基于TRIZ理论解决耐火材料热震试验装置温度波动大的问题

何涛

摘 要：目前，部分耐火材料热震试验装置可操作性差，工作效率低，试验过程中存在炉内温降较大的问题。本文利用功能分析法、因果分析法和冲突分析法，将一般的功能性问题转化为发明问题，确定理想解。其间利用冲突理论中的技术冲突和物理冲突以及物质场模型和76个标准解理论，确定发明原理为NO7套装和NO10预操作，最终根据专业技术背景和实际情况，得到解决方法，即垫板、炉门和手柄的一体化。此方案可以将试样取出时间控制在0.5min内，并且炉内温度波动在25℃内。

关键词：TRIZ理论;耐火材料;热震;冲突理论;76个标准解

中图分类号：TQ175.12 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）20-0032-04

Solving the Problem of Large Temperature Fluctuation of Refractory

Thermal Shock Test Device Based on TRIZ Theory

HE Tao

（State Key Laboratory of Advanced Refractories， Sinosteel Luoyang Institute of Refractories Research Co.， Ltd.， Luoyang Henan 471039）

Abstract： At present， some refractory thermal shock test devices have poor operability， low work efficiency， and there is a problem of large temperature drop in the furnace during the test. This paper used functional analysis， causal analysis and conflict analysis to transform general functional problems into invention problems and determine ideal solutions. In the meantime， using the technical conflicts and physical conflicts in the conflict theory and the material field model and 76 standard solution theory， the invention principle was determined to be the NO7 package and the NO10 pre-operation. Finally， according to the professional technical background and the actual situation， the solution was obtained， that was， the integration of the pad， the door and the handle. This solution can control the sample take-out time within 0.5min， and the furnace temperature fluctuates within 25℃.

Keywords： TRIZ theory;refractory;thermal shock;conflict theory;76 standard solutions

TRIZ理论是由苏联学者根里奇·阿奇舒勒及他的同事于1964年最先提出。TRIZ理论方法是解决发明问题最基本的理论方法，这些方法又可以普遍应用于解决新出现的发明问题，协助人们获得这些发明问题所需要的有效解[1-3]。因此，在实际操作过程中遇到问题时，TRIZ理论可以为研究和生产人员提供理论解决方案，人们再根据自身的知识背景和实际情况，以理论解决方案为指导来解决实际问题。

耐火材料抗热震性能试验是耐火材料从业人员在研发、生产过程中常见的测试手段，通过对耐火材料进行抗热震试验来评估材料的耐急冷急热性能以及使用寿命。具体操作是将耐火材料试验样块放在1 100℃高温环境（热震试验电炉内）加热到与炉内温度平衡的状态，然后快速转换到低温环境并循环若干次。根據《耐火材料 抗热震性试验方法》（GB/T 30873—2014），耐火制品抗热震性测试方法分为水急冷法和空气急冷法[4]。热震试验装置是耐火材料抗热震试验的必备工具，因此，热震试验装置的结构性能优劣直接决定了热震测试的便利性并对测试结果会产生一定的影响。

1 问题描述

热震试验装置由电源控制柜、炉壳、保温材料、发热元件和炉门组成。电炉炉膛左右侧布置发热体，前侧是炉口，如图1所示。热震试验系统主要由电炉、拿取工具（坩埚钳）和冷却装置组成。试验的过程中由热震试验电炉提供高温环境，电炉升温至所需温度，打开炉门，取出塞砖后，放入或取出试样对试样进行循环热震试验。

在试样抗热震试验过程中，由于电炉内外温差较大，放入或取出试样时长时间敞开的炉口引起炉内温度较大波动，有时电炉内温降会超过50℃，电炉又需要较长时间加热到指定温度，一方面影响试验效率，另一方面需要消耗较多的电能。另外，塞砖加炉门的结构开启不方便，手拿坩埚钳移动高温塞砖和样块，操作人员在高温环境下作业，既存在安全隐患又费时费力。因此，要解决操作人员操作过程中的安全性和操作效率问题，同时解决在取放样品过程中电炉的温降问题，将电炉内温降控制在30℃以内。

