韓立浩 李躍華 韓立寧 劉燕霞 曹 磊

(1. 河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系；2. 河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 基礎(chǔ)課教學(xué)部，河北 石家莊 050091；3. 安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司 第一軋鋼廠，河南 安陽 455004)

0 引言

COREX豎爐內(nèi)含鐵爐料的黏結(jié)一直是COREX工藝的一個(gè)重大難題[1]。印度VJSL公司1號和2號預(yù)還原豎爐因爐料黏結(jié)而進(jìn)行清空處理，到2004年，年均因爐料黏結(jié)產(chǎn)生的清爐次數(shù)達(dá)到3次/年。南非COREX-2000預(yù)還原豎爐的運(yùn)行情況比印度稍好，但每年需要清空作業(yè)的次數(shù)仍大于2次。寶鋼C-3000投產(chǎn)截止2014年以來，因豎爐內(nèi)爐料黏結(jié)，已進(jìn)行了8次清空作業(yè)，豎爐清空不僅需要長時(shí)間的休風(fēng)，而且還要消耗大量的物料和人力，嚴(yán)重影響著COREX工藝鐵水的競爭力。

預(yù)還原豎爐內(nèi)爐料在下部發(fā)生黏結(jié)成塊，累計(jì)到一定的程度后，使得螺旋排料器排料困難，而被迫進(jìn)行清爐作業(yè)，嚴(yán)重影響預(yù)還原豎爐的順行，降低了設(shè)備使用效率，增高了煉鐵成本。此外，COREX投產(chǎn)后出現(xiàn)海綿鐵落料管煤氣反竄現(xiàn)象，即氣化爐內(nèi)約1050℃高溫的未經(jīng)過除塵的高粉塵煤氣通過DRI下降管直接反竄進(jìn)入豎爐，而豎爐設(shè)計(jì)接受煤氣溫度為850℃。煤氣反竄嚴(yán)重則引起豎爐內(nèi)ADW上黏結(jié)和架橋，并導(dǎo)致海綿鐵螺旋上方懸料，螺旋不能正常排料，從而使對應(yīng)上方的爐料形成死料區(qū)，加劇圍管下部爐壁的黏結(jié)。本文擬通過TRIZ理論分析，對豎爐向氣化爐輸送含鐵爐料的設(shè)備及工藝進(jìn)行改造，為豎爐順利向氣化爐提供含鐵原料提供建議和思路，其具有重要的生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 TRIZ理論簡介

TRIZ理論[2]也稱發(fā)明問題解決理論(Theory of Inventive Problem Solving，TRIZ是其俄文首字母縮寫)，是由前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒(G. S. Altshuller)研究團(tuán)隊(duì)通過對高水平發(fā)明專利進(jìn)行分析和提煉之后總結(jié)出來的指導(dǎo)人們進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)新、解決工程問題的系統(tǒng)化的方法學(xué)體系，因而阿奇舒勒也被尊稱為TRIZ理論之父。

TRIZ理論以辯證法、系統(tǒng)論和認(rèn)識論為哲學(xué)指導(dǎo)，以自然科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)和思維科學(xué)的研究成果為根基和支柱，以技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則為理論基礎(chǔ)，包括了技術(shù)系統(tǒng)和技術(shù)過程、(技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化過程中產(chǎn)生的)矛盾、(解決矛盾所用的)資源、(技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化方向)理想化等基本概念。TRIZ理論提供了分析工程問題所需的方法，包括矛盾分析、功能分析、資源分析和物場分析等，同時(shí)還提供了相應(yīng)的問題求解工具，包括技術(shù)矛盾創(chuàng)新原理、物理矛盾分離原理、科學(xué)原理知識庫和發(fā)明問題標(biāo)準(zhǔn)解法等。TRIZ理論針對復(fù)雜問題的求解提供了發(fā)明問題解決算法(ARIZ)，同時(shí)TRIZ理論還包括了一些創(chuàng)新思維的方法，例如九屏幕法、智能小人法、金魚法等等。

TRIZ理論成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。它不是采取折衷或者妥協(xié)的做法，而且它是基于技術(shù)的發(fā)展演化規(guī)律研究整個(gè)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程，而不再是隨機(jī)的行為。實(shí)踐證明，運(yùn)用TRIZ理論，可大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品。

2 問題初始形勢分析

2.1 豎爐向氣化爐輸送礦石系統(tǒng)工作原理

塊礦、球團(tuán)礦和熔劑加入豎爐，經(jīng)還原煤氣還原后形成一定金屬化率的DRI，套筒焊接在豎爐側(cè)壁，旋轉(zhuǎn)軸上焊接有螺旋葉片，電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)軸從而帶動螺旋葉片轉(zhuǎn)動，進(jìn)而將DRI送至輸料管道，加入氣化爐中，圖1中虛線箭頭指示的是螺旋排料器中礦石走向。

