基于TRIZ创新原理的炭化装备设计

王 勇

（泰安市人才交流服务中心，山东泰安 271000）

1 研究背景

羊毛纤维中一般带有草叶等植物性杂质。这些植物性杂质会给纺织后整理过程带来较大困难并影响到产品的最终质量。目前，除杂方式主要有人工除杂和化学除杂两种不同的方式。人工除杂既浪费时间，又不易除净，除杂质量得不到保障。化学除杂效果较好，且容易实现自动化，但需要控制好化学品的用量和反应时间。化学反应时间过长，化学品用量过高，容易损伤织物纤维结构［1］。

炭化是把含有植物性杂质的羊毛织物浸于硫酸液中，经充分的反应及轧酸、高温烘烤后，使植物性杂质得到去除的工艺。市场上较为常见的是散毛炭化工艺及毛条炭化工艺，这两种工艺主要是针对羊毛原料进行炭化处理。本研究的主要对象为匹布炭化（简称“匹炭化”）工艺及装备。由于毛纺厂应用较少，设备厂家对此没有过多的研究，在文献中亦没有过多的报道。网站上零星报道20 世纪80 年代北京呢绒厂对羊毛炭化机进行改进，主要是采用花岗岩代替不锈钢酸槽，以提高耐腐蚀性。随着材料技术的进步，不锈钢的耐腐蚀性得到很大提升，且焊接性好，更能适应现代化工业。

根据不同的工艺路线，匹炭化分为缩前炭化、染前炭化和染后炭化。织物匹炭化主要由以下5 个工序组成：（1）浸酸。酸液的浓度与浸酸时间应根据植物性杂质的大小、数量和织物的单位面积质量而定。加入耐酸的渗透剂可使织物浸酸均匀，加快酸液的渗透速率。（2）轧酸。为实现自动化，本装备采用轧辊脱酸工艺。轧酸主要控制含酸均匀性及带液量。（3）烘焙。织物烘焙有两个作用，即烘干织物和使草质炭化。通常含湿大、温度高的条件对羊毛损伤大，因此烘焙一般先进入温度较低的烘房，将织物干燥，然后再高温短时间烘焙，使草质炭化。（4）轧炭。烘焙后的织物应及时进行轧炭，以去除被炭化的草质。（5）中和。织物经轧炭后，投入洗呢机或匹布染色机中，以中和余酸。

2 创新原理的应用

随着经济的发展，土地及设备投入在企业生产过程中的成本占比越来越高。炭化工序由于硫酸蒸汽的存在，一般会在单独的房间内进行，面积较小。故不能单纯靠增加设备数量来满足产能。织物在硫酸中的化学反应时间不能太短，否则会造成炭化效果不佳；同样，织物在硫酸中的浸渍时间也不能太长，否则会导致设备生产率过低。

TRIZ 理论是苏联发明家根里奇·阿奇舒勒发明并不断完善的［2-3］。根据TRIZ 系统理论，我们可以从矛盾矩阵中找到解决问题的思路［4］。把炭化装备看作是一个技术系统，这个技术系统存在“生产率”和“可靠性”两个工程参数。由于“生产率”这一参数提高后会降低“可靠性”这一参数，故认为该系统存在这一对技术矛盾。矛盾矩阵中的纵列（改善的参数）第39号“生产率”和横列（恶化的参数）第27 号“可靠性”相交的方格中，有4 项推荐的创新原理序号：第1 号、第10号、第35号、第38号。

第1 号创新原理是分割原理。根据这一原理，可以把浸酸槽当成多个独立的机构，使浸酸单元采用模块化结构。根据工艺需求，使布匹依次经过不同的浸酸槽，增加织物的容布量，达到一定的炭化效果。另外可在浸酸槽提升架的上部和下部分别排布若干导布辊筒，使织物在浸酸槽的穿布路径上下依次交错进行传递，使浸酸槽的织物容布量得到提升。

第10 号创新原理是预先作用原理。根据这一原理，可以在炭化时的酸液中加入表面活性剂。表面活性剂可以使酸液在织物上扩散均匀，减少纤维损伤。

第35 号创新原理是改变物质性质原理（性能转化法）。根据这一原理，可以考虑增加硫酸的浓度，使炭化效果增大。但增加硫酸浓度达到一定的极限后，会损坏羊毛纤维织物，故硫酸浓度不能无限增加。

