TRIZ理论在改善引流砂对钢液危害中的应用

曹 磊 石永亮 马保振 黄伟青 韩立浩

河北工业职业技术学院 材料工程系 河北石家庄 050091

钢包内传统的高熔点氧化物固体引流砂含有Cr2O3、SiO2、Fe2O3、Al2O3等成分，一旦进入中间包，便会增加钢液中夹杂物的含量，最终影响产品的质量［1－7］。

为了减少常规引流方法对钢液的污染，有些钢铁企业采取如下措施：大包滑板打开，引流砂下落，人工用接砂盘在长水口下部接住引流砂；当钢液流入长水口后，移开接砂盘。但这种方式需要人工判断引流砂何时接完，钢液是否流入长水口，判断难度大，控制难度也大。本工作中将采用TRIZ理论对连铸引流方法设计进行讨论，以期获得更优的设计方案。

1 TRIZ理论

TRIZ理论［8］认为产品创新的核心是解决设计中的冲突或矛盾，从而提出39个通用技术参数。在问题解决过程中，利用该设计方法把实际工程设计中的冲突或矛盾转化为TRIZ理论中的通用化参数。同时利用TRIZ理论中的矛盾冲突矩阵表得出对应的发明解决原理，结合实际问题，选择符合产品设计的发明原理，得出最佳产品设计方案。其解决问题的一般流程［9－11］为具体问题、TRIZ问题、TRIZ的理论与工具、TRIZ的通用解和具体问题的解。

2 发明问题初始形势分析和系统分析

2．1 发明问题初始形势分析

本问题所处的技术系统是连铸钢包开浇过程中的引流系统，该技术系统实现的功能是实现对钢水的引流，确保钢包内钢水可以顺利流入中间包。

现有连铸钢包开浇过程中的钢水引流系统存在的主要问题是：引流砂从钢包内经过钢包下水口与连铸长水口后进入中间包内接触钢液，对钢水造成污染。污染源包括引流砂中的FeO和其他氧化物。

2．2 系统分析

（1）功能分析。建立已有系统的功能模型（见图1）。

图1 功能模型示意图

（2）因果分析。应用因果链分析法确定产生问题的关键原因，如图2所示。

图2 因果链分析图

（3）冲突区域确定。根据所建立的功能模型及因果链分析法分析，本工作中拟聚焦引流砂对钢液的污染这一关键问题，并采用物理冲突、物质－场模型和76个标准解以及裁剪等TRIZ工具进行分析求解。

3 利用TRIZ工具求解

3．1 物质－场模型求解

建立问题的物质－场模型如图3所示。根据所建问题的物质－场模型，应用标准解解决流程，得到标准解为No．1．2．2、No．1．2．4。

图3 物质－场模型

No．1．2．2标准解为：系统中同时存在有用作用（引流砂具有引流钢液作用）和有害作用（引流砂污染钢液），通过改变S2来消除有害作用。依据No．1．2．2标准解得到问题的解如下。

方案1：使用低熔点、高密度液体金属引流剂代替传统的氧化物引流剂。钢包水口内的温度一般约为900℃。可以寻找熔点低于900℃且密度大于钢液密度的金属及其合金为引流剂，比如铅铋合金、铅锑合金等。由于引流剂的熔点低于其存在的环境温度900℃，会以液体金属的状态存在，同时由于其密度高于钢液密度，会沉积在钢液下部的钢包水口内。当需要开浇时，打开滑板，液体金属引流剂通过钢包下水口和长水口进入中间包。虽然液体引流砂进入了钢液，但是由于其量较少（含量低于0．05%（w）），进入钢液后可以作为钢液中的残余元素存在，不会对钢液造成影响，也不会对生产的钢种性能产生影响。

改进后的物质－场模型如图4所示。

图4 改进后物质－场模型

No．1．2．4标准解为：系统中同时存在有用和有害作用，用场F2来抵消有害作用。依据No．1．2．4标准解得到问题的解如下。

方案2：增加引流砂抽吸装置，将未进入钢液的引流砂抽离系统。改进后的物质－场模型如图5所示。

图5 增加引流砂抽吸装置后的物质－场模型

3．2 物理冲突求解

冲突描述：连铸钢包开浇时，既需要引流砂来引流，又不需要引流砂以避免钢液的污染，存在物理冲突。

当引流砂在钢包水口内时，可以起到有用的作用，避免钢液在水口内凝固导致钢液无法引流；而当引流砂进入中间包后，对钢液会产生有害作用，污染钢液。由于引流砂在不同的“空间”上具有不同的特性，因此该冲突可以从“空间”上进行分离。

