基于QC和TRIZ解决浸入式水口原位梯度复合过程中的缺陷问题

魏昌晟　曹喜营　雷贤卿　闫广周

摘 要：本文利用QC小组活动，结合TRIZ创新方法，分析了浸入式水口原位梯度复合过程中出现缺陷的问题，同时运用5M1E分析法、矛盾原理和物场分析法等工具，分析比较各创新理论得出的解。最终运用价值工程法确认改进的设计方案，快速准确地解决实际问题，证明多方法融合创新在实际工程设计中具有很强的实用性与适用性。

关键词：QC;TRIZ;浸入式水口;5M1E;矛盾原理;物场分析法;价值工程理论

中图分类号：TF341.6 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）20-0045-04

Solving Defects in In-situ Gradient Compounding Process of

Immersion Nozzle Based on QC and TRIZ

WEI Changsheng1，2，3 CAO Xiying1，2 LEI Xianqing3 YAN Guangzhou1，2

（1. Luoyang Refractory Materials Research Institute Co.， Ltd.， Sinosteel Group Corporation Limited，Luoyang Henan 471039;2. State Key Laboratory of Advanced Refractories，Luoyang Henan 471039;3. College of Mechanical and Electrical Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang Henan 471003）

Abstract： This paper analyzed the defects in the in-situ gradient compounding process of immersion nozzles by using QC group activities and TRIZ innovation methods， and used 5M1E analysis method， contradiction principle and object field analysis method to analyze and compare the solutions obtained by each innovation theory. Finally， the value engineering method was used to confirm the improved design scheme， and the practical problems were solved quickly and accurately， which proved that the multi-method fusion innovation had strong practicability and applicability in practical engineering design.

Keywords： QC;TRIZ;immersion nozzle;5M1E;contradiction principle;object field analysis method;value engineering theory

浸入式水口是連铸工艺中最关键的功能耐火材料，与结晶器、保护渣并称为连铸工艺的三大关键辅助技术[1-3]。浸入式水口上接中间包、下连结晶器，是钢水最后接触的耐火材料。作用是将钢水输送到结晶器，并保护钢水不发生二次氧化，防止氮溶入、渣混入和钢水飞溅。

浸入式水口由多种含碳耐火材料在原位梯度复合构成，采用冷等静压工艺成型。其在原位梯度复合过程中极易产生缺陷，传统单一的问题分析方法很难在短期内得出一个全面考虑的解决方案。为高效地得到理想的技术方案，人们就需要运用多方法融合创新，即将QC小组活动周密的全面问题分析与TRIZ理论的创新方法相结合，最终运用价值工程法确定获得满足需求的问题解决方案。

1 问题引出

浸入式水口采用结构、材料、功能一体化设计与制造，根据各功能材料结构、服役和失效特点，通过材料组成梯度化、结构复合化，同步提升材料关键服役性能，实现使用可靠性、服役寿命、服役功能的共同改善。如图1所示，浸入式水口由三部分材料原位梯度复合构成，内腔为无碳内衬材料，外层为铝碳本体材料和低碳锆碳渣线材料。

如图2所示，浸入式水口采用冷等静压工艺成型，模具分为包套、刚性模具和内衬加料套管3部分。原位梯度复合装料过程中，内衬加料套管套装在刚性模具外部，用于构成分离的坯料装填空间，即包套与内衬加料套管间构成本体坯料空间，内衬加料套管与刚性模具间构成内衬坯料空间。在实际生产中，该过程极易产生缺陷问题。

2 问题分析

2.1 QC小组活动

通过现状调查对存在问题的179支浸入式水口的缺陷因素进行统计分析，并根据统计结果绘制出排列图（见图3），确定内衬偏心是造成浸入式水口缺陷的主要症结。浸入式水口内衬偏心情况如图4所示。

