基于TRIZ理論的高爐開鐵口機(jī)設(shè)計(jì).doc

基于TRIZ理論的高爐開鐵口機(jī)設(shè)計(jì) 田兆營(yíng) （中冶南方工程技術(shù)有限公司湖北武漢） 摘要：介紹了理論的產(chǎn)生和其體系內(nèi)容以及理論的基本解題流程和方法，在此基礎(chǔ)上針對(duì)高爐開鐵口機(jī)的鉆頭在使用中存在嚴(yán)重磨損的問題，遵循理論的解題流程和方法對(duì)開鐵口機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，通過三軸分析確定開鐵口機(jī)鉆具嚴(yán)重磨損的層層原因，并按照物理矛盾分析和資源分析的解題流程對(duì)開鐵口機(jī)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：開鐵口機(jī)；鉆具；磨損； ：TH122：51450 以鐵水為產(chǎn)品的高爐煉鐵工藝中爐前出渣鐵作業(yè)是生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。及時(shí)安全可靠地打開鐵口通道出盡渣鐵不僅能夠保證生產(chǎn)的穩(wěn)定順利，而且可以最大限度地提高高爐抵抗外界不利因素影響的能力，保證高爐壽命。開鐵口機(jī)是用于高爐爐前打開鐵口通道的專用設(shè)備。 由于高溫鐵水的熱量輻射，再加之無(wú)水泥炮的廣泛使用等原因，開鐵口機(jī)鉆頭的磨損情況嚴(yán)重，打開一次鐵口通道需要多個(gè)鉆頭，更換鉆頭費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重的時(shí)候還會(huì)影響高爐的正常生產(chǎn)。鉆頭的更換不僅使生產(chǎn)成本增加，而且也會(huì)帶來極大的安全隱患。這一問題在大型化的高爐上尤其突出，此問題一直困擾著各大中型鋼鐵企業(yè)。 1理論概述 理論是由前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇阿奇舒勒在年提出的。從年開始，阿奇舒勒正式開展了發(fā)明問題解決理論的研究工作，并在以后數(shù)十年中一直致力于理論的研究和完善。在其領(lǐng)導(dǎo)下，前蘇聯(lián)的數(shù)十家研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)、企業(yè)組成的研究團(tuán)體，先后分析了全球近萬(wàn)份高水平的發(fā)明專利，總結(jié)出各種技術(shù)發(fā)展進(jìn)化所遵循的規(guī)律模式，以及解決各種技術(shù)矛盾和物理矛盾的創(chuàng)新原理和法則，建立起一個(gè)由解決技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新開發(fā)的各種方法、算法組成的綜合理論體系，并綜合多學(xué)科領(lǐng)域的原理和法則，建立起了的理論體系。 的涵義是“發(fā)明問題解決理論”，是由俄文轉(zhuǎn)換為拉丁文的詞頭縮寫，其英文全稱是（）。理論體系龐大，包含多個(gè)系統(tǒng)以及科學(xué)而又富有可操作性的創(chuàng)造性思維方法和發(fā)明問題的分析方法與解決工具。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，形成了九大經(jīng)典理論體系，即：技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、最終理想解（）、個(gè)發(fā)明原理、個(gè)通用工程參數(shù)和矛盾矩陣、物理矛盾與分離原理、物場(chǎng)模型分析、發(fā)明問題的標(biāo)準(zhǔn)解法、發(fā)明問題解決算法（）、科學(xué)效應(yīng)和現(xiàn)象知識(shí)庫(kù)。 解決問題的模式打破了通過試錯(cuò)法或頭腦風(fēng)暴法直接從待解決的問題到最終解決方案的常規(guī)方法，采用了類似“過橋”的方式解決問題。