徐晓丽，苏艳芳，贾佳鑫，孙圆圆，赵振宁

(辽宁科技大学化学工程学院，辽宁 鞍山 114000)

焦炭是高炉进行炼铁的重要原材料，其主要成分是固定碳，它的功能除了燃烧去提供热源，还会和二氧化碳生成一氧化碳，而生成的一氧化碳则会把铁矿石还原成铁；另外还充当着渗炭剂和骨架支撑的角色。高炉生产焦炭反应性是指焦炭在高炉内与CO2气体的反应能力。在过去的研究表明，焦炭反应性与焦炭反应后强度一般具有反比的关系[1]。焦炭反应性过高会降低焦炭强度，产生更多的碎焦和焦粉，使高炉透气性恶化，影响高炉的平稳运行。所以测定焦炭反应性对高炉炼铁使很重要的一步。因为传统的焦炭反应性检测器需要大量的时间去冷却反应管和炉体，所以会产生检测效率低下的问题；另外反应管内部的焦样与二氧化碳反应程度不均匀会带来检测结果不准确的问题。TRIZ理论是一种解决发明创造过程中矛盾问题，实现对产品创新的方法[2]。应用TRIZ理论对焦炭反应性检测装置所存在的问题进行分析，并且把TRIZ理论解决问题的方法运用到其创新和解决问题的过程中，这对于焦炭反应性的测定还有TRIZ理论的实际应用都有着积极的意义。

1 TRIZ理论

1.1 TRIZ理论与Altshuller

TRIZ理论是基于知识的、面向人类的解决发明问题的系统方法学，由前苏联社会科学家Altshuller在1946年提出的。他发现任何一个领域无论是产品的改进、还是技术的变革、创新和发展都和生物系统一样，有着产生、生长、成熟、衰老、灭亡，是有规律可循的。如果人们能掌握这些规律，他们可以能动地推测行业的未来趋势。他和他的团队用数十年去分析了全世界大约二百五十万份专利后，总结出了一套解决技术问题的的系统方法。

1.2 TRIZ理论主要内容

现代Triz理论其主要包括创新思维方法和问题分析方法、技术系统进化法则、技术矛盾解决原理、创新问题标准解法、发明问题解决算法ARIZ、知识库等六个部分。在预测完市场后，通过TRIZ理论中的分析工具对其中存在的问题进行分析，之后通过基于知识的工具的到相应的解决方案。

TRIZ理论除了能帮助人们快速和准确地找到核心问题，还能提供了系统分析且具有可操作性的分析工具(如39个通用工程参数等)和直接的或可资参考和借鉴的丰富便利的方案来源(如40条发明原理等)。这样可以大大提高发明者问题解决速率，另外还可以给发明者指明一个可以行进的方向[3]。

图1 运用TRIZ解决问题步骤Fig.1 steps of using TRIZ to solve problems

2 TRIZ理论在焦炭反应性检测装置的应用

2.1 焦炭反应性测定装置问题的分析

焦炭反应性的测定，是将一定质量的焦炭样品放入反应器中，在1100 ℃下与二氧化碳反应2 h，待冷却后，取出焦样，对其进行称量，以焦炭质量损失百分比表示焦炭的反应性(Cr1%)[4]。在焦炭反应性检测装置工作的过程中，当焦样与二氧化碳反应后，炉体及反应管的温度很高，此时我们无法打开反应管获取焦样，从而无法进行后续的操作。在常温下，炉体和反应管需要耗费大量的时间去冷却，便因此产生了检测效率低下的问题。另外，由于焦样和二氧化碳的接触程度不同，所以会产生各焦样反应程度不均一和不充分的现象，从而对实验结果产生了偏差。在现有焦炭反应性检测装置中提到了使用升降装置来对反应管进行拿取[5-6]，对比传统老式的检测装置是起到平稳拿取反应管的作用，但是其结构复杂且并未解决反应管内部焦样与二氧化碳反应程度不均一及冷却时间过长的问题。

2.2 技术冲突的确定

针对上述问题的解决方案：(1)减少炉体与反应管的接触面积，同时增大反应与空气的接触面积，这回使的炉体的结构变得复杂，从而构成了“减小炉体和焦样产生的有害因素”和“装置的复杂性的增加”的技术冲突，将其分别变为TRIZ理论的39各工程参数中的31号(即物体产生的有害因素)和36号(即系统的复杂性)。(2)内部试样可以进行运动，使焦样可以均匀接触二氧化碳，这会使得所测的数据更加可靠，但同时运动需要外加的能量来支持，这边构成了“数据可靠性的提高”和“能量损失”的矛盾冲突，两者分别为TRIZ理论39个工程参数中的27号(即可靠性)和22号(即能量损失)。

2.3 发明原理的确定

确定了待改善参数和恶化参数后，通过查询TRIZ理论提供的矛盾矩阵，我们可以得到相对应的解决原理，这些原理是这个矛盾的可能解。经查找后得到三条可应用的发明原理，分别是第1，11和31条，如表1所示。

表1 发明原理及其解释Table 1 Principle of invention and its interpretation

2.4 焦炭反应性检测装置的构思方案

结合焦炭反应性检测仪器所出现的问题和所得到的发明原理我们得到下述解决方案：利用第一条发明原理，将炉体进行分割，让其有一部分不与反应管接触，而另外接触的部分可以对反应管进行加热，这会使得炉体内部形成一个空腔(可供空气流通)，同时添加鼓风机加速空气的流动从而使得冷却的时间变短；根据第二条发明原理，在反应管顶部安装一个振荡器，预先给反应管内的焦样一个微小的振动，这可以使得在检测过程中焦样可以和二氧化碳有均匀充分的接触；最后通过第三条发明原理，在反应管底部使用空气分布器，使二氧化碳分布的更加均匀。结合以上的分析设计以下焦炭反应装置结构及其作用，如图2和图3所示。在焦样和二氧化碳发生反应时，我们使二氧化碳气体从气体分布器13进入，同时打开振荡器7使得焦样可以与二氧化碳得到均匀的接触，从而提高检测结果的准确性；在反应结束后，我们打开鼓风机1向炉体4内的空腔输入气体，让空气带走炉体4和反应管的热量，从而达到了减少冷却时间和提高检测效率的目的。

图2 焦炭反应性检测仪示意图Fig.2 Schematic diagram of coke reactivity detector

3 结 语

针对焦炭反应性检测装置所存在的问题，通过运用TRIZ理论对其进行分析，发现要优化它所存在的技术矛盾，最后利用创新原理得到一些合理的解决方案，给焦炭反应性检测装置提供来一些优化思路，这也是对解决传统的焦炭反应装置检测效率低和检测结果不准确的情况提供一种可以参考的方案。