2 问题分析

2.1 功能分析

根里奇·阿奇舒勒通过对功能的研究发现，任何一个功能都可以至少分解为三个基本元件，这三个基本元件的有机作用可以形成一个功能。功能分析是指对已有系统进行分解，得到标准、不足、过剩和有害功能。主要任务为：确定技术系统所提供的主功能;研究组成部件对系统功能的贡献;分析系统中的有用及有害关系;确定冲突、不足作用、过剩作用及有害作用;绘制功能图（功能模型）。热震试验装置的各元件功能图如图2所示，炉门、塞砖、操作者、电炉、工具、托板和试样都是整个系统中有形的物质元件，热、光和力都是场元件，通过物质和场的相互作用来实现功能，而耐火材料抗热震试验过程就是利用试验炉的各项功能来实现的。

2.2 因果分析

在试验的过程中，为了提高效率和不同样品相互对比的准确可靠性，操作者一次会放入电炉多个样品。这样一来，在操作的过程中，由于试验工具的不方便，操作者需要反复操作，每次取出一两个样品，取样的操作时间长导致炉门敞开时间较长，产生炉内热量损失，导致炉内温度变化较大，从而影响试验效率和试验结果的可靠性。热震试验装置的炉口位置和炉口的尺寸大小也会对热量的损失产生一定影响，大炉口放样品比较方便但是炉口敞开热量散失多，小炉口热量散失少但是炉子里放样品操作不是很方便，因果分析图如图3所示。

2.3 冲突分析

自然界中，矛盾是普遍存在的，冲突是矛盾的极端表现，只有不断地发现并解决矛盾，科学才能进步，社会才能发展。TRIZ理论认为，发明问题的核心是解决冲突，未克服冲突的设计都不是创新。因此，热震试验装置既要求多放试样，以提高试验效率，又要求减少炉口敞开时间，降低冲突产生概率。因此，热震试验装置的关键问题在于：试样数量多，拿取操作时间过长，导致炉内热量损失严重，从而引起炉内温度变化。最终想得到的理想解就是：在多放试样的情况下炉内温度不发生变化。技术冲突为：一次多拿几个试样，降低了取样时间（电炉温降变慢），但操作过程稳定性降低。物理冲突为：一次操作试样数量既要“多”又要“少”。

3 确定发明问题的解决方案

3.1 冲突理论解决发明问题

冲突一般分为管理冲突、技术冲突和物理冲突。耐火材料行业一般采用技术冲突和物理冲突来解决发明问题。技术冲突是指一个作用同时导致有用和有害两种结果，通常表现为两个相互关联参数的冲突。物理冲突是指为了实现某种功能，一个子系统或元件应具有一种特性，但同时出现了与该特性相反的特性，物理冲突是同一系统同一参数内的冲突。TRIZ理论提出用39个通用工程参数来描述冲突，同时这些工程参数又对应40条发明原理，根据工程参数来确定发明原理，这样可以很好地解决设计发明过程中的难题。对于此热震试验装置系统来说，人们要从技术冲突和物理冲突两个方面来分析解决此发明问题。

3.1.1 技术冲突理论解决发明问题。在抗热震试验的过程中，为了提高效率，操作者需要用试验工具一次多夹几个试样，但是会导致可操作性降低。将此技术冲突转化为一般发明问题，在此系统中改善的工程参数是No.39效率，恶化的工程参数是No.33可操作性，通过查找冲突矩阵得到的发明原理是：No.1，No.28，No.7，No.19。No.1分割原理、No.28机械系统替代原理、No.7嵌套原理、No.19周期性作用原理将炉膛分为两个区，单独控制温度，至少有一个始终保持试验温度（或直接采用两个电炉），将夹子根据样品数量分成多个夹板，确保夹持多个试样时保持试样稳定。根据发明原理再结合相关背景知识，人们可以得到相应的解决办法。根据发明原理No.7套装，可以得到的解决办法为：将垫板、塞砖、炉门和工具套在一体，如图4（a）所示。根据发明原理No.10预操作，可以得到的解决方案为多个试样预先摆放在垫板上，用工具拿取垫板，如图4（b）所示。根据发明原理No.28机械系统代替，可以得到的解决方案为用工业机器人代替操作，如图4（c）所示。

