而防止渣液流入钢包。当出钢口使用到一定炉次后侵蚀严重，挡渣器无法完成挡渣功能，出现下渣，同时造成合金收得率低、耐火材料消耗多。因此，提高出钢口的寿命是目前迫切需要解决的问题。
国内钢铁厂通常从缩短浇钢时间，改变浇钢口材质，减缓钢水、炉渣的冲击几方面考虑，采取优化热换出钢口工艺，对出钢口结构及材质进行改造，改善炼钢、出钢技术，出钢口挂渣保护和优化挡渣机构减小对出钢口的机械撞击等措施，来实现提高出钢口寿命的目的[3]。为系统地分析影响出钢口寿命的原因，本文提出应用TRIZ理论寻找提高转炉出钢口寿命的解决方案。
2 TRIZ概述
TRIZ是源于前苏联的发明问题解决理论（Theory of Inventive Problem Solving）[4]，它是由前苏联著名发明家G.S.Altshuller领导的研究机构，通过深入分析和研究世界数十万件高水平的发明专利建立起来的，其成果包括：总结出了产品发展进化的客观规律；提供了一系列分析、解决问题的具体流程和方法；指导人们创造性地解决技术难题[5]。当人们掌握了这些规律和方法，就能够能动地进行产品开发设计，预测未来趋势。
针对具体的工程问题，传统方法常常会利用经验、头脑风暴法或其他设计方法寻求解决方案。TRIZ理论解决问题的流程是，采用系统分析或者三轴分析的方法对问题进行定义、明确，然后确定待解决的问题；通过TRIZ提供的矛盾分析、物场分析、知识库、科学效应库和专利库等工具体系，产生构思，最终形成方案。图1是传统设计方法和TRIZ解决问题的流程示意图。
3 基于TRIZ理论的提高转炉出钢口寿命设计实例
按照TRIZ解决问题的流程，设定好目标后进行功能分析、三轴分析，对问题求解后形成方案，方案进行比较选择后对结果进行评估。
3.1 TRIZ问题的描述
转炉出钢口在使用一定炉次后侵蚀严重，出钢后期挡渣效果差。应该改善的特性是：转炉出钢口的寿命；目前改善该特性的传统方式是：提高出钢口材质；减小熔渣的侵蚀、冲刷；挡渣出钢等。
3.2 问题分析与分解
将如何提高转炉出钢口寿命定义为工程问题，对其进行系统分析，建立组件模型如图2所示。
利用Pro / Innovator软件对组件进行价值分析，根据理想度诊断，简化和理想化系统。分解系统分析模块产生的转化问题，以How to prevent侵蚀of工作层作为初始问题然后进行因果分析，分析出钢口工作层被侵蚀的原因。以工作层耐火材料为例，通过资源分析找到可利用的物质资源，得到相应的资源方案。
从如何提高转炉出钢口寿命这个问题出发，对问题进行分解，从分解的问题中找到入手点，定义技术矛盾，寻找矛盾方案。
3.3 问题解决
3.3.1 系统组件分析
根据Pro / Innovator软件提供的理想度诊断分析，经过简化和理想化系统后，得到裁减方案1和方案2。裁减方案1：裁减永久层，永久层的保温和支撑功能由工作层完成；裁减方案2：裁减挡渣器，由出钢口完成挡渣功能，将出钢口设计成滑板组合式，初始出钢时滑板全开，到钢水出到2 / 3时，滑板逐渐闭合缩小，以实现挡渣通钢的作用。
3.3.2 系统资源分析
TRIZ理论认为解决问题的实质就是对资源的合理应用。使用技术系统资源是提高理想度最重要的手段之一，只有具备并合理使用资源才能解决所有技术问题。以How to prevent侵蚀of工作层作为初始问题，分析其中可利用的物质资源有工作层耐火材料的厚度、粒度和种类。由此得到资源方案1：增加工作层的耐蚀性，在工作层表面添加耐蚀的涂层；资源方案2：增加耐火材料厚度以减缓钢水对耐火材料的侵蚀；资源方案3：减小耐火材料颗粒度尺寸，制备耐火材料时更致密，可以减缓钢水的侵蚀；资源方案4：向耐火材料添加其他物质，以改变其化学成分，从而改善其性能。
