基于TRIZ理论的高炉开铁口机设计

田 兆 营

（中冶南方工程技术有限公司 湖北 武汉 ４３０２２３）

摘 要：介绍了ＴＲＩＺ理论的产生和其体系内容以及ＴＲＩＺ理论的基本解题流程和方法，在此基础上针对高炉开铁口机的钻头在使用中存在严重磨损的问题，遵循ＴＲＩＺ理论的解题流程和方法对开铁口机进行了系统分析，通过三轴分析确定开铁口机钻具严重磨损的层层原因，并按照物理矛盾分析和资源分析的解题流程对开铁口机进行了创新设计。

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关键词 ：开铁口机；钻具；磨损；ＴＲＩＺ

中图分类号：TH122 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．14．０50

以铁水为产品的高炉炼铁工艺中炉前出渣铁作业是生产的重要环节。及时安全可靠地打开铁口通道出尽渣铁不仅能够保证生产的稳定顺利，而且可以最大限度地提高高炉抵抗外界不利因素影响的能力，保证高炉寿命。开铁口机是用于高炉炉前打开铁口通道的专用设备。

由于高温铁水的热量辐射，再加之无水泥炮的广泛使用等原因，开铁口机钻头的磨损情况严重，打开一次铁口通道需要多个钻头，更换钻头费时费力，严重的时候还会影响高炉的正常生产。钻头的更换不仅使生产成本增加，而且也会带来极大的安全隐患。这一问题在大型化的高炉上尤其突出，此问题一直困扰着各大中型钢铁企业。

1 ＴＲＩＺ理论概述

ＴＲＩＺ理论是由前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒在１９４６年提出的。从１９４６年开始，阿奇舒勒正式开展了发明问题解决理论的研究工作，并在以后数十年中一直致力于ＴＲＩＺ理论的研究和完善。在其领导下，前苏联的数十家研究机构、大学、企业组成ＴＲＩＺ的研究团体，先后分析了全球近２５０万份高水平的发明专利，总结出各种技术发展进化所遵循的规律模式，以及解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新原理和法则，建立起一个由解决技术问题，实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系，并综合多学科领域的原理和法则，建立起了ＴＲＩＺ的理论体系。

ＴＲＩＺ的涵义是“发明问题解决理论”，是由俄文转换为拉丁文的词头缩写，其英文全称是Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｖｅｎｔｉｏｎ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ（ＴＩＰＳ）。ＴＲＩＺ理论体系庞大，包含多个系统以及科学而又富有可操作性的创造性思维方法和发明问题的分析方法与解决工具。经过半个多世纪的发展，ＴＲＩＺ形成了九大经典理论体系，即：技术系统进化法则、最终理想解（ＩＦＲ）、４０个发明原理、３９个通用工程参数和矛盾矩阵、物理矛盾与分离原理、物场模型分析、发明问题的标准解法、发明问题解决算法（ＡＲＩＺ）、科学效应和现象知识库。

ＴＲＩＺ解决问题的模式打破了通过试错法或头脑风暴法直接从待解决的问题到最终解决方案的常规方法，采用了类似“过桥”的方式解决问题。应用ＴＲＩＺ解决问题的总的流程是：首先应用分析工具对问题进行转化，把特定的待解决问题转化为ＴＲＩＺ的标准问题；然后利用基于知识的ＴＲＩＺ工具，得到解决问题的一般方案，即ＴＲＩＺ的标准方案；最后结合具体问题的领域知识和经验，得到具体的发明问题解决方案。

2 问题的确定及分析

2.1 技术问题的确定及描述

开铁口机是高炉炉前的重要设备，图１是其主要组件结构示意图，主要包括回转机构（或悬挂机构）、进退机构、钻孔机构和防护件等部分。进退机构主要靠液压马达带动链条实现进退动作，钻孔机构包括钻头、钻杆、冲击器等。其工作流程是：当高炉内冶炼的铁水达到预定量后，系统发出打开铁口的信号，开铁口机的回转机构（或悬挂机构）将开铁口机的进退机构和钻孔机构对准铁口，然后依靠冲击器带动前端钻头的冲击和旋转运动来破损铁口通道堵塞物。随着钻孔的深入，进退机构要驱动钻孔机构适时向着铁口通道的深处不断持续前进，从而实现完全打开铁口通道。当打开铁口通道后，进退机构反向驱动，带动钻孔机构快速退回，然后回转机构（或悬挂机构）带动进退机构和钻孔机构一起退出至待机位，等待下一次钻孔作业。如此循环，适时打开铁口通道，使冶炼好的高温铁水定期顺利流出至下一工序。

