国家三级创新工程师答辩

1提高碳化硅电阻炉集气装置密封性姓名：严军E-Mail：[e-mail]单位：青海大学国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心20152主要内容基于ARIZ的问题分析与求解问题背景和描述创新解的评估取得成果与效益243133国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心201531、问题背景和描述（1）问题的背景碳化硅电阻炉工作原理：石英砂和焦炭混合料堆成料堆，两端用炭质电极构成导电通路，较大电流通过料堆后生成磨料用的碳化硅结晶。碳化硅电阻炉冶炼条件比较恶劣，扒炉工艺产生大量烟尘，回收烟尘对于节能降耗，减轻环境污染有着重大意义。碳化硅电阻炉集气装置，安装在横跨电阻炉两端的金属桁架上，并根据扒炉工艺沿轨道移动。扒炉时移动集气装置扣置在电阻炉上方，产生烟气汇集入三通烟管后收尘排放。使用中发现该集气装置密封性不足，烟气从集气装置四周逸出，无法满足生产要求。国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心201541、问题背景和描述（2）问题的描述①定义技术系统实现的功能问题所在技术系统为：该技术系统的功能为：实现该功能的约束有：集气装置收集烟气材料耐高温，结构小改动国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心201551、问题背景和描述（2）问题的描述②现有技术系统的工作原理扒炉时集气罩扣置在电阻炉上方，帆板铰接在集气罩两侧，电机启动，集气罩上方卷线机构放线，帆板向下翻折防止烟气逸出，收集后的烟气入罩顶烟孔，经两根集气管收集汇入集气箱。集气箱端侧设置伸缩连接机构，由丝杠丝母完成伸缩动作，实现渐缩烟管与三通烟管（两者间用高温滤布密封）的对接，烟气汇入三通烟管后收尘排放国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心201561、问题背景和描述（2）问题的描述③当前技术系统存在的问题存在问题：（1）集气罩内空气受热膨胀，裹挟烟气外泄；（2）烟气从集气罩端部，与电阻炉端墙缝隙逸出；（3）烟气从集气罩侧部，帆板与地面缝隙逸出；国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心201571、问题背景和描述（2）问题的描述④问题出现的条件和时间问题在工人扒炉过程，进行烟气收集时一直存在。依据上述当前系统存在的问题，需要说明以下内容国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心201581、问题背景和描述（2）问题的描述⑤问题或类似问题的现有解决方案及其缺点针对当前系统存在的问题，是否已经尝试了一些方法来解决问题，这些方法有什么缺点。我国碳化硅冶炼主要分布在青海、宁夏、甘肃、河南、贵州以及东北部分地区。一种适用于碳化硅电阻炉使用的移动式集气装置（ZL201420435520.0）于2015年4月授权，目前市场上对于碳化硅电阻炉产生的烟气，几乎没有可以使用的收集装置。企业在实际生产中发现，该集气装置可收集绝大部分烟气，但仍有部分烟气从集气罩四周逸出，有待改进。国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心201591、问题背景和描述（2）问题的描述⑥新系统的要求根据国家工业烟尘排放标准（GB/T9078-2006），规定了工业炉窑烟尘、生产性粉尘、有害污染物的最高允许排放浓度，烟气黑度的排放限值。设备所在地青海省化隆县属三类地区，故对新系统的要求：烟（粉）尘浓度≤300mg/m3，烟气黑度（林格曼级）≤1。国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心201510ARIZ-85解决问题流程国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心2015112、基于ARIZ的问题分析与求解1.1建立系统功能模型1.问题的分析与表述元件制品超系统不足作用过度作用有害作用标准作用固定集气罩帆板连接连接渐缩管对接烟气卷线机构收放密封烟孔集气管集气箱三通烟管桁架支撑排放密封扒炉阻挡端墙对接热胀空气连接连接传输收尘系统连接轨道物料工人国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心2015122、基于ARIZ的问题分析与求解1.1建立系统功能模型1.