圖1 COREX豎爐排料

2.2 問題出現(xiàn)的條件和時(shí)間

豎爐向氣化爐輸送礦石時(shí)，對系統(tǒng)問題出現(xiàn)的條件和時(shí)間進(jìn)行了如下分析：

(1)當(dāng)進(jìn)入豎爐中煤氣溫度過高時(shí)，造成爐料粘結(jié)，超過螺旋排料螺距，排料困難，影響順行。

(2)當(dāng)氣化爐內(nèi)約1050℃高溫的未經(jīng)過除塵的高粉塵煤氣通過礦石下降管直接反竄進(jìn)入豎爐，煤氣反竄嚴(yán)重則引起豎爐內(nèi)礦石黏結(jié)，尺寸變大，導(dǎo)致螺旋不能正常排料。

(3)當(dāng)入爐礦粉化嚴(yán)重時(shí)，易造成固相黏結(jié)，導(dǎo)致爐料尺寸增加，以致螺旋發(fā)生堵塞，不能正常向氣化爐輸料。

2.3 問題或類似問題的現(xiàn)有解決方案分析

經(jīng)過文獻(xiàn)查閱和專利查詢[3, 4]，目前關(guān)于該系統(tǒng)存在問題的解決方法有如下幾種：

(1)對加入豎爐的礦石添加涂層，防止?fàn)t料黏結(jié)，該方法較好地解決了此問題，但為給礦石表面添加涂層，需另設(shè)置涂層廠，增加成本投入，并延長冶煉時(shí)間。

(2)在螺旋排料器上方某位置添加破碎裝置，但該方法不適于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，從而影響生產(chǎn)率。

(3)改變螺旋尺寸分布，在螺旋排料器進(jìn)料位置采用小尺寸、短螺距分布，而在排料位置采用大尺寸、長螺距分布，這樣雖可較好地改善由于爐料黏結(jié)造成的螺旋排料失效問題，但其為整體不可拆卸結(jié)構(gòu)，若某一螺旋刀片破損需整體更換，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響生產(chǎn)率。

3 運(yùn)用TRIZ工具解決問題

3.1 功能分析

3.1.1 系統(tǒng)分析

依據(jù)TRIZ理論的解題流程，對系統(tǒng)進(jìn)行問題描述后，首先應(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過系統(tǒng)分析和因果鏈分析，可深入了解各個(gè)元件的功能，明確各個(gè)元件之間的關(guān)系，以及元件之間的相互作用，并確定這些作用是有用的、有害的或者是過度或者是不足的，以此找到解決問題的關(guān)鍵點(diǎn)，元件分析如表1所示，系統(tǒng)的整體功能分析如圖2所示。

表1 系統(tǒng)元件分析

圖2 系統(tǒng)的整體功能

3.1.2 因果鏈分析

應(yīng)用因果鏈分析法確定輸送系統(tǒng)產(chǎn)生問題的原因，如圖3所示，分析知導(dǎo)致豎爐向氣化爐輸送礦石出現(xiàn)問題的原因有：螺旋葉片尺寸不合理；螺旋排料器螺距分布不合理；高溫煤氣反竄。

3.2 TRIZ工具

3.2.1 理想解分析

根據(jù)TRIZ理想解分析，其流程如下：解決系統(tǒng)問題的最終理想解是螺旋排料器不再發(fā)生堵塞，次理想解是螺旋排料器清空周期延長至180天左右；設(shè)計(jì)的最終目的是延長螺旋排料器清空周期；理想解是豎爐向氣化爐輸送礦石過程不再發(fā)生堵塞，達(dá)到理想解的障礙是氣化爐中會有高溫煤氣反竄至輸料通道、豎爐中礦石粘結(jié)，尺寸變大，出現(xiàn)這種障礙的結(jié)果是螺旋排料失效，礦石不能順利加入氣化爐。若要不出現(xiàn)此障礙需不出現(xiàn)高溫煤氣反竄或強(qiáng)制冷卻反竄的高溫煤氣，可用輸料管道處冷卻水或高溫煤氣兌入冷煤氣，從而依據(jù)理想解分析得到方案為：在輸料通道處通入冷卻氣體或引入冷卻水用于冷卻從氣化爐反竄來的高溫煤氣。