3.1.2 物理冲突理论解决发明问题。考虑到一次操作的试样数量在不同的空间、时间段、条件和系统层次具有不同的特性，因此该冲突可以从空间、时间、条件、整体与部分角度进行分离。通过查找，与该分离原理对应的发明原理有：No.9预加反作用、No.10预先作用、No.11预补偿、No.13反向作用原理、No.15动态化、No.16未达到或超过的作用、No.18振动、No.19周期性作用、No20有效作用的连续性、No.21紧急行动、No.29气动与液压结构、No.34抛弃与修复、No.37热膨胀。根据选定的发明原理，结合实际情况，最终挑选No.10、No.11、No.21、No.29发明原理来寻求解决方案。依据No.10预操作发明原理，得到的解决方案如图5（a）所示，将多个试样预先摆放在垫板上用工具拿取垫板。依据No.11预补偿发明原理，得到的解决方案如图5（b）所示，用预先准备好的塞砖2补偿炉口。依据No.21紧急行动发明原理，得到的解决方案为操作人员多练习操作过程，以最快的速度完成有害操作。依据No.29气动与液压机构发明原理，得到的解决方案为设计一套气动与液压机构，操作试样的拿取。

3.2 物质-场模型分析及76个标准解解决发明问题

在设计科学的研究过程中，人们逐渐认识到产品设计往往首先由工作原理确定，而工作原理构思的关键是满足产品的功能要求。产品是功能的载体，功能是产品的核心和本质。物质-场模型是TRIZ理论的重要分析工具。在使用物质-场模型的过程中，人们要根据模型所描述的功能问题类型来确定问题的性质，为设计人员提供解决问题的方向。同时，要结合物质-场模型对系统功能的分析结果，参考76个标准解，为设计者激活创新思维创造条件。对于此热震炉系统，最终想得到的理想解就是：在多放试样的情况下炉内温度不发生变化。对放试样这个功能进行物质-场分析，首先建立物质-场模型。物质为S1（试样）和S2（夹持工具），场为FMe（机械场），如图6所示。

从物质-场模型来看，一次需要多夹试样，而现实情况是不能夹太多试样，原因是场作用不足。根据所建问题的物质-场模型，应用标准解解决流程，改进物质场，得到标准解为No.14至No.36。依据选定的标准解No.14链式物场模型，可以得到的解为：S1（试样），S2（夹持工具），S3（垫板）。

根据图7中的标准解，人们可以得到解决方案，如图5（a）所示。所以，根据物质-场模型得到的解决方案与冲突理論得到的方案相同。

4 最终解决方案

根据冲突理论和物质-场模型分析，对于此发明问题，人们可以得到以下几种创新解决方案，如表1所示。

根据专业技术背景和现场实际情况，确定的最终解为：方案1+方案2。如图8所示，将垫板、炉门塞砖、炉门和手柄结合成一体，多个试样预先摆放在垫板上。可将试样取出时间控制在0.5min内，并且炉内温度波动控制在25℃内。这样既解决了多放试样的可操作性问题，又实现了减小炉内温度波动的效果。

5 结论

抗热震试验是耐火材料常见的性能检测方法，热震试验装置是其中的一个关键设备。热震试验装置存在可操作性差、工作效率低以及试验过程中炉内温降较大的问题。笔者利用功能分析法、因果分析法和冲突分析法将一般的功能性问题转化为发明问题，确定理想解，然后通过冲突理论中的技术冲突和物理冲突以及物质场模型和76个标准解理论，得到发明原理为No.7套装和No.10预操作，根据专业技术背景和实际情况得到问题的实际解决方案为垫板、炉门和手柄一体化。此方案可以有效地将试样取出时间控制在0.5min内，而且炉内温度波动可以控制在25℃内。

参考文献：

[1]林岳.创新方法教程（初级）[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2]李彦.创新方法教程（中级）[M].北京：高等教育出版社，2012.

[3]檀润华.创新方法教程（高级）[M].北京：高等教育出版社，2012.

[4]国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.耐火制品抗热震性测试方法：GB/T 30873—2014[S].北京：中国标准出版社，2014.