徐曉麗，蘇艷芳，賈佳鑫，孫圓圓，趙振寧

(遼寧科技大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114000)

焦炭是高爐進行煉鐵的重要原材料，其主要成分是固定碳，它的功能除了燃燒去提供熱源，還會和二氧化碳生成一氧化碳，而生成的一氧化碳則會把鐵礦石還原成鐵；另外還充當(dāng)著滲炭劑和骨架支撐的角色。高爐生產(chǎn)焦炭反應(yīng)性是指焦炭在高爐內(nèi)與CO2氣體的反應(yīng)能力。在過去的研究表明，焦炭反應(yīng)性與焦炭反應(yīng)后強度一般具有反比的關(guān)系[1]。焦炭反應(yīng)性過高會降低焦炭強度，產(chǎn)生更多的碎焦和焦粉，使高爐透氣性惡化，影響高爐的平穩(wěn)運行。所以測定焦炭反應(yīng)性對高爐煉鐵使很重要的一步。因為傳統(tǒng)的焦炭反應(yīng)性檢測器需要大量的時間去冷卻反應(yīng)管和爐體，所以會產(chǎn)生檢測效率低下的問題；另外反應(yīng)管內(nèi)部的焦樣與二氧化碳反應(yīng)程度不均勻會帶來檢測結(jié)果不準(zhǔn)確的問題。TRIZ理論是一種解決發(fā)明創(chuàng)造過程中矛盾問題，實現(xiàn)對產(chǎn)品創(chuàng)新的方法[2]。應(yīng)用TRIZ理論對焦炭反應(yīng)性檢測裝置所存在的問題進行分析，并且把TRIZ理論解決問題的方法運用到其創(chuàng)新和解決問題的過程中，這對于焦炭反應(yīng)性的測定還有TRIZ理論的實際應(yīng)用都有著積極的意義。

1 TRIZ理論

1.1 TRIZ理論與Altshuller

TRIZ理論是基于知識的、面向人類的解決發(fā)明問題的系統(tǒng)方法學(xué)，由前蘇聯(lián)社會科學(xué)家Altshuller在1946年提出的。他發(fā)現(xiàn)任何一個領(lǐng)域無論是產(chǎn)品的改進、還是技術(shù)的變革、創(chuàng)新和發(fā)展都和生物系統(tǒng)一樣，有著產(chǎn)生、生長、成熟、衰老、滅亡，是有規(guī)律可循的。如果人們能掌握這些規(guī)律，他們可以能動地推測行業(yè)的未來趨勢。他和他的團隊用數(shù)十年去分析了全世界大約二百五十萬份專利后，總結(jié)出了一套解決技術(shù)問題的的系統(tǒng)方法。

1.2 TRIZ理論主要內(nèi)容

現(xiàn)代Triz理論其主要包括創(chuàng)新思維方法和問題分析方法、技術(shù)系統(tǒng)進化法則、技術(shù)矛盾解決原理、創(chuàng)新問題標(biāo)準(zhǔn)解法、發(fā)明問題解決算法ARIZ、知識庫等六個部分。在預(yù)測完市場后，通過TRIZ理論中的分析工具對其中存在的問題進行分析，之后通過基于知識的工具的到相應(yīng)的解決方案。

TRIZ理論除了能幫助人們快速和準(zhǔn)確地找到核心問題，還能提供了系統(tǒng)分析且具有可操作性的分析工具(如39個通用工程參數(shù)等)和直接的或可資參考和借鑒的豐富便利的方案來源(如40條發(fā)明原理等)。這樣可以大大提高發(fā)明者問題解決速率，另外還可以給發(fā)明者指明一個可以行進的方向[3]。