本方案的问题在于：随着高炉容积的日益增大，其铁口深度也不断加深，而钻头的耐磨性能不可能无限制的提高，加之无水泥炮的广泛使用，这就导致在打开铁口的过程中，钻头发生急剧的磨损，导致难以准时打开铁口。打开一次铁口需要多次停机更换钻头，费时费力。本项目是针对开铁口机钻具磨损这一问题，进行结构优化和方案创新。

2.2 系统分析

首先对系统进行分析，通过系统分析和资源分析，深入了解各个组件的功能，明确各个组件之间的关系以及组件之间的相互作用，并确定这些作用是有用的、有害的或者过度或是不足的，从而找到解决的具体点，系统组件模型图如图２所示。

2.3 问题分解

问题分解是利用三轴问题分析法来进行，主要是沿操作轴、系统轴和因果轴对初始问题进行分析与重定义；将复杂的工程问题分解成多个简单的子问题，以得到一个更精确的问题定义，或将此问题扩展到可能存在的其它领域中去，最终得到可能的潜在问题原因，并明确问题解决方向。

3 解决问题

解决问题就是针对问题模型利用中间工具解决找到解决方案模型，再把解决方案模型转化为本领域问题解的过程。创新原理、标准解、进化路线、知识效应库都是解决问题的工具。本文借助于物理矛盾分析及资源分析等问题分析工具，针对降低开铁口机的磨损这一课题进行实际运用。

３．１ 基于物理矛盾分析的解决问题

所谓物理矛盾就是针对系统的某个参数，提出两种不同的要求。物理矛盾是常见的一种矛盾，当对一个系统的某个参数具有相反的要求时就出现了物理矛盾。因此，物理矛盾是针对一个参数的矛盾，技术矛盾是两个参数之间的矛盾。其解题步骤如下：

（１）选取技术系统的某一因果分析。从钻具的偏移导致钻头磨损作为问题的入手点。

（２）从因果轴定义技术矛盾。系统中已有物质资源即为钻具本身，其自身既要有一定长度，保证能够打通铁口通道，同时钻具长度又要短，因为在钻具粗细一定的条件下，愈长的钻具其悬臂梁效应会更加明显，导致钻具过早发生偏移，脱离预定的铁口通道。

（３）提取物理矛盾。上述要求钻具既要足够长又要足够短，这就是一对物理矛盾。

（４）分离矛盾。物理矛盾的解决方法一直是ＴＲＩＺ理论研究的重要内容。解决物理矛盾的核心思想是实现矛盾双方的分离。现代ＴＲＩＺ理论在总结解决物理矛盾的各种方法的基础上，提炼出了分离方法，分为四种基本类型，即空间分离、时间分离、条件分离和系统级别分离。

本课题中，当钻头刚开始钻孔时，需要钻具长度很短，以便可以轻易对准铁口并且便于作业；随着钻孔的深入，需要钻具的长度不断加长，以便可以持续打开铁口通道，从而最终完全打开铁口通道。那么，钻具的长短在时间段内不存在交叉，因此适用于上述四种中分离方法的时间分离方法。

（５）方案描述。基于此，利用动态特性原理和嵌套原理。考虑到将钻具设置为内外多层嵌套结构，在钻具刚开始作业时钻具很短，随着作业的深入钻具才逐渐伸长，这样既提高了开孔的准确性，又可使得开铁口机的轨梁等部件尺寸大大减少，从而大大减少了开铁口机的占地空间，为炉前操作带来极大方便。同时，冲击器的位置可固定不动，进退机构可以完全省去，使整机大为简化，方案的结构示意图如图3所示。

