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：1020601407单位：青海大学,2,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,3,1、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。,4,1、问题背景和描述,（2）问题的描述,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,5,1、问题背景和描述,（2）问题的描述,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,6,1、问题背景和描述,（2）问题的描述,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；,7,1、问题背景和描述,（2）问题的描述,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,8,1、问题背景和描述,（2）问题的描述,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。,9,1、问题背景和描述,（2）问题的描述,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。,10,ARIZ-85解决问题流程,11,2、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,12,2、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：,集气罩有限空间内空气受热膨胀外泄；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,13,2、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,14,2、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；,移动集气罩与端墙存在缝隙,15,2、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。,16,2、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,17,2、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,18,2、基于ARIZ的问题分析与求解,2.1定义两个技术冲突TC1和TC2,2.分析问题模型,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。,19,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。,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,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；,20,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。,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,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。,21,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,22,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,23,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。,24,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,25,2、基于ARIZ的问题分析与求解,2.3加强冲突,2.分析问题模型,26,2、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,帆板,S2,S1,机械场,烟气,F1,27,2、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.分析问题模型,帆板,S2,S1,机械场,烟气,F1,纤维毡,S1,机械场,烟气,F1,S2,28,2、基于ARIZ的问题分析与求解,3.1定义操作区域和操作时间,3.定义理想解确定物理冲突,操作区域,操作时间,OZ1,OZ2,29,2、基于ARIZ的问题分析与求解,3.2分析操作区域和操作时间内的可用资源,3.定义理想解确定物理冲突,30,2、基于ARIZ的问题分析与求解,3.3定义理想解1,3.定义理想解确定物理冲突,31,2、基于ARIZ的问题分析与求解,3.4使用限制条件应用理想解1,3.定义理想解确定物理冲突,32,2、基于ARIZ的问题分析与求解,3.5宏观级别表述物理冲突,3.定义理想解确定物理冲突,33,2、基于ARIZ的问题分析与求解,3.6微观级别表述物理冲突,3.定义理想解确定物理冲突,34,2、基于ARIZ的问题分析与求解,3.7构建理想解2,3.定义理想解确定物理冲突,35,2、基于ARIZ的问题分析与求解,3.8从X2角度应用76个标准解,3.定义理想解确定物理冲突,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1类标准解No5（S1.1.5），假定系统不能改变，但可以改变系统所处的环境；方案6：依据S1.1.5引入，得到问题的解如下：集气罩内空气受热时膨胀，造成烟气逸出，拟在渐缩管处加装风机，使整个系统内形成负压状态，使扒炉产生烟气在负压状态吸入集气罩后排入收尘系统；310S不锈钢耐高温风机，工作温度800。,36,2、基于ARIZ的问题分析与求解,4.1使用“小人法”进行建模,4.利用扩展物质-场资源,1、明确改进目标；提高集气装置密封性2、确定操作区域（OZ）；工人扒炉区域（帆板与地面缝隙区域）；,37,2、基于ARIZ的问题分析与求解,4.1使用“小人法”进行建模,4.利用扩展物质-场资源,3、构造情景并以“小人”表达当前问题双方之间的作用状态；,帆板,烟气,扒炉工具,38,2、基于ARIZ的问题分析与求解,4.1使用“小人法”进行建模,4.利用扩展物质-场资源,4、以“小人”构想达到目标的情景形式；,“无形帆板”,5、构想达到目标情景时应提供“小人”需要的条件；,情景：寻找一种“无形帆板”，可以阻止烟气逸出，但不影响工人扒炉。,烟气,扒炉工具,39,2、基于ARIZ的问题分析与求解,4.1使用“小人法”进行建模,4.利用扩展物质-场资源,6、构想达到目标情景时“小人”需要的改变；,“无形帆板”,烟气,扒炉工具,情景：“烟气”小人为流体（气态）形式，“扒炉工具”小人为固态形式，寻找一种流体形式“无形帆板”小人，手拉手快速落下，即可避免“烟气”小人冲出，又可让固态“工具”小人畅通无阻。,40,2、基于ARIZ的问题分析与求解,4.1使用“小人法”进行建模,4.利用扩展物质-场资源,7、走出情景在现实中寻找替代“小人”的工程方案。,方案7：拆除原有帆板及卷线机构，在集气罩四周边缘安装水幕系统，由水幕喷头、管道和控制阀等组成喷水系统，用“水幕系统”隔离烟气；,41,2、基于ARIZ的问题分析与求解,4.2利用扩展资源,4.利用扩展物质-场资源,42,2、基于ARIZ的问题分析与求解,4.3应用新资源情况下，重新考虑采用标准解解决问题,4.利用扩展物质-场资源,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和第1类标准解No5（S1.1.5）假定系统不能改变，但可以改变系统所处的环境。方案8：依据S2.2.4和S1.1.5引入，综合考虑X1、X2角度，得到问题的解如下：用柔性耐高温石棉布替代帆板，扒炉时可将条状石棉布掀开操作；将集气罩内环境（温度状态）由加热状态转变为冷却状态，使物料自然冷却，减小烟尘受热膨胀；在系统末端修建烟囱，物料冷却后打开闸板，使系统内形成负压状态，烟气吸入集气罩收尘后经烟囱排入大气。,43,2、基于ARIZ的问题分析与求解,5.1解决物理冲突,考虑到“帆板高度”在不同的“空间上、条件下”（空间上、时间段、不同条件下、系统层次上）具有不同的特性，因此该冲突可以从“空间、条件”（空间、时间、条件、整体与部分）上进行分离。,冲突描述：为了“提高系统的密封性”，需要帆板高度为“高”，但又为了“扒炉方便”，需要帆板高度为“低”，即，帆板高度既要“高”又要“低”。,5.应用知识库,44,2、基于ARIZ的问题分析与求解,查找与该分离原理对应的发明原理有“No.1分割原理、No.13反向作用原理”。根据选定的发明原理，得到解决方案。,方案9：依据No.1发明原理，得到解如下:,方案10：依据No.13发明原理，得到解如下,用条状耐火纤维毯替代帆板，类似“门帘”，扒炉时，掀开工作区域内的耐火纤维毯进行操作。,5.1