應(yīng)用解決問題的總的流程是：首先應(yīng)用分析工具對(duì)問題進(jìn)行轉(zhuǎn)化，把特定的待解決問題轉(zhuǎn)化為的標(biāo)準(zhǔn)問題；然后利用基于知識(shí)的工具，得到解決問題的一般方案，即的標(biāo)準(zhǔn)方案；最后結(jié)合具體問題的領(lǐng)域知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，得到具體的發(fā)明問題解決方案。 2問題的確定及分析 2.1技術(shù)問題的確定及描述 開鐵口機(jī)是高爐爐前的重要設(shè)備，圖是其主要組件結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（或懸掛機(jī)構(gòu)）、進(jìn)退機(jī)構(gòu)、鉆孔機(jī)構(gòu)和防護(hù)件等部分。進(jìn)退機(jī)構(gòu)主要靠液壓馬達(dá)帶動(dòng)鏈條實(shí)現(xiàn)進(jìn)退動(dòng)作，鉆孔機(jī)構(gòu)包括鉆頭、鉆桿、沖擊器等。其工作流程是：當(dāng)高爐內(nèi)冶煉的鐵水達(dá)到預(yù)定量后，系統(tǒng)發(fā)出打開鐵口的信號(hào)，開鐵口機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（或懸掛機(jī)構(gòu)）將開鐵口機(jī)的進(jìn)退機(jī)構(gòu)和鉆孔機(jī)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)鐵口，然后依靠沖擊器帶動(dòng)前端鉆頭的沖擊和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來破損鐵口通道堵塞物。隨著鉆孔的深入，進(jìn)退機(jī)構(gòu)要驅(qū)動(dòng)鉆孔機(jī)構(gòu)適時(shí)向著鐵口通道的深處不斷持續(xù)前進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)完全打開鐵口通道。當(dāng)打開鐵口通道后，進(jìn)退機(jī)構(gòu)反向驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)鉆孔機(jī)構(gòu)快速退回，然后回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（或懸掛機(jī)構(gòu)）帶動(dòng)進(jìn)退機(jī)構(gòu)和鉆孔機(jī)構(gòu)一起退出至待機(jī)位，等待下一次鉆孔作業(yè)。如此循環(huán)，適時(shí)打開鐵口通道，使冶煉好的高溫鐵水定期順利流出至下一工序。 本方案的問題在于：隨著高爐容積的日益增大，其鐵口深度也不斷加深，而鉆頭的耐磨性能不可能無(wú)限制的提高，加之無(wú)水泥炮的廣泛使用，這就導(dǎo)致在打開鐵口的過程中，鉆頭發(fā)生急劇的磨損，導(dǎo)致難以準(zhǔn)時(shí)打開鐵口。打開一次鐵口需要多次停機(jī)更換鉆頭，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本項(xiàng)目是針對(duì)開鐵口機(jī)鉆具磨損這一問題，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和方案創(chuàng)新。 2.2系統(tǒng)分析 首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過系統(tǒng)分析和資源分析，深入了解各個(gè)組件的功能，明確各個(gè)組件之間的關(guān)系以及組件之間的相互作用，并確定這些作用是有用的、有害的或者過度或是不足的，從而找到解決的具體點(diǎn)，系統(tǒng)組件模型圖如圖所示。 