查找与该分离原理对应的发明原理有No．1、

No．2、No．3、No．4、No．7、No．13、No．17、No．24、No．26、No．30。对发明原理进行分析研究，认为No．1、No．2、No．3对于解决问题具有重要的启发意义。依据No．1分割、No．2抽取、No．3局部质量发明原理，得到解如下。

方案3：根据发明原理No．1分割原理设想，将长水口设计成可组合的（易于拆卸和组装）。结合发明原理No．3局部质量原理使物体的不同部分实现不同的功能，将长水口出口设计成组合式，底部用于截流引流砂，侧壁用于钢液通过。借鉴发明原理No．2抽取原理，将“负面”部分（污染钢液的引流砂）抽取出来，进入长水口底端存留。具体设计示意图见图6。

图6 方案3示意图

3．3 裁剪工具求解

针对功能模型中引流砂对钢液污染的有害作用，应用第2条裁剪规则将功能载体实现的功能由功能对象自己来实现。即：将引流砂裁剪掉，引流砂在系统中引流的功能作用由钢液本身来完成。将引流砂裁剪后，产生了新的问题：钢包上水口内钢液容易凝固，导致钢液无法自动引流。

功能分析：对裁剪后功能模型进行功能分析，示意图如图7所示。

图7 裁剪后功能模型示意图

因果分析：应用基于5WHY的鱼骨图分析法确定产生问题的关键原因，如图8所示，分析确定产生问题的关键原因是滑板厚度薄。

图8 应用基于5WHY的鱼骨图

冲突区域确定：问题关键点是滑板厚度。

以“滑板厚度”为关键点解决问题进行求解，采用TRIZ工具是技术冲突解，具体求解决过程如下：

①冲突描述：增加滑板的厚度或者采用多层滑板减少了滑板的导热，但增加了滑板结构的稳定性。②转换成TRIZ标准冲突。改善的参数：No．22能量损失；恶化的参数：No．13结构的稳定性。③查找冲突矩阵，得到发明原理为No．14、No．2、No．39、No．6。

依据No．39发明原理第1条用惰性气体代替通常环境，得到方案4：将滑板内部做成中空，增加滑板的隔热效果，示意图如图9所示。依据No．39发明原理第2条：在真空中完成。由此可以得到方案5：将滑板内部做成真空，增加滑板的隔热效果，示意图如图10所示。

图9 方案4示意图

图10 方案5示意图

4 全部技术方案及评价

全部技术方案及评价见表1。根据上述得到的5个方案，经过综合评价，确定最优解为：创新方案1：将方案1、4、5组合，即利用低熔点高密度液体金属引流砂代替传统固体引流砂，同时将钢包滑板做成中空或真空形式，增加钢包上水口内液体金属引流砂的保温效果，避免凝固，确保良好的引流效果，如图11所示；方案3：将长水口出口设计成组合式，底部用于截流引流砂，侧壁用于钢液通过，将“负面”部分（污染钢液的引流砂）抽取出来，进入长水口底端存留，如图6所示。方案3可以在引流砂完成其有用功能后，实现与钢液的有效分离，避免污染钢液。

图11 创新方案1示意图

表1 全部技术方案及评价

5 结语

以TRIZ理论为基础，对连铸钢包浇注系统设计中所存在的问题进行分析，通过功能分析、因果链分析法确定引流砂即有引流作用又污染钢液这一关键冲突，并充分应用了物质－场模型、物理冲突及裁剪等TRIZ工具对连铸浇注工艺设计进行了改进，产生了5种解决方案，经过对方案的综合评价，确定了2个方案。创新方案1将原方案1、4、5组合，即利用低熔点高密度液体金属引流砂代替传统固体引流砂，同时将钢包滑板做成中空或真空形式，增加钢包上水口内液体金属引流砂的保温效果，避免凝固，确保良好的引流效果；方案3将长水口出口设计成组合式，底部用于截流引流砂，侧壁用于钢液通过，将“负面”部分（污染钢液的引流砂）抽取出来，进入长水口底端存留。此方案可以在引流砂完成其有用功能后，实现与钢液的有效分离，避免污染钢液。