问题的分析与表述系统功能分析结论：通过功能模型分析，我们描述了系统元件及其之间的相互关系，并得出导致电阻炉集气装置密封性不足问题的功能因素。在建立的功能模型图中选择目标问题如下：1.集气罩有限空间内空气受热膨胀外泄；2.帆板与地面存在缝隙，对烟气的密封不足；3.集气罩与电阻炉端墙对接处存在缝隙，端墙对烟气的密封不足；4.帆板与集气罩存在铰接缝隙，密封不足；5.帆板阻挡工人进行扒炉操作。6.烟气对工人造成伤害。密封帆板烟气密封端墙烟气热胀集气罩空气密封帆板集气罩阻挡帆板工人伤害烟气工人国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心2015132、基于ARIZ的问题分析与求解1.2因果分析1.问题的分析与表述应用因果链分析法确定产生问题的原因and集气罩内空气膨胀集气装置密封不足帆板密封不足帆板与集气罩存在缝隙帆板与地面缝隙过大帆板与集气罩间铰接预留便于工人扒炉物料被加热集气罩为有限空间集气罩与端墙存在缝隙工艺要求集气罩可移动罩内空气受热and移动集气罩与固定端墙预留缝隙国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心2015142、基于ARIZ的问题分析与求解1.3冲突区域确定（问题关键点确定）1.问题的分析与表述问题关键点2：问题关键点1：问题关键点3：帆板与地面缝隙过大，对烟气密封不足；集气罩内空气受热膨胀造成烟气外泄；帆板与集气罩存在缝隙，对烟气密封不足；问题关键点4：移动集气罩与固定端墙预留缝隙过大，对烟气密封不足；预留缝隙，便于扒炉操作帆板与集气罩铰接存在缝隙移动集气罩与端墙存在缝隙国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心2015152、基于ARIZ的问题分析与求解1.4“缩小问题”描述1.问题的分析与表述缩小问题为：针对问题关键点2：帆板与地面缝隙过大系统不引入新的资源，通过最小程度改动系统，来消除密封性差的功能，并实现工人扒炉的主要功能。国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心2015162、基于ARIZ的问题分析与求解1.5“扩大问题”描述1.问题的分析与表述分析问题角度可否替代问题描述系统构成超系统可用高速空气替代帆板，形成“密封层”，方便扒炉；子系统可帆板制成纵向“百叶窗”形式；时间过去——将来可扒炉操作后对烟气进行集中回收；因果关系原因可烟气逸出主要是因为帆板与地面缝隙过大，加高帆板至地面，并采用机械手在密闭炉内完成扒炉；结果可整个车间置于封闭空间内，任由扒炉操作和烟气逸出，再对整个车间内烟气进行收尘。但投资和设备改动较大，工人工作环境恶化；输入-输出输入——输出——国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心2015172、基于ARIZ的问题分析与求解2.分析问题模型以“帆板与地面缝隙过大”为入手点解决问题——问题关键点P国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心2015182、基于ARIZ的问题分析与求解2.1定义两个技术冲突TC1和TC22.分析问题模型技术冲突（TC1）IF加高帆板（C+）THEN密封性改善，烟气逸出少（A1）BUT工人扒炉可操作性和可靠性恶化（B1）技术冲突（TC2）IF缩短帆板（C-）THEN工人扒炉可操作性和可靠性改善（A2）BUT密封性恶化，烟气逸出多（B2）TC选择ARIZ要求使冲突尖锐化，而不是缓和冲突，建议选择如何去加强有用功能的冲突，而不去选择如何减少有害的冲突。选取TC1加高帆板密封性改善可操作性和可靠性恶化缩短帆板可操作性和可靠性改善密封性恶化可操作性：操作中需要的人数越少，步骤越少，工具越少；可靠性：系统在规定方法和状态下完成规定功能的能力；加高帆板高度，缝隙变小，密封性改善，但扒炉功能无法实现，可操作性和可靠性恶化。国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心201519①冲突描述：为了提高系统的“密封性”，我们需要加高帆板，但这样做了会导致系统可操作性和可靠性恶化。②转换成TRIZ标准冲突改善的参数：静止物体的长度恶化的参数：可操作性③查找冲突矩阵，得到如下发明原理：2、基于ARIZ的问题分析与求解2.2技术冲突解决过程2.