2.3問題分解 問題分解是利用三軸問題分析法來進(jìn)行，主要是沿操作軸、系統(tǒng)軸和因果軸對(duì)初始問題進(jìn)行分析與重定義；將復(fù)雜的工程問題分解成多個(gè)簡(jiǎn)單的子問題，以得到一個(gè)更精確的問題定義，或?qū)⒋藛栴}擴(kuò)展到可能存在的其它領(lǐng)域中去，最終得到可能的潛在問題原因，并明確問題解決方向。 3解決問題 解決問題就是針對(duì)問題模型利用中間工具解決找到解決方案模型，再把解決方案模型轉(zhuǎn)化為本領(lǐng)域問題解的過程。創(chuàng)新原理、標(biāo)準(zhǔn)解、進(jìn)化路線、知識(shí)效應(yīng)庫(kù)都是解決問題的工具。本文借助于物理矛盾分析及資源分析等問題分析工具，針對(duì)降低開鐵口機(jī)的磨損這一課題進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用。 基于物理矛盾分析的解決問題 所謂物理矛盾就是針對(duì)系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)，提出兩種不同的要求。物理矛盾是常見的一種矛盾，當(dāng)對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的某個(gè)參數(shù)具有相反的要求時(shí)就出現(xiàn)了物理矛盾。因此，物理矛盾是針對(duì)一個(gè)參數(shù)的矛盾，技術(shù)矛盾是兩個(gè)參數(shù)之間的矛盾。其解題步驟如下： （）選取技術(shù)系統(tǒng)的某一因果分析。從鉆具的偏移導(dǎo)致鉆頭磨損作為問題的入手點(diǎn)。 （）從因果軸定義技術(shù)矛盾。系統(tǒng)中已有物質(zhì)資源即為鉆具本身，其自身既要有一定長(zhǎng)度，保證能夠打通鐵口通道，同時(shí)鉆具長(zhǎng)度又要短，因?yàn)樵阢@具粗細(xì)一定的條件下，愈長(zhǎng)的鉆具其懸臂梁效應(yīng)會(huì)更加明顯，導(dǎo)致鉆具過早發(fā)生偏移，脫離預(yù)定的鐵口通道。 （）提取物理矛盾。上述要求鉆具既要足夠長(zhǎng)又要足夠短，這就是一對(duì)物理矛盾。 （）分離矛盾。物理矛盾的解決方法一直是理論研究的重要內(nèi)容。解決物理矛盾的核心思想是實(shí)現(xiàn)矛盾雙方的分離?，F(xiàn)代理論在總結(jié)解決物理矛盾的各種方法的基礎(chǔ)上，提煉出了分離方法，分為四種基本類型，即空間分離、時(shí)間分離、條件分離和系統(tǒng)級(jí)別分離。 本課題中，當(dāng)鉆頭剛開始鉆孔時(shí)，需要鉆具長(zhǎng)度很短，以便可以輕易對(duì)準(zhǔn)鐵口并且便于作業(yè)；隨著鉆孔的深入，需要鉆具的長(zhǎng)度不斷加長(zhǎng)，以便可以持續(xù)打開鐵口通道，從而最終完全打開鐵口通道。那么，鉆具的長(zhǎng)短在時(shí)間段內(nèi)不存在交叉，因此適用于上述四種中分離方法的時(shí)間分離方法。 （）方案描述?；诖耍脛?dòng)態(tài)特性原理和嵌套原理?？紤]到將鉆具設(shè)置為內(nèi)外多層嵌套結(jié)構(gòu)，在鉆具剛開始作業(yè)時(shí)鉆具很短，隨著作業(yè)的深入鉆具才逐漸伸長(zhǎng)，這樣既提高了開孔的準(zhǔn)確性，又可使得開鐵口機(jī)的軌梁等部件尺寸大大減少，從而大大減少了開鐵口機(jī)的占地空間，為爐前操作帶來極大方便。同時(shí)，沖擊器的位置可固定不動(dòng)，進(jìn)退機(jī)構(gòu)可以完全省去，使整機(jī)大為簡(jiǎn)化，方案的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。 基于資源分析的解決問題 所謂資源分析就是從系統(tǒng)的高度研究分析資源，挖掘系統(tǒng)的隱形資源，關(guān)注系統(tǒng)資源間的有機(jī)聯(lián)系，合理地組合、配置、優(yōu)化資源結(jié)構(gòu)，提升系統(tǒng)資源的應(yīng)用價(jià)值或理想度。