为了更加明晰地认识主要症结，继续分层分析，对962支浸入式水口内衬偏心差值分布情况进行统计分析，统计结果如表1所示，并绘制出偏心差值分布情况饼图，如图5所示。

对不同内衬厚度样品进行抗热震试验和耐侵蚀试验，确定出浸入式水口内衬偏心差值的合理值应该不大于1mm。通过目标值测算，QC小组将活动目标定为浸入式水口内衬偏心不合格率降至1.84%，如图6所示。

通过原因分析从5M1E分析法的6个方面，层层深入、由果溯因，确定原因分析因果图，如图7所示。

根据因果分析图确定出10项末端因素，逐项对末端因素展开要因确认。最终确定技术要因1条，即内衬加料套管与模芯同轴偏差大。

2.2 TRIZ创新方法

内衬加料套管结构如图8所示，套管内部和外部均设置有定位结构。根据TRIZ的矛盾原理，将QC小组活动中确定的技术问题转化为通用问题模型，以提高内衬加料套管同轴定位的稳定性、可靠性，所以采用改善定位结构面积或数量的方法。但是，内衬加料套管抽离模具时会破坏材料界面，最终降低坯料原位梯度复合的稳定性、强度和可维修性。

技术矛盾是：改善的参数有稳定性（13）、可靠性（27）;恶化的参数有稳定性（13）、强度（14）、可维修性（34）。

根据矛盾矩阵，人们可以得到TRIZ建议使用的发明原理：17空间维数变化原理、9预先反作用原理、15动态特征原理、2抽取原理、35物理或化学参数改变原理、10预先作用原理、16未达到或过度的作用原理、11事先防范原理、28机械系统替代原理、3局部质量原理、25自服务原理和1分割原理。根据发明原理的启发，人们可以得出以下创新技术方案，如表2所示。

通过物场分析法，根据浸入式水口原位梯度复合工艺过程，建立物质-场模型描述系统内的问题，手和内衬套管之间的作用是有用但不充分的相互作用（見图9），进一步建立导致手的作用的不足的模型，即定位支撑与内衬套管、内衬套管与内衬坯料之间的作用都是有用但不充分的相互作用（见图10）。

根据所建问题的物质-场模型，应用标准解解决流程，确定问题的通解7个，如表3所示。

归纳分析综合矛盾原理和物场分析法，人们可以得出创新技术方案，综合评估技术可行性，最终得出以下3个问题解决技术方案，如表5所示。

3 问题解决

根据上述可行技术方案，运用价值工程法测算成本系数和功能价值系数，最终依据价值系数确定出最优技术方案，如表6所示。

为了实施最优技术方案，本文设计了一个具有凸出3点且有一定高度的内定位元件，它可以安装在刚性模具的顶部与内衬加料套管始终保持紧密的滑动配合，这样就可以保证内衬加料套管在整个装填料工艺作业过程中均与刚性模具保持同轴配合且不会对材料界面产生破坏，如图11所示。方案实施效果经过QC小组最终确认，浸入式水口内衬偏心不合格率降至1.27%。

4 结语

QC小组活动针对企业的经营战略、方针目标和现场存在的问题，以改进质量、降低消耗、提高人的素质和经济效益为目的，运用质量管理的理论和方法开展创新改进活动。TRIZ理论则吸收了大量的克服思维定势和心理障碍的传统创新方法的精髓，并将它们纳入逻辑程序，在发明问题分析和解决方案综合的不同阶段发挥作用。浸入式水口原位梯度复合过程中缺陷问题的解决，证实多方法融合创新针对技术问题能够快速准确地得出新的解决方案，在解决实际工程问题的过程中具有很强的实用性与适用性。

参考文献：

[1]李红霞，杨传福，王守业，等.耐火材料手册[M].北京：冶金工业出版社，2007.

[2]吴云喜，王刚，陈献伟，等.电网企业QC活动实操读本[M].北京：中国电力出版社，2017.

[3]杨清亮.发明是这样诞生的：TRIZ理论全接触[M].北京：机械工业出版社，2010.