分析问题模型No.2分离原理：将物体中的干扰部分分离出去；将物体中的关键部分挑选或分离出来。No.25自服务：使某一物体通过附加功能产生自己服务于自己的功能；利用废弃的材料/能量与物质；国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心201520①冲突描述：为了提高系统的“密封性”，我们需要加高帆板，但这样做了会导致系统可操作性和可靠性恶化。②转换成TRIZ标准冲突改善的参数：静止物体的长度恶化的参数：可靠性③查找冲突矩阵，得到如下发明原理：2、基于ARIZ的问题分析与求解2.2技术冲突解决过程2.分析问题模型No.15动态原理：使一个物体在操作每个阶段自动调整；划分物体为元件，元件之间可改变相对位置；刚性物体改变为可活动的；No.28机械系统替代原理：用电场、磁场等完成物体相互作用；固定场变为移动场；No.29气动与液压结构：固体零部件用气动或液压部件代替，将气体或液体用于膨胀或减震。国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心201521方案1：依据No.25发明原理（自服务），得到解如下:加高帆板至地面，为集气罩配置附加功能，在罩内安装机械手，通过机械手进行扒炉操作，产生的烟气由集气罩收集经三通烟管排入收尘系统。如此，操作密封性将大大提高。2、基于ARIZ的问题分析与求解2.2技术冲突解决过程2.分析问题模型国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心201522方案2：依据No.15发明原理（动态原理），得到解如下:加高帆板至地面，拆除卷线机构，将原有帆板分成若干拼装的小帆板，上部与集气罩铰接。工人扒炉时，根据需要掀开工作区域内1-2个帆板进行操作。扒炉结束，放下该区域内帆板，掀开相邻区域内的帆板，依次进行。如此，操作密封性将大大提高。2、基于ARIZ的问题分析与求解2.2技术冲突解决过程2.分析问题模型国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心201523方案3：依据No.28发明原理（机械系统替代），得到解如下2、基于ARIZ的问题分析与求解2.2技术冲突解决过程2.分析问题模型利用工业中静电防尘原理，使烟气尘粒所带电荷与静电除尘器所带电荷相反，用电场将逸出烟气驱入集气罩。国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心201524方案4：依据No.29发明原理（气动与液压），得到解如下:拆除原有帆板及卷线机构，在集气罩四周安装气源，并保证垂直向下形成“气幕”，用“气幕”替代固体帆板，防止烟气逸出。2、基于ARIZ的问题分析与求解2.2技术冲突解决过程2.分析问题模型国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心2015252、基于ARIZ的问题分析与求解2.3加强冲突2.分析问题模型途径1充分发挥系统有用作用，却导致有害作用最大化加高帆板高度，密封性改善，却导致扒炉可操作性和可靠性恶化途径2消除有害作用，却导致有用作用弱化甚至有用作用消失缩短帆板高度，扒炉可操作性和可靠性改善，导致密封性恶化系统激化冲突加高帆板高度，使其与地面接触，可以大大提高密封性，但是扒炉（可操作性和可靠性）不能实现。问题描述有必要找到一个X1，可以大大提高密封性，而且不会影响扒炉操作。加高帆板密封性改善可操作性和可靠性恶化X1-元素国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心2015262、基于ARIZ的问题分析与求解2.4构建物质-场模型2.分析问题模型X1若为标准解的话…？S2帆板S1烟气F1机械场S1S2物质：场的作用：期望（标准）作用不足作用有害作用帆板S2S1机械场烟气F1国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心2015272、基于ARIZ的问题分析与求解2.5从X1角度应用76个标准解根据所建问题的物质-场模型，应用标准解解决流程，得到标准解为第2类标准解No19（S2.2.4）使系统更具有柔性或适应性。通常方式是由刚性变为铰接，到连续柔性系统。方案5：依据S2.2.4引入，得到问题的解如下：原有帆板为钢板，现用柔性耐火纤维毡替代，分割为条状沿集气罩垂下，对烟气进行封闭，扒炉时将工作区域内纤维毡掀至集气罩上即可。选型：耐火纤维毡SYGX-253，耐火温度1050℃2.