系統(tǒng)資源可按照物質(zhì)、能量、時(shí)間、空間、結(jié)構(gòu)、功能、信息等角度來進(jìn)一步細(xì)分。利用資源分析解決問題的一般步驟如下：發(fā)現(xiàn)及尋找資源。通過工具尋找出系統(tǒng)內(nèi)外的顯性資源；挖掘及探索資源。向縱深獲取更多有效的、新穎的、潛在的、有用的派生資源；及組合資源。對(duì)所有資源進(jìn)行識(shí)別、選取、激活并有機(jī)融合，使它們具有系統(tǒng)性、適應(yīng)性、條理性和應(yīng)用性；評(píng)價(jià)及配置資源。評(píng)價(jià)的原則是使有限的資源產(chǎn)生最大的效益，為取得預(yù)定效益盡可能少地消耗資源。 結(jié)合本課題，按照上述步驟進(jìn)行資源分析。表是按照操作軸和系統(tǒng)軸發(fā)現(xiàn)和挖掘各種資源。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，超系統(tǒng)中的資源有很多且很有價(jià)值。 高爐冶煉過程中，隨著冶煉的進(jìn)行會(huì)持續(xù)的產(chǎn)生高溫鐵水和高爐煤氣，高溫鐵水由于重力會(huì)在高爐底部的爐缸內(nèi)匯集，而高爐煤氣不斷向高爐上方移動(dòng)，經(jīng)過煤氣上升管和下降管后經(jīng)除塵最后并入鋼鐵企業(yè)總煤氣管網(wǎng)。因此，鐵口通道需要定期打開，讓匯集在爐缸內(nèi)的鐵水順利流出，流出完畢后需要重新將鐵口通道堵上，待鐵水再次匯集達(dá)到爐缸內(nèi)預(yù)定高度后再一次的打開鐵口通道。對(duì)于大型高爐，由于其鐵水產(chǎn)量大，實(shí)際上在整個(gè)冶煉過程中鐵水會(huì)不間斷流出，因此往往是冶煉產(chǎn)生的鐵水還沒完全流出鐵口通道就需要堵上這個(gè)鐵口通道，同時(shí)打開另一個(gè)鐵口通道，高爐的全部鐵口通道實(shí)行無(wú)間斷作業(yè)，保證鐵水時(shí)時(shí)流出。綜上，鐵水是需要時(shí)時(shí)流出的，高爐煤氣也是會(huì)時(shí)時(shí)會(huì)產(chǎn)生的。因此，整合高爐煤氣的物質(zhì)和能量資源，使其具有新的功能。 考慮將爐頂煤氣引入出鐵場(chǎng)，在鐵口通道持續(xù)通入氣體用來密封鐵水，其壓力可適應(yīng)、可調(diào)節(jié)，這樣就會(huì)使整個(gè)高爐成為一個(gè)動(dòng)態(tài)閉合空間，此方案結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。具體來說，隨著鐵水液面升高，鐵口通道處的壓強(qiáng)就會(huì)增大；同時(shí)，隨著鐵水液面的升高，其對(duì)應(yīng)高爐爐墻的溫度也會(huì)升高，鐵口通道內(nèi)的氣體也會(huì)膨脹，壓力也會(huì)增大。動(dòng)力氣源可根據(jù)鐵口通道內(nèi)壓力變化，適時(shí)加壓或減壓。當(dāng)需要出鐵水時(shí)，動(dòng)力氣源大幅度減壓，鐵水即可流出；當(dāng)需要封堵鐵口時(shí)，動(dòng)力氣源大幅度加壓即可封住鐵口通道。當(dāng)高爐爐內(nèi)壓力有變化時(shí)，動(dòng)力氣源可適時(shí)微小幅度加壓或減壓。由于鐵水在全封閉的空間內(nèi)流動(dòng)，動(dòng)力氣源的調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間和精度都不需要特別精確。 采用上述方式對(duì)高爐進(jìn)行維護(hù)，不僅打開鐵口簡(jiǎn)單，閉合鐵口也很簡(jiǎn)單，完全省去了高爐爐前設(shè)備，而且開口與閉口時(shí)間短，可靠性高，無(wú)需人工在危險(xiǎn)的爐前操作。另外，冶煉的鐵水可全程不與大氣接觸，避免產(chǎn)生煙塵，避免氧化，節(jié)能環(huán)保。 4結(jié)論 通過創(chuàng)新方法（）的引入和