基于TRIZ的高炉炉顶布料器水冷系统设计

夏 志 煌

（中冶南方工程技术有限公司 湖北 武汉 ４３０２２３）

摘 要：介绍了ＴＲＩＺ理论的产生及体系内容，并遵循ＴＲＩＺ的解题流程和方法，对滑触线布料器进行了系统分析，通过三轴分析找出了倾动电机不能耐高温的具体原因，并通过九屏幕法进行资源分析，在此基础上，对滑触线布料器的水冷系统进行了设计。

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关键词 ：布料器；水冷系统；ＴＲＩＺ

中图分类号：TF549 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．02．０42

基金项目：科技部创新方法工作专项“湖北省创新方法应用推广与示范”（项目编号：２０１３ＩＭ０２２１００）

收稿日期：２０１４－１２－０２

０ 引言

高炉炉顶布料器是现代高炉的关键设备。目前世界上采用最普遍的是卢森堡ＰＷ公司行星差动齿轮传动的布料器，占据了绝对的市场，但随着无钟炉顶布料器的广泛应用，其缺点也日益暴露出来，例如设备重量大、结构和传动系统复杂及专利保护造成的价格昂贵等，因此，国内外对布料器开展了大量的研究，中冶南方工程技术有限公司（以下简称中冶南方）也于２０１１年着手研究新一代无耦合布料器——滑触线式布料器。滑触线布料器将整个倾动机构安装在旋转装置上面，使得溜槽的旋转和倾动相对独立，无需解耦，通过滑触线给倾动电机供电。该方案结构简单，控制方便，在制造成本上有极大的优势，但由于将倾动电机置于布料器内部，而布料器内部又是高温多尘的恶劣环境，如何解决倾动电机的耐高温问题是研发滑触线布料器技术的关键。

发明问题解决理论（Ｔｅｏｒｉｙａ Ｒｅｓｈｅｎｉｙａ Ｉｚｏｂｒｅａｔａｔｅｌｓｋｉｋｈ Ｚａｄａｔｃｈ，ＴＲＩＺ）是一种具备完整理论体系的创新方法，通过ＴＲＩＺ的解题流程和方法，能够帮助人们打破思维定式，开拓思维，并遵循合理的流程和途径得到解决问题的方法。ＴＲＩＺ理论在我国推广以来，已在传统制造业、航空航天及军事领域等方面得到了应用。并发挥巨大作用，笔者有幸与２０１３年底参加湖北省科技厅组织的创新示范企业培训班，学习ＴＲＩＺ知识，本文将按照ＴＲＩＺ的解题方法来研究滑触线布料器倾动电机的耐高温问题。

１ ＴＲＩＺ理论概述

ＴＲＩＺ的主要创立者是前苏联的海军专利审查员阿奇舒勒，阿奇舒勒及他的合作者对上百万份专利进行了整理和分析，并选择其中40万份具有代表性的专利进行了总结，总结发现在不同的应用领域，各种专利在解决不同问题时却具有极其相似的理念，并且在解决问题上也采用了类似的方法。因此，阿奇舒勒团队在总结这些共同点的基础上，创建了ＴＲＩＺ体系，现代ＴＲＩＺ体系主要由如下几部分组成：

（1）８大技术系统进化法则。促使人们知道技术系统是如何进化的，为技术创新指明方向。

（2）ＩＦＲ最终理想解。促使人们明确理想解所在的方向和位置， 避免由于折中法缺乏目标所带来的弊端。

（3）４０个发明原理。指引发明的原理，使创造性思维得到扩张。

（4）３９个通用参数和阿奇舒勒矛盾矩阵。通过对矛盾的分析，在矛盾表中查找可能的解法，解法是由４０个发明原理组成的物理矛盾和分离原理，促使我们发现物理矛盾的１１条分离方法和４大分离原理。

（5）物－场模型分析。一种重要的问题描述和分析工具，用以建立与已存在的系统或新技术系统问题相联系的功能模型。可以通过物－场分析法描述的问题一般称为标准问题，可以采用７６个标准解法进行求解。

（6）７６个标准解法。针对标准问题提出的解法，标准解法是ＴＲＩＺ高级理论的精华之一。

（7）ＡＲＩＺ发明问题解决算法。非标准问题主要应用ＡＲＩＺ来进行解决。ＡＲＩＺ的思路是将非标准问题通过各种方法进行变换，转化为标准问题，然后应用７６个标准解法来予以解决。