３．２ 基于资源分析的解决问题

所谓资源分析就是从系统的高度研究分析资源，挖掘系统的隐形资源，关注系统资源间的有机联系，合理地组合、配置、优化资源结构，提升系统资源的应用价值或理想度。系统资源可按照物质、能量、时间、空间、结构、功能、信息等角度来进一步细分。利用资源分析解决问题的一般步骤如下：①发现及寻找资源。通过工具寻找出系统内外的显性资源；②挖掘及探索资源。向纵深获取更多有效的、新颖的、潜在的、有用的派生资源；③整理及组合资源。对所有资源进行识别、选取、激活并有机融合，使它们具有系统性、适应性、条理性和应用性；④评价及配置资源。评价的原则是使有限的资源产生最大的效益，为取得预定效益尽可能少地消耗资源。

结合本课题，按照上述步骤进行资源分析。表１是按照操作轴和系统轴发现和挖掘各种资源。经过分析发现，超系统中的资源有很多且很有价值。

高炉冶炼过程中，随着冶炼的进行会持续的产生高温铁水和高炉煤气，高温铁水由于重力会在高炉底部的炉缸内汇集，而高炉煤气不断向高炉上方移动，经过煤气上升管和下降管后经除尘最后并入钢铁企业总煤气管网。因此，铁口通道需要定期打开，让汇集在炉缸内的铁水顺利流出，流出完毕后需要重新将铁口通道堵上，待铁水再次汇集达到炉缸内预定高度后再一次的打开铁口通道。对于大型高炉，由于其铁水产量大，实际上在整个冶炼过程中铁水会不间断流出，因此往往是冶炼产生的铁水还没完全流出铁口通道就需要堵上这个铁口通道，同时打开另一个铁口通道，高炉的全部铁口通道实行无间断作业，保证铁水时时流出。综上，铁水是需要时时流出的，高炉煤气也是会时时会产生的。因此，整合高炉煤气的物质和能量资源，使其具有新的功能。

考虑将炉顶煤气引入出铁场，在铁口通道持续通入气体用来密封铁水，其压力可适应、可调节，这样就会使整个高炉成为一个动态闭合空间，此方案结构示意图如图4所示。具体来说，随着铁水液面升高，铁口通道处的压强就会增大；同时，随着铁水液面的升高，其对应高炉炉墙的温度也会升高，铁口通道内的气体也会膨胀，压力也会增大。动力气源可根据铁口通道内压力变化，适时加压或减压。当需要出铁水时，动力气源大幅度减压，铁水即可流出；当需要封堵铁口时，动力气源大幅度加压即可封住铁口通道。当高炉炉内压力有变化时，动力气源可适时微小幅度加压或减压。由于铁水在全封闭的空间内流动，动力气源的调节响应时间和精度都不需要特别精确。

采用上述方式对高炉进行维护，不仅打开铁口简单，闭合铁口也很简单，完全省去了高炉炉前设备，而且开口与闭口时间短，可靠性高，无需人工在危险的炉前操作。另外，冶炼的铁水可全程不与大气接触，避免产生烟尘，避免氧化，节能环保。

4 结论

通过创新方法（ＴＲＩＺ）的引入和先进技术手段（ＣＡＩ／ＣＡＤ／ＣＡＥ）的运用，通过发现问题、分析问题、解决问题等阶段的实战，对于此技术难题从多角度得到了多个解决方案。接下来将结合市场和客户需要，进一步完善本系统，争取早日完善现有产品并适时推进创新方案的实施，进而投入市场，服务冶金行业。

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参考文献

１ 史晓凌，许东双，范岩峰，等．ＴＲＩＺ简明教程［Ｍ］．北京：北京亿维讯科技有限公司，２００９

２ 李艳．基于ＴＲＩＺ的印刷机械创新设计［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１４

３ 赵敏．ＴＲＩＺ入门及实践［Ｍ］．北京：科学出版社，２００９

（责任编辑 亢婷婷）