圖1 運用TRIZ解決問題步驟Fig.1 steps of using TRIZ to solve problems

2 TRIZ理論在焦炭反應(yīng)性檢測裝置的應(yīng)用

2.1 焦炭反應(yīng)性測定裝置問題的分析

焦炭反應(yīng)性的測定，是將一定質(zhì)量的焦炭樣品放入反應(yīng)器中，在1100 ℃下與二氧化碳反應(yīng)2 h，待冷卻后，取出焦樣，對其進行稱量，以焦炭質(zhì)量損失百分比表示焦炭的反應(yīng)性(Cr1%)[4]。在焦炭反應(yīng)性檢測裝置工作的過程中，當(dāng)焦樣與二氧化碳反應(yīng)后，爐體及反應(yīng)管的溫度很高，此時我們無法打開反應(yīng)管獲取焦樣，從而無法進行后續(xù)的操作。在常溫下，爐體和反應(yīng)管需要耗費大量的時間去冷卻，便因此產(chǎn)生了檢測效率低下的問題。另外，由于焦樣和二氧化碳的接觸程度不同，所以會產(chǎn)生各焦樣反應(yīng)程度不均一和不充分的現(xiàn)象，從而對實驗結(jié)果產(chǎn)生了偏差。在現(xiàn)有焦炭反應(yīng)性檢測裝置中提到了使用升降裝置來對反應(yīng)管進行拿取[5-6]，對比傳統(tǒng)老式的檢測裝置是起到平穩(wěn)拿取反應(yīng)管的作用，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且并未解決反應(yīng)管內(nèi)部焦樣與二氧化碳反應(yīng)程度不均一及冷卻時間過長的問題。

2.2 技術(shù)沖突的確定

針對上述問題的解決方案：(1)減少爐體與反應(yīng)管的接觸面積，同時增大反應(yīng)與空氣的接觸面積，這回使的爐體的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，從而構(gòu)成了“減小爐體和焦樣產(chǎn)生的有害因素”和“裝置的復(fù)雜性的增加”的技術(shù)沖突，將其分別變?yōu)門RIZ理論的39各工程參數(shù)中的31號(即物體產(chǎn)生的有害因素)和36號(即系統(tǒng)的復(fù)雜性)。(2)內(nèi)部試樣可以進行運動，使焦樣可以均勻接觸二氧化碳，這會使得所測的數(shù)據(jù)更加可靠，但同時運動需要外加的能量來支持，這邊構(gòu)成了“數(shù)據(jù)可靠性的提高”和“能量損失”的矛盾沖突，兩者分別為TRIZ理論39個工程參數(shù)中的27號(即可靠性)和22號(即能量損失)。

2.3 發(fā)明原理的確定

確定了待改善參數(shù)和惡化參數(shù)后，通過查詢TRIZ理論提供的矛盾矩陣，我們可以得到相對應(yīng)的解決原理，這些原理是這個矛盾的可能解。經(jīng)查找后得到三條可應(yīng)用的發(fā)明原理，分別是第1，11和31條，如表1所示。

表1 發(fā)明原理及其解釋Table 1 Principle of invention and its interpretation

2.4 焦炭反應(yīng)性檢測裝置的構(gòu)思方案

結(jié)合焦炭反應(yīng)性檢測儀器所出現(xiàn)的問題和所得到的發(fā)明原理我們得到下述解決方案：利用第一條發(fā)明原理，將爐體進行分割，讓其有一部分不與反應(yīng)管接觸，而另外接觸的部分可以對反應(yīng)管進行加熱，這會使得爐體內(nèi)部形成一個空腔(可供空氣流通)，同時添加鼓風(fēng)機加速空氣的流動從而使得冷卻的時間變短；根據(jù)第二條發(fā)明原理，在反應(yīng)管頂部安裝一個振蕩器，預(yù)先給反應(yīng)管內(nèi)的焦樣一個微小的振動，這可以使得在檢測過程中焦樣可以和二氧化碳有均勻充分的接觸；最后通過第三條發(fā)明原理，在反應(yīng)管底部使用空氣分布器，使二氧化碳分布的更加均勻。結(jié)合以上的分析設(shè)計以下焦炭反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)及其作用，如圖2和圖3所示。在焦樣和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)時，我們使二氧化碳?xì)怏w從氣體分布器13進入，同時打開振蕩器7使得焦樣可以與二氧化碳得到均勻的接觸，從而提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性；在反應(yīng)結(jié)束后，我們打開鼓風(fēng)機1向爐體4內(nèi)的空腔輸入氣體，讓空氣帶走爐體4和反應(yīng)管的熱量，從而達到了減少冷卻時間和提高檢測效率的目的。

圖2 焦炭反應(yīng)性檢測儀示意圖Fig.2 Schematic diagram of coke reactivity detector

3 結(jié) 語

針對焦炭反應(yīng)性檢測裝置所存在的問題，通過運用TRIZ理論對其進行分析，發(fā)現(xiàn)要優(yōu)化它所存在的技術(shù)矛盾，最后利用創(chuàng)新原理得到一些合理的解決方案，給焦炭反應(yīng)性檢測裝置提供來一些優(yōu)化思路，這也是對解決傳統(tǒng)的焦炭反應(yīng)裝置檢測效率低和檢測結(jié)果不準(zhǔn)確的情況提供一種可以參考的方案。