第38 号创新原理是加速氧化原理（逐级氧化法）。从这一原理出发，没有得出合适的技术方案。

在以上创新原理方案中，最终选择并采取了增加浸渍容布量及使用表面活性剂的方案，较好地解决了“生产率”和“可靠性”这一对技术矛盾。

运用TRIZ 创新原理，设计的匹炭化设备如图1所示。

3 创新原理与具体结构的结合

基于前述TRIZ 创新原理，炭化装备在设计过程中亦有其他方面的应用，具体如下：

3.1 抽取原理（提取法）

实例：炭化利用硫酸对植物性杂质进行化学反应去除。由于不锈钢对硫酸有较强的抗腐蚀能力，且便于加工成浸酸槽和过滤槽，故采用不锈钢材质制作炭化机本体。

3.2 局部性质原理

实例：炭化机沿穿布路径由上布单元、浸酸单元、轧酸单元、出布单元组成。上布单元主要由张力架、对中辊、过渡辊组成，起引导布匹进入浸酸单元的作用。浸酸单元作为炭化机的主要功能部件，起到去除植物性杂质的作用。轧酸单元作为出布单元的前道工序，主要是去除多余硫酸，减少硫酸的消耗，另外起到提供织物牵引力的作用。出布单元将炭化后的织物进行出布。

3.3 非对称原理

实例：轧酸单元由上下两个辊组成，两个辊的硬度有所不同，一硬一软，否则轧酸效果不明显。两个辊硬度都低的话，轧酸效果差，织物含酸量高；硬度都高的话，容易损伤织物。

3.4 反质量原理

实例：为方便穿引布，浸酸单元中的上下若干个辊筒固定在提升架上。在浸酸槽外部由设备两侧的气缸连接提升架顶部。在顶升过程中，浸酸槽外部配置的配重可以提供部分顶升力。配置配重可减少气缸的缸径，降低成本。

3.5 预先作用

实例：织物在浸酸槽穿布较复杂且硫酸环境具备一定的腐蚀危险性，故采取引布进行穿布的方式。即当前道织物即将加工完成时，在末端用缝纫的方式把引布连接上，当后续织物继续生产时，可直接连接上该引布，避免重复劳动。

3.6 预先应急措施原理（预先防范法）

实例：浸酸槽与过滤槽分开独立设计。随着织物的不断前进，在轧酸单元作用下，酸液轧至过滤槽。在对浸酸槽底部硫酸进行过滤时，需要把硫酸从浸酸槽抽取至过滤槽，使硫酸在过滤槽中得到过滤。待过滤板上的杂质积累到一定量时，人工对杂质进行去除。

3.7 等势原理

实例1：浸酸槽中配置耐腐蚀液位传感器，当浸酸槽的硫酸达到上液位时，由泵和管路系统组成的自动加硫酸模块功能关闭。当浸酸槽的硫酸液位达到下液位时，自动加硫酸功能开启，向浸酸槽内加硫酸，使浸酸槽的硫酸总量始终保持在一定的范围内。

实例2：过滤槽一般比浸酸槽高，过滤槽的液体可以在重力的作用下，经过滤板流入浸酸槽，不用单独配置动力系统。

3.8 局部作用或过量作用原理

实例1：轧酸单元，轧辊利用一定的压力把织物中带出的酸轧掉。

实例2：匹检时，人工把织物中较大的植物性杂质去除。细小的植物性杂质会在炭化机上去除。这样的工作方式既可以快速、有效地去除杂质，又可以最大限度地减少对纤维的损伤。

3.9 反馈原理

实例：浸酸槽配置硫酸浓度检测仪。当硫酸浓度过低时，需要自动加高浓度硫酸与浸酸槽中的低浓度硫酸混合，达到炭化要求的硫酸浓度并稳定在一定的范围内。

3.10 抛弃或修复原理（自生自弃法）

实例：浸酸槽的硫酸随着织物炭化作用的进行，其浓度逐渐降低。在车速保持不变的情况下，织物在硫酸中的炭化效果会逐渐变差。根据实时测量硫酸浓度的值，设计自动补酸系统，使硫酸浓度保持在一定的范围内，达到均匀的炭化效果。

4 结论

TRIZ 创新原理之间不是相互独立，而是有一定的相关性。如结合第3.6 预先应急措施原理和第3.7等势原理，设计了过滤槽结构，利用自重自流的方式，节省了泵系统。又如结合前述第3.9 反馈原理和3.10抛弃或修复原理，设计出适合炭化工艺的自动加硫酸系统，使硫酸浓度及酸量保持在合理的范围。

基于TRIZ 理论40 个创新原理的研究应用，研制了新型炭化装备，该装备获得发明专利1 项，实用新型专利3 项。经炭化装备处理后的织物含植物性杂质的概率得到大幅度降低，一定程度上提升了产品的附加值，对提高生产效率有重要意义。