3.3.3 以不同的问题作为入手点，定义技术矛盾如下：
3.3.3.1 挡渣器强度不足：改进的方法是增强挡渣器的强度，确保挡渣器在钢水中不被侵蚀，保证挡渣效果。改善的参数是强度，恶化的参数是运动物体的体积。应用TRIZ的矛盾矩阵，可用10号、14号、15号和7号创新原理来解决这个技术矛盾。选取7号创新原理得到矛盾方案1：利用嵌套原理，将挡渣器嵌套在出钢口上，实现挡渣流钢作用，增加挡渣器的强度。选取10号创新原理得到矛盾方案2：在投入挡渣器前，预先给挡渣器增加防腐蚀的涂层。
3.3.3.2 炉渣黏度过度：改进的方法是适当地降低炉渣黏度，此时改善的参数是物质的量，恶化的参数是物体产生有害因素。应用矛盾矩阵，可用3号、35号、40号和39号创新原理来解决这个技术矛盾。选取35号原理得到矛盾方案3：提高钢水温度，可以相应降低黏度。选取40号创新原理得到矛盾方案4：选用复合材料造渣剂，以降低黏度。
3.3.3.3 工作层受侵蚀：改进的方法是把工作层分成几层，每层选取不同材质的耐火材料，与钢水接触的那一层使用复合材料。改善的参数是强度，恶化的参数是静止物体的重量。应用矛盾矩阵，可用40号、26号、27号和1号创新原理来解决这个技术矛盾。选取40号和27号创新原理得到矛盾方案5：将工作层分成几层，采用复合材料，与钢水接触的部分采用抗热、耐蚀性最强的复合材料。
3.3.3.4 钢种对工作层的侵蚀作用：改进的方法是一个周期内生产同一品种的钢。改善的参数是静止物体的重量，恶化的参数是适应性、通用性。应用矛盾矩阵，可用19号、15号和29号创新原理来解决。选取19号和15号原理得到矛盾方案6：周期性的冶炼相同钢种，钢种不同时，更换材质不同的出钢口。
3.3.3.5 钢水从出钢口流出时对工作层的侵蚀作用：此时改善的参数是速度，恶化的参数是物质损失。应用矛盾矩阵，可用10号、13号、28号和38号创新原理解决这个矛盾。选取10号和13号创新原理，得到矛盾方案7：可在钢水通过出钢口工作层前，预先在工作层添加一层保护层；出钢口的工作层使用透气耐火材料，出钢时可通少量惰性气体，在工作层与钢液间形成气膜，减缓钢水的冲刷。
3.3.4 知识库分析
传统的科学效应库提供了100多条科学效应，随着时代的发展，以计算机软件为平台的科学效应库升华为知识效应库，不仅提供科学效应查询，而且还包括更多的专利技术查询。Pro / Innovator软件采用统一的功能性描述和查询方式，可以快速得出针对问题的相关方案，以克服人的思维惯性，拓宽知识面，并最终得到解决问题的方案。
3.3.4.1 从《不发生实际粘合的细粒耐火材料层保护漏斗中的永久耐火砖衬里》耐火材料内衬结构上获得到启发，获得知识库方案1：建议在工作层上涂一层不发生实际粘合的细料耐火材料涂层。
3.3.4.2 从《移动式顶吹喷枪在转炉耐火材料上提供均匀的熔渣分布》结构动作原理上获得到启发，获得知识库方案2：通过顶吹喷枪，向炉渣吹惰性气体，加入熔渣凝固剂形成熔渣覆层后将熔渣覆层分布在出钢口受侵蚀最严重的表面上。
