基于TRIZ理论的带罐打水渣处理装置的创新设计

韩长仪，戴年建

（中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176）

在冶金领域中，钢渣处理的目的是改善钢渣稳定性、回收金属、实现资源化再利用以及减少环境污染。大量钢渣被废弃形成渣山，严重威胁着环境生态和安全，也影响着钢铁企业的生存和发展。高效、清洁的渣处理工艺设备对促进渣处理技术的进步和钢铁工业的发展具有重大的意义[1-2]。

对于脱硫渣处理来讲，常见的有带罐打水、热泼处理和热态直接利用等处理方法。其中带罐打水处理工艺具有投资低、污染少、处理时间短和尾渣稳定等优点而被广泛应用[3-4]。

目前，国内有直接注水进行渣处理的情况，未设置烟气收集，虽然设备简单，造价成本低，但是进行渣处理时，大量的灰尘和烟气直接外溢到车间内，使得操作条件恶化，环境受到污染。有些钢厂也有设置倾翻式、移动式烟气收集装置的渣处理设备。其中倾翻式是利用液压结构或者电机将烟罩倾翻，但只能实现单工位使用，而且造价成品高，占用空间大。移动式是利用电机将烟罩移开，可以实现单双工位使用，但是也存在设备结构复杂、占用面积大和摆放渣罐困难等缺点。

随着国际对环境生态越来越重视，钢铁企业增添渣处理设备的需求也越来越多。综合考虑安全性、投资成本和空间等因素，选用新式渣处理设备极有必要。

本文提出一种双工位旋转式带罐打水渣处理装置，介绍了其结构组成、功能和设计特点，创新设计应用了系统完备性法则、因果分析、功能分析、最终理想解和发明原理多个TRIZ理论方法。本装置通过电机驱动打水烟罩在两个工作位之间旋转切换，可实现对脱硫渣的喷水处理，以便回收再利用，同时设置有烟气灰尘收集机构，改善现场条件，减少环境污染。本装置具有自动控制、结构简单、安全可靠、投资成本低、清洁环保、占用空间小等优点。

1 结构设计

带罐打水装置如图1所示，主要包括底座、立柱、驱动装配、T型支柱、烟气管、打水烟罩、渣罐、开关和管线等，由PLC控制程序进行自动控制[5]。

图1 双工位旋转式带罐打水渣处理装置立体图

图2为双工位示意图，通过电机驱动打水烟罩在两个工作位之间旋转切换。

图2 带罐打水渣处理装置双工位俯视示意图

驱动装配如下页图3所示，主要包括减速电机、小齿轮、回转支承、电机防护罩、齿轮防护罩等零部件。

图3 驱动装配剖视图

减速电机输出轴垂直向上安装固定于立柱上，小齿轮与回转支承的外齿圈相啮合，回转支承下侧内圈通过螺栓固定于立柱上，上侧外圈通过螺栓与T型支柱连接。齿轮防护罩分为上下两部分，下侧固定不动，上侧随T型支柱转动，对齿轮副进行防尘保护。

如图4所示，T型支柱由钢管和钢板焊接成T型，下侧通过螺栓与回转支承的上侧外圈齿轮固定，可一起转动。T型支柱上侧为圆形结构，其直径小于烟气管的内径，与烟气管同轴安装且有间隙，可以相对旋转。T型支柱横侧面设计了螺栓孔，用于固定打水烟罩。

图4 T型支柱结构示意图

如图5所示，烟气管由钢管和钢板焊接而成，分为两节以便拆换。烟气管下侧与T型支柱同轴安装且有间隙，上侧与厂房车间的烟道连接固定。

图5 烟气管结构示意图

烟气管下侧包括压板和密封圈。压板压紧密封圈，密封圈贴在T型支柱上侧的钢管上，起到密封作用，同时也不影响旋转功能。

打水烟罩如图6所示，由矩形管、钢管和钢板焊接而成，烟气可以从其内部通过T型支柱和烟气管排到厂房车间的烟道中。打水烟罩通过螺栓固定于T型支柱侧面上，其另一端罩子是圆形的，下面布置有打水管线，由1根管线分出6个喷水点，在圆周均匀布置，可向渣罐内喷水，有利于钢渣均匀冷却。

图6 打水烟罩结构示意图

开关装配包括4个光电开关、2个开关固定板和1个感应板。光电开关通过开关固定板焊接固定在立柱的侧面，感应板焊接固定在齿轮防护罩的上侧部分，可随其旋转。感应板运行至光电开关上方时可发讯进而反馈位置，4个光电开关分别检测2个渣罐的工作位和超行程位。

管线装配如图7所示，分为水管线装配和润滑管线装配。

图7 管线装配结构示意图

水管线装配主要包括软管、旋转接头和固定水管。固定水管固定在立柱侧面，其一端与车间水源管线相连，另一端与旋转接头进水口相连。旋转接头的出水口端与软管的低端连接，旋转接头两端可以相对旋转且密封，也固定于立柱侧面，软管高端与打水烟罩相连接。采用旋转接头是为了延长设备使用寿命，避免软管因长期的拖拽而损坏。

将旋转接头设置在立柱内部与其同心安装，可以实现360°旋转，但同时会带来安装困难、加工成本高和难以维修等问题，故本次设计采用布置在立柱外侧，既满足了双工位的要求，也避免了以上同轴安装的缺点。

