TRIZ 理论在提高板式异形坯结晶器本体冷却系统稳定性中的应用

周 永 王硕煜 郑志成 吴昊川 胡少华

（安徽马钢表面技术股份有限公司，安徽 马鞍山243000）

TRIZ，即“发明问题解决理论”，也被称为“萃智”或“萃思”。TRIZ 是由前苏联发明家、教育家G.S.Altshuller 和他的研究团队，通过分析大量专利和创新案例总结出来的[1]。TRIZ 理论揭示了创造发明的内在规律和原理，通过分析解决系统中存在的矛盾，获得最终理想解[2-3]。

马钢集团致力于学习应用及推广TRIZ 已有近九年历史，在实际中也解决了很多工程难题。本文阐述了利用TRIZ 理论解决马钢现有板式异形坯结晶器铜板在使用过程中偶有发生烧伤、烧损问题的过程和最佳方案的实施过程。

1 背景

结晶器是承接从中间罐注入的钢水并使之按规定断面形状凝固成坚固坯壳的连续铸钢设备。它是连铸机最关键的部件，其结构、材质和性能参数对铸坯质量和铸机生产能力起着决定性作用。为了保证连铸坯的正常结晶，对结晶器内壁的冷却效果就有很高的要求。

结晶器冷却系统中所使用的冷却水为软水，不会因为其环境存在高温而导致冷却水结垢，进而导致结晶器冷却系统堵塞的情况出现，对结晶器铜板的冷却效果理论上应该是稳定的。但是在实际使用过程中，偶尔还会发生结晶器铜板过热损伤，导致产线非正常停产，严重时导致连铸坯结晶烧伤甚至漏钢的问题。对生产安全和生产成本造成了很大的压力。这一问题困扰马钢异形坯生产线多年，一直未找到理想的解决方案。

2 基于TRIZ 理论问题分析及方案生成

2.1 功能分析与裁剪

通过系统功能分析和组件分析确定系统的构成及其功能，并应用TRIZ 辅助软件Pro-I Desktop v5 建立系统功能模型如图1 所示。

图1 系统功能分析

结晶器本体冷却系统由水箱、铜板及其水箱和铜板内部形成的进水管路、进水槽、冷却水通道、出水槽、出水管路构成。在系统功能分析的基础上，通过对系统各组件进行理想度计算和诊断分析得出推荐的系统裁剪方案1：裁剪掉进、出水槽。在系统功能分析的基础上进行流功能分析，发现系统内控制不足，得出方案2：在进、出水槽内增加压力监测装置。

2.2 因果分析

利用Pro-I Desktop v5 对初始问题“冷却水流量不可控”进行因果分析，分析结果如图2 所示。

由因果分析可知造成冷却水流量不可控的关键原因是冷却水通道因杂质堵塞，而冷却水道中的杂质主要由冷却水进水管路、进水槽和水箱与铜板结合面锈蚀脱落形成。根据系统因果分析得出方案3：在进水管路之后的位置增加冷却水杂质过滤系统。

图2 系统因果分析图

2.3 矛盾分析

2.3.1 技术矛盾

从系统因果分析可以看出，水箱系统腐蚀生锈脱落是造成冷却水道堵塞的主要原因，所以从更改进水管路材质为切入点应用技术矛盾解决问题。得到初步改进方案：将进水管路即水箱整体改为不锈钢制作，优点：不锈钢耐腐蚀，使用过程中不产生氧化物杂质，缺点：水箱强度降低，不能满足使用要求。

利用矛盾原理确定系统需改善的参数是物体产生的有害因素，恶化的参数是系统的强度，查找矛盾矩阵，得到推荐的创新原理为No.15、No.35、No.22、No.2。运用创新原理，得到方案4：运用2 号原理“抽取原理”，将进水管路从水箱中抽取出来，形成独立系统，避免因管路材质更改而影响水箱的整体强度。

2.3.2 物理矛盾

在上述技术矛盾中存在物理矛盾：既要材料强度低，耐腐蚀，因为可以避免产生杂质，又要材质强度高，不耐腐蚀，因为可以对铜板提供足够的支撑强度。分析上述物理矛盾，得到系统的理想状态，即在有水流通的地方能耐腐蚀，但不能降低整体的结构强度。查找分离原理和发明原理得到方案5：应用空间分离原理中的1 号原理“分割原理”和7 号原理“嵌套原理”，把水箱分割成通水部分和支撑部分两个独立的部分，用不锈钢制作通水部分，合金钢制作支撑部分，再将通水部分嵌入支撑部分，组合形成新的水箱。

2.4 物场分析

针对进水管路中产生杂质进入系统，造成系统堵塞问题，应用“标准解系统”中的S1.2.2，引入系统中现有物质的变异物，来消除进水管路和冷却水间的有害作用，建立物场模型如图3（a）所示。得到方案6：使用不锈钢材料制作进水管路，消除冷却水对进水管路的腐蚀，使其在使用过程中不产生杂质。

针对水箱与铜板结合面因腐蚀而产生脱落，进入系统造成堵塞问题，应用“标准解系统”中的S1.2.1，在水箱与铜板结合面之间引入外部现有的物质，以避免水箱与铜板结合面之间的直接接触来消除他么之间的有害作用，建立物场模型如图3（b）所示。得到方案7：在结晶器水箱与结晶器铜板连接面增加耐腐蚀层，防止水箱在使用过程中产生腐蚀。

2.5 方案评价

根据TRIZ 理论，结合企业实际的创新能力水平，提出以下4 个评价指标：提升生产效率、降低单位成本、实施时间、实施成本。对每一个评价指标设定一个参数权重，建立评价模型[4]。

图3 物场模型

将上述7 种方案对应的评价模型参数数值输入Pro-I Desktop v5 评价系统进行计算，获得7 种设计方案的评价结果。从方案评价结果可以得出优选方案：方案5、6、7、4。根据上述分析，将这四个方案进行组合得到最优设计方案：将原水箱上形成进水管路、进水槽的部分从水箱上进行分割，变成相互连接的两个部分，使用不锈钢材料制作冷却水管路和水槽部分，使用合金结构钢制作支撑框架部分，并在水箱与结晶器铜板接触面增加耐腐蚀涂层。

3 结论

本文以TRIZ 理论为基础，通过应用TRIZ 方法和工具对结晶器本体冷却系统进行分析，针对现有结晶器冷却系统稳定性存在的问题，提出了7 种创新方案，并利用TRIZ 辅助软件Pro-I Desktop v5 对7 种方案进行了评价，根据方案评价结果确定了一种最优设计方案。

综上所述，基于TRIZ 理论的结晶器本体冷却系统优化设计方案是可行的，将TRIZ 理论应用到板式异形坯结晶器本体冷却系统的优化设计中，可消除因冷却水道锈蚀原因堵塞结晶器铜板细小水孔导致的铜板烧毁现象，提高了板式异形坯结晶器本体冷却系统的稳定性。