3.3.4.3 从《防水层的凹凸不平减小船的摩擦阻力》中的结构动作原理上获得到启发。获得知识库方案3：在工作层中制造凹凸不平以达到减小钢水摩擦阻力的目的。为此，在工作层表面上施一层耐蚀材料膜涂层，并在涂层上制造出凹凸不平。惰性气体通过通气装置供给工作层，气体可捕集在凹陷部分，凸起部分会形成一层薄气体，钢液在这个气膜上滑过，可减少摩擦。
3.3.4.4 依靠查询知识库，可以直接用《自修复耐热涂层消除热裂纹》的方案。在工作层使用自修复耐热涂层，该涂层具有所需的耐高温和抗体氧化的特点，可以获得较长的使用寿命。
3.3.4.5 依靠查询知识库，从《多孔结构降低蜗轮叶片保护涂层的热传导能力》中的结构动作原理上获得到启发，获得知识库方案4：多孔结构降低工作层的热传导能力，工作层使用多层保护涂层，其中包括一层多孔陶瓷层以降低热传导性，这样可以降低工作层的温度，减缓热侵蚀。
3.3.5 物质-场分析
物质-场分析法是一种使用符号表达技术系统变换的建模技术，它以解决问题中的各种矛盾为中心，通过建立一种模型来描述系统内的问题，旨在用符号语言描述系统构成要素以及构成要素之间的相互联系。任何一个完整的系统功能都可用一个完整的物-场三角形进行模型化，这个模型具备三个必要元素：两种物质和一个场。为了规范模型的表示，常把物质排在一行，用S1表示产品，S2表示工具，F表示场。
转炉出钢时，出钢口要承受高温钢水、炉渣的摩擦冲刷和氧化侵蚀，导致出钢口寿命很低，需要不断地修补和更换。因此问题部位为出钢口的工作层侵蚀，构建物-场模型如图3所示。应用标准解物场模型的破坏，形成物场方案1：通过引入S3来消除有害作用，即引入表面耐热耐蚀性处理工艺；物场方案2：引入S1的变形来消除有害作用，即改变工作层自身结构，出钢口与钢水最先接触的部分设计成挡板型结构，减小钢水涡流对工作层局部的冲刷。
3.4 方案选择
运用TRIZ理论的工具对项目进行解题分析后，得到了很多方案，为了选择最终方案，需要建议方案评价模型，对备选方案进行评价。图4是评价模型和评价权重，图5显示了备选方案的评价结果。从方案评价中可以得出，优先考虑减轻钢水的摩擦，其次减慢工作层侵蚀的速度。
4 小结
TRIZ理论通过一系列系统化解决问题的流程，帮助设计和研发人员得到最有效的解决方案，对解决工程实际问题有重要的指导意义。
通过系统分析如何提高转炉出钢口寿命，熟悉TRIZ理论解决问题的流程，学会应用问题分析工具和求解工具，确定了最优方案。虽然应用对象较简单，但却有针对性地分析和解决了工程实际问题，充分说明TRIZ应用的有效性和广泛性。
参考文献：
[1]翟卫江，戴文彬.提高30T转炉出钢口寿命生产实践[J].南钢科技与管理，2007（4）：19-21
[2]郑新友，丛玉伟，刘平等.转炉出钢挡渣方法[J].钢铁研究，2000（1）：59-62.
[3]王强，李会林，白素宏.石钢转炉出钢口改造实践[J].河北冶金，2008（5）：34-36
[4]Toru Nakagawa.Problem Solving Methodology for Innovation：TRIZ/USIT[R].First Symposium on Knowledge Creation Support Systems held on Feb，2004：27-28.
收稿日期：2013年10月30日。
基金项目：青海省科技基础条件平台建设计划（2012-T-Y22）。
作者简介：曹海莲（1985-），女，讲师，教师，硕士研究生，研究方向：钢铁冶金领域。