渣罐作为容器承接存放钢渣，不属于本装置材料。另外，供水回路中设置电磁水阀和流量计，以便实现自动控制打水进行钢渣处理。

2 工作流程

图2中喷水烟罩是以位于1号工作位渣罐上方状态切换为2号处理位工作为例，工作过程如下：

PLC控制程序启动减速电机，通过小齿轮和回转支承啮合带动T型支柱，进而驱动喷水烟罩旋转至2号处理工作位，对应光电开关发讯控制电机停止。控制车间水源的电磁水阀通电后进行均匀喷水，并对脱硫渣进行冷却处理，灰尘及烟气先后通过喷水烟罩、T型支柱和烟气管抽排到车间烟道中去。当从2号工作位运行至1号时，同理反向操作运行，从而实现2个工作处理位之间的自动切换及打水渣处理功能。

3 TRIZ理论方法应用

TRIZ意译为发明问题解决理论，是指导创新活动的重要理论之一，它可以帮助设计者在方案设计阶段迅速地产生一个具有创造性的新概念，实现产品的快速创新[6]。

此创新设计应用到了以下TRIZ理论方法：系统完备性法则、因果分析、功能分析、最终理想解和40个发明原理。

3.1 系统完备性法则

技术系统由多个组件或元素组成，为了实现特定的功能，系统必须具备最基本的要素，且各要素之间必须存在必要的联系。本带罐打水渣处理装置在创新设计时按逆向考虑，首先确定产品功能，然后反向思考实现的传动方式和能源等，对比分析优缺点确定方案。

应用系统完备性法则分析双工位旋转切换功能，分析各部件间的联系，有助于准确地判断系统组件是否能构成完整的技术系统，技术系统完备性图如图8所示。

图8 系统完备性图

3.2 鱼骨图因果分析

鱼骨图是较为常见且有效的查找原因的工具，它是由出现的问题出发，从人机料法环测6个维度去寻找原因。应用鱼骨图对带罐打水渣处理装置的现有缺点进行因果分析，分析结果如图9所示。

图9 因果分析鱼骨图

通过分析确定了带罐打水渣处理装置创新设计的功能方向，比如双工位甚至多工位结构、否定倾翻形式、带排烟装置和全自动控制等。

3.3 功能分析

产品规划时，系统的功能分析是通过技术系统抽象的“功能”角度来分析系统的，是产品功能原理设计的关键步骤和正确定义问题的前提。

通过功能分析，明确了本次产品设计的主要功能，功能分析表如表1所示。

表1 功能分析表

3.4 最终理想解

TRIZ理论中，在解决问题之初，运用理想化思维寻求最终理想解（IFR），保证问题解决过程中沿着此目标前进，从而避免了传统方法中缺乏目标的弊端，提升了创新设计的效率，如下页表2所示。

表2 最终理想解分析表

最终理想解有以下4个特点：保持了原系统的优点；消除了原系统的不足；没有使系统变得更复杂；没有引入新的缺陷。当确定了待设计产品或系统的最终理想解之后，可以用这4个特点检查其有无不符合之处，并进行系统优化，以确定达到或接近最终理想解IFR为止。举例思考如下页表3所示。

表3 特点分析表

3.5 发明原理

Altshuller通过对大量专利进行了研究分析和总结，提炼出了TRIZ理论中最重要、具有普遍用途的40个发明原理。

发明原理“No.1分割”的一种含义是使物体分成容易组装及拆卸的部分。根据此理论的提示，将打水烟罩由圆形截面改为多边形截面，更容易焊接制造。

发明原理“No.2抽取”的一种含义是将物体中的负面部分或特性抽取出来。本装置中回转支承润滑孔在内部，将润滑点引至外侧并集中，改善润滑操作性。

发明原理“No.5组合”的含义是把相同的物体或完成类似操作的物体联合起来，把时间上相同或类似的操作联合起来。本装置中打水管线和打水烟罩功能不同，但都要运动切换工位，将两者组合设计在一起来简化设备结构并实现功能。

发明原理“No.6多用性”的含义是使物体或物体的一部分实现多种功能。除去液压缸驱动烟罩摆动和成本因素外，本装置采用电机驱动回转支承可实现打水烟罩360°正反向连续旋转，进而可以实现2工位甚至更多工位工作的需求，使设备的适用范围更广。

4 结语

钢渣的综合利用不但可以消除环境污染，还能够变废为宝，创造巨大的经济效益，是可持续发展的有效途径，对国家和社会都具有十分重要的意义。

本文首先说明了带罐打水装置的结构组成和工作流程，然后介绍了TRIZ理论的具体应用。实践证明，运用TRIZ理论，可大大加快创造发明的进程，而且能得到高质量的创新产品。

本创新设计的双工位旋转式带罐打水渣处理装置，由电机通过齿轮和回转支承驱动打水烟罩在2个工位之间旋转切换，根据需求向渣罐中进行均匀喷水，完成脱硫渣的冷却处理，以便回收再利用；同时设置灰尘和烟气收集机构，具有自动控制、结构简单、安全可靠、投资成本低等优点，实现了节能环保。该设计具有创新性、可行性和实用性，可为各钢铁企业和科研单位的工艺改进和研发创新提供思路，并具有一定的参考价值。