3.2.2 可用資源分析

在TRIZ研究的歷史上，1982年Vladimir Petrov首先提出了技術(shù)系統(tǒng)超額供給的概念，認(rèn)為技術(shù)系統(tǒng)所具有的某些能力通常都大于需求，可以利用這些多余的能力，增加系統(tǒng)的理想化水平，這就是系統(tǒng)中可用資源的概念。1985年，Altshuller引入了物質(zhì)-場資源的概念[5]?；谫Y源可獲得的容易程度，資源可分為：內(nèi)部資源、外部資源、超系統(tǒng)中的資源三類，對該輸送系統(tǒng)可用資源進(jìn)行分析，如表2所示。

圖3 因果鏈分析法得出的問題原因

表2 輸送系統(tǒng)可用資源分析

3.2.3 問題求解

針對螺旋葉片尺寸不合理；螺旋排料器螺距分布不合理；高溫煤氣反竄三個(gè)問題關(guān)鍵點(diǎn)，運(yùn)用TRIZ理論分析工具尋求可實(shí)施方案。

(1)應(yīng)用沖突解決理論[6, 7]。 為了改善輸送礦石受阻問題，要求增大螺旋排料器的螺旋葉片尺寸，但這樣會導(dǎo)致螺旋葉片壽命降低，這就構(gòu)成了一對技術(shù)沖突。轉(zhuǎn)換成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突為：改善的參數(shù)是運(yùn)動物體的面積(5)，惡化的參數(shù)是強(qiáng)度(14)，查找沖突矩陣得到解決方案。方案一：依據(jù)發(fā)明原理3：局部質(zhì)量-1，將物體或環(huán)境的均勻結(jié)構(gòu)變成不均勻結(jié)構(gòu)。也即對螺旋葉片表面進(jìn)行熱處理增加其使用強(qiáng)度、添加涂層或使其具自清潔處理功能；方案二：依據(jù)發(fā)明原理15：動態(tài)化-3，如果一個(gè)物體是靜止的，使之變?yōu)檫\(yùn)動的或可改變的。也即參照電磁振動給料器，使螺旋排料器具振動功能，改善不能向氣化爐輸料問題。

同樣地，為了改善COREX豎爐向氣化爐輸送礦石受阻問題，需要參數(shù)螺旋葉片尺寸增大，但又為了改善螺旋排料葉片壽命，需要參數(shù)螺旋葉片尺寸減小，這就構(gòu)成了一對物理沖突。依據(jù)4條分離原理(空間分離、時(shí)間分離、基于條件的分離、整體與部分分離)當(dāng)中的空間分離原理No.3局部質(zhì)量，得到解決方案。方案三可描述為在螺旋葉片上添加涂層或使其具自清潔功能，即使礦石發(fā)生粘結(jié)，也不會與螺旋葉片出現(xiàn)粘附現(xiàn)象。

為了改善系統(tǒng)的螺旋螺距分布問題，要求螺旋具備可拆卸性，但這樣會導(dǎo)致螺旋排料器的螺旋可制造性難度增加，這同樣是一對技術(shù)沖突。轉(zhuǎn)換成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突為：改善的參數(shù)是形狀(12)，惡化的參數(shù)是可制造性(32)，查找沖突矩陣得到解決方案。方案四：依據(jù)發(fā)明原理1：分割-2，使物體分成容易組裝及拆卸的部分(連接性)，也即將螺旋葉片分成容易組裝及拆卸的部分，如圖4所示，其為分段可拆卸螺旋，第一段、第二段、第三段之間采用鍵銷連接固定。第一段螺旋尺寸較小，與豎爐內(nèi)礦石接觸，可使較多的礦石進(jìn)入螺旋排料器，增加礦石下料率；第二段、第三段螺旋尺寸逐漸增大，使礦石不易在螺旋排料器內(nèi)卡滯，此種結(jié)構(gòu)螺旋排料器改善了豎爐內(nèi)礦石向氣化爐輸送時(shí)的卡滯現(xiàn)象，還改善了因某段螺旋破壞而需更換整個(gè)螺旋的問題，提高更換速率，進(jìn)而提高生產(chǎn)率。