（8）科学原理知识库。物理、化学、几何等领域的科学原理可以有效帮助发明问题的解决，并为技术创新提供丰富的方案来源。

２ ＴＲＩＺ在无耦合布料器水冷系统设计中的应用

２．１ 问题描述

高炉炉料经中心喉管后进入布料器溜槽内，在通过溜槽按工艺要求将炉料布置到高炉内。为了实现溜槽能够按照工艺要求将炉料布置到高炉内，要求溜槽必须具有随旋转筒体一起绕布料器中心线公转和绕蜗轮轴线的自转两个运动，无耦合布料器将倾动电机置于旋转筒体上，旋转电机实现公转，倾动电机实现自转。问题出现在将倾动电机置于旋转筒体上，因为旋转筒体位于布料器壳体的内部，内部温度正常工作环境温度５０~７５℃，瞬时环境温度可能会达到２００℃，为一个高温的环境，因此要求对倾动电机进行水冷，而现在还没有一个合适的方案。无耦合布料器的结构图如图１所示。

２．２ 系统分析

根据ＴＲＩＺ理论的解题流程，在进行问题描述后，首先应对系统进行分析，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、有害的或是过度或者不足的，以找到解决问题的薄弱点，系统的组件模型见图２所示。

２．３ 问题分解

问题分解利用三轴问题分析法来进行，主要是沿流程时序轴、系统层次轴和因果关系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。通过因果轴的分析，导致倾动电机冷却不足的原因有：冷却水的强度不够；倾动电机的材料不能承受高温；高炉煤气的阻隔热辐射。

２．４ 资源分析

依据高炉炉顶布料器的发展，分别列出无耦合布料器的系统、子系统、超系统，系统的未来，系统未来的子系统，系统未来的超系统，系统的过去，系统过去的子系统，系统过去的超系统。通过九屏幕法的分析，找出系统及超系统内的资源。

通过九屏幕法的分析（见图3），系统中可用的资源包括旋转组件，倾动组件、旋转体、壳体、水冷系统、润滑系统等物质资源，以及由旋转电机、倾动电机提供的机械能和滑触线提供的电能等能量资源。

２．５ 解决方案

根据上述三轴分析和资源分析，从冷却水的强度不够入手，针对现有开式水冷不能加压的原因，可以充分利用滑触线提供的电能，增加一个电动潜水泵，对冷却水加压。

如图4所示，在旋转圆筒的上部有上水槽，冷却水进入上水槽后，通过进水水道进入电动潜水泵，电动潜水泵通过滑触线供电，有两个冷却水道，分别为第一冷却水道和第二冷却水道，第一冷却水道中的冷却水进入倾动电机，对倾动电机进行冷却，然后流入位于布料器壳体下部的下水槽，第二冷却水道进入旋转圆筒，对旋转圆筒进行冷却，最后也流入下水槽，下水槽内设置有出水管，冷却水最后从出水管中排出。冷却水进入电动潜水泵后即可对旋转圆筒和倾动电机进行加压冷却，提高整个布料器的冷却效果。在布料器壳体上设有温度检测元件，用于检测布料器壳体内部的温度，当温度升高时，通过调节电动泉水泵的压力来加大冷却强度，同时加大上水槽中的进水量。在下水槽内设置有下水槽水位检测元件，用于检测下水槽的水位，当潜水泵的冷却水量增大的，下水槽的水位必然升高，通过加大出水管的抽水强度来加大排水。

３ 结论

我国高炉炉顶布料器设备自２０世纪７０年代以来长期依赖进口，虽然近年来也开展了一些研究，但在成本及可靠性方面没有太大突破，加上在传动原理上存在一些相似性，创新不足。滑触线式布料器方案新颖，传动原理简单，通过解决一些具体的技术细节问题以保证其可靠性，必将为布料器的进一步发展产生深远的影响，本文利用ＴＲＩＺ及Ｐｒｏ／Ｉｎｎｏｖａｔｏｒ 创新平台，解决了滑触线布料器倾动电机的耐高温问题，为滑触线布料器的进一步实施提供了技术保障，ＴＲＩＺ理论体系及其创新软件十分符合我国冶金设备行业未来发展的趋势需求，在未来也会在本领域得到广泛的推广和应用。

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参考文献

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

２ 沈萌红．ＴＲＩＺ 理论及机械创新实践［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１２

３ 赵敏．ＴＲＩＺ 入门及实践［Ｍ］．北京：科学出版社，２０１０

（责任编辑 亢婷婷）