針對高溫煤氣反竄問題，若要減少高溫煤氣反竄，要求減小輸料管道口徑，但這樣會導(dǎo)致系統(tǒng)的生產(chǎn)率降低，這是一對技術(shù)沖突。轉(zhuǎn)換成TRIZ標(biāo)準(zhǔn)沖突為：改善的參數(shù)是靜止物體的面積(6)，惡化的參數(shù)是生產(chǎn)率(39)，查找沖突矩陣得到解決方案。方案五：依據(jù)發(fā)明原理15：動態(tài)化-1，使一個(gè)物體或其環(huán)境在操作的每一個(gè)階段自動調(diào)整，以達(dá)到優(yōu)化的性能，也即使輸料管道在輸料過程中能夠根據(jù)進(jìn)入其內(nèi)的煤氣量自動調(diào)整尺寸，以最大程度抑制煤氣反竄，如圖5所示。圖5中箭頭方向?yàn)榈V石輸送方向，填充黑色的形狀物為礦石。在輸料管道下部安裝有煤氣檢測儀表，可檢測煤氣溫度、煤氣量等信息，用于自動調(diào)整輸料管道的尺寸；方案六：依據(jù)發(fā)明原理7：套裝-2，使一個(gè)物體穿過另一物體的空腔，也即將輸料管道采取套裝的形式，與氣化爐連接處采用小口徑管道(抑制煤氣反竄量)，與螺旋排料器連接處采用大口徑管道(使礦石易于進(jìn)入管道，提高生產(chǎn)率)，如圖6所示。

圖5 可自動調(diào)整尺寸的輸料管道 圖6 套裝形式的輸料管道

(2)應(yīng)用物質(zhì)-場分析及76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解，首先，建立問題的物質(zhì)-場模型，如圖7所示。其次，根據(jù)所建立的物質(zhì)-場模型，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決流程，得到標(biāo)準(zhǔn)解為：No.11有害作用是由一個(gè)場引起的，引入要素S3吸收有害效應(yīng)。對高溫還原煤氣和輸料管道的作用建立已有系統(tǒng)的功能分析，如圖8所示。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解，得到該問題的解為：在輸料管道處安裝抽氣裝置，吸收反竄入輸料管道的還原煤氣，得到改進(jìn)之后的物質(zhì)-場模型如圖9所示。

圖7 物質(zhì)-場模型

圖8 功能分析

圖9 改進(jìn)后的物質(zhì)-場模型

圖10 一種可用于抽除還原煤氣的裝置

根據(jù)改進(jìn)后的物質(zhì)-場模型，確定問題要實(shí)現(xiàn)的功能為“Remove gas”，查找效應(yīng)知識庫，得到可用的效應(yīng)為“Vacuum”，依據(jù)該效應(yīng)得到問題的解決方案，如圖10所示。

4 技術(shù)方案及評價(jià)

根據(jù)TRIZ理論對以上方案進(jìn)行可用性評價(jià)，如表3所示。

根據(jù)系統(tǒng)性、可比性的原則構(gòu)建指標(biāo)評價(jià)體系，經(jīng)過各項(xiàng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得到8種方案的指標(biāo)數(shù)據(jù)，依據(jù)TOPSIS法計(jì)算評價(jià)[8]，確定可用的解為：①對螺旋葉片進(jìn)行熱處理增加其強(qiáng)度，同時(shí)添加一涂層(該涂層不與礦石潤濕)，并使螺旋葉片可拆分，以適應(yīng)不同狀態(tài)下的排料；②輸料管道采用“漏斗型”管道；③在輸料管道處安裝一真空裝置，用于抽除反竄至輸料管道的還原煤氣。形成5個(gè)專利預(yù)案：一種可用于抽除還原煤氣的裝置；一種可自動調(diào)節(jié)口徑的輸料管道；一種可拆分的螺旋葉片；一種帶自清潔功能的螺旋排料器；一種帶振動功能的螺旋排料器。

表3 8種可行方案及可用性評估

5 結(jié)語

本文以COREX豎爐向氣化爐輸送礦石問題為研究對象，基于TRIZ理論，對系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了描述，進(jìn)一步建立了整體功能模型圖，采用因果鏈法進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并確定了問題關(guān)鍵點(diǎn)；采用技術(shù)沖突、物理沖突、物質(zhì)場-76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解及效應(yīng)工具進(jìn)行了求解。對豎爐向氣化爐輸送含鐵爐料的設(shè)備及工藝改造提供了新穎的思路，包括設(shè)置抽除還原煤氣的裝置、使用可自動調(diào)節(jié)口徑的輸料管道、改進(jìn)螺旋排料器葉片及螺旋排料器具有自清潔功能或振動功能，預(yù)計(jì)均可取得良好效果，為順利向氣化爐提供含鐵原料提供保證，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，其必將為COREX煉鐵產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，TRIZ理論體系非常符合COREX煉鐵行業(yè)未來發(fā)展的趨勢需求，應(yīng)在本領(lǐng)域廣泛的推廣和應(yīng)用TRIZ理論。