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摘 要：采用短流程电炉锌粉炉生产锌粉具有节能、活性好、流程短等优点，是现在国内锌生产厂家最主流的锌粉生产工艺，但该工艺流程中存在炉体到冷凝器之间炉喉经常被锌块或粗锌粉堵塞并影响到正常生产的问题，问题一直未能有效解决。采用TRIZ理论中的IFR、系统分析、组件分析以及进化理论等方法提出解决思路。
关键词：TRIZ 锌粉炉 炉喉 堵塞
中图分类号：TG1 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2011）012-033-02
1 前言
目前，用于湿法炼锌流程中作为置换剂的锌粉主要有短流程还原熔炼锌粉(也可称矿热电炉锌粉)和空气雾化锌粉两种工艺生产，也有个别电解锌厂采用蒸馏锌粉作为补充，其主要优点有：(1)节能。(2)活性好。(3)流程短。大部分电解锌厂都有锌浮渣、次氧化锌等中间物料，可以用于直接生产电炉合金锌粉。而吹制锌粉和蒸馏锌粉均需从外部采购大量紧缺的粗锌锭或等外锌锭，不但成本高，浪费资源，而且难于买到。缺点：高温含锌蒸汽在经过炉喉时，容易在炉喉的炉气分配室内壁冷凝成锌块和粗锌粉，必须定期人工出渣，劳动强度大，除此之外，出粉时，还应避免出现CO中毒的情况。
本文从短流程电炉锌粉的生产工艺、冷凝器原理、炉喉分析入手，并采用TRIZ理论多方面分析问题并提出解决方案。
2 现状及问题分析
2.1 短流程电炉锌粉生产工艺简介
电炉合金锌粉生产的工艺是将锌焙砂、锌浮渣或较富的氧化锌精矿、碳质还原剂、熔剂按要求的配比均匀混合，经回转干燥窑烘烤，电炉还原熔炼，使物料中的锌及部分铅还原、挥发，还原的锌蒸汽随高温烟气进入冷凝器，急速冷却变为细粒锌粉。反应方程式如下：
ZnO+C=Zn+CO↑
ZnO+ CO =Zn+ CO2↑
CO2+C = 2CO↑
冷凝器及收尘系统中的锌粉经收集、包装后储存供湿法炼锌净化除杂或供给其它行业作为其它化工原料之用；经过收尘系统后的无尘尾气主要成份为CO，含量高达90%以上，经布袋收尘后的尾气经净化、加压后在煤气站储存，可作为干燥窑或其它燃料炉的能源。
2.2 锌粉冷凝系统工作过程
锌粉冷凝是本短流程电炉锌粉生产的核心工艺。电炉产生的含锌炉气经喉口流入冷凝器，在冷凝器内快速冷凝成锌粉，大部分锌粉沉降下来，少部分锌粉随炉气进入第一惯性分离器，部分较大颗粒锌粉得以和炉气分离并沉降下来，炉气随后进入第二惯性分离器进一步分离锌粉，含少量锌微粉的炉气最后经布袋收尘后排入大气或进入煤气回收系统。
冷凝器主体为水冷夹套包围的密闭空腔，一端开有进气口，另一端开有尾气出口，按照炉气流动方向，冷凝器空腔分为前段、中段和后段，冷凝器下部为锌粉斗，其下部配置有锌粉排出机构。
2.3 炉喉分析
含锌蒸汽的冷凝，最大部分是在冷凝器前端完成，因而导致在冷凝期内锌块产生，如电炉炉体与冷凝器直接相连，会在冷凝器与电炉炉体连接处内壁结成锌块，并部分沉降到螺旋出粉机构7，造成堵塞，严重时，需要把冷凝器折开检修，影响正常生产。
基于以上原因，国内普遍采用的技术是在冷凝器与炉体之间设计炉喉，炉喉由炉连接口、炉气分配室、沉降斗、闸板、清理炉喉装置组成，整体炉喉全部采用夹套水冷，主要优点有：
(1)通过合理设计炉喉容积，让含锌蒸气提前在炉喉内冷凝，产生锌块与粗锌粉，初步经炉喉冷凝后的含锌蒸汽再进入冷凝器，基本上解决了冷凝器堵塞问题。
(2)多通道分配器的设计，可以允许在分配室上开两个以上的孔，连接多个冷凝器，提高整个工艺生产效率。
(3)电炉在生产过程中的物料、灰尘在炉喉内沉积，可以和锌块、粗锌粉直接通过炉喉的底部出渣，每8小时人工清理一次，完全可防止物料、灰尘进入冷凝器，造成停产检修。
(4)炉喉设计为活动，可拆卸，在内部锌块较多无法清除时，可以直接拆下来，换一个干净的上去，最多影响一个班的产量，就可达到检修的目的，一般3个月到半年更换行一次。
炉喉的日常清理需要人工先用炉喉本身自带的2个推板把炉喉与炉体、冷凝器连接口处的锌片、锌粉、灰分以及整体炉喉内的杂物全清理到沉降斗中，然后打开闸板1，让杂物完全掉入排灰装置中，关闭闸板1，打开闸板2，完成清理，存在的问题：
(1)清理炉喉与炉体连接部位时，可能导致该部位锌片或粗锌重新回到炉中快速气化，造成炉内压力波动，严重时冲开炉顶或人字管。
(2)清理炉喉与冷凝器连接部位时，可能导致该部位锌片或粗锌掉入冷凝器中，造成冷凝器出粉螺旋机构堵塞，严重时需停产检修。
(3)因工人无法看到炉喉内部，本身自带的2个清灰推板虽現在可以180度旋转，但仍无法把炉喉中的渣清理干净。
(4)沉降斗闸板1此处，可能由于锌蒸汽在此处急冷直接变成液态，并形成锌片，很容易将闸板卡死，影响生产。
(5)炉喉清理采用人工出粉，劳动强度大，出粉时，还要避免出现CO中毒的情况。
3 创新方法（TRIZ）介绍
创新方法 (TRIZ，俄语翻译为“发明家式的解决任务理论”）是由前苏联发明家阿奇舒勒(Altshuller)及团队从1946年开始，研究了全世界250万份高水平发明专利的基础上，总结出来的理论体系。TRIZ属于前苏联的国家机密，在军事、工业、航空航天等领域均发挥了巨大作用，成为创新的“点金术”，让西方发达国家一直望尘莫及。中国于2008年正式引进该方法，2011年7月在湖南省进行首批创新试点单位推广，本公司是湖南省24家首批创新试点单位之一，已开始应用该理论解决实际中的工程问题。
TRIZ理论体系的主要内容包括几个方面：
(1)创新思维方法与问题分析方法。TRIZ理论中提供了如何系统分析问题的科学方法，如：最终理想解（IFR）、九屏幕法、STC算子等。这些方法可以帮助技术人员克服思维惯性，从宏观、微观、时间、成本等各种角度去发现根本矛盾所在。
(2)技术系统进化法则。在大量专利分析的基础上，TRIZ理论总结提炼出八个技术系统进化法则。利用这些进化法则，可以分析确认当前产品的技术状态，并预测未来发展趋势，开发富有竞争力的新产品。
(3)工程矛盾解决原理。不同的发明创造往往遵循共同的规律。TRIZ理论将这些共同的规律归纳成40个发明原理与4个分离原理，并提出了39个标准工程参数，针对具体的矛盾，可以基于这些创新原理寻求具体解决方案。
(4)发明问题标准解法。针对具体问题物场模型的不同特征，分别对应有标准的模型处理方法，包括模型的修整、转换、物质与场的添加，等等。
4 炉喉堵塞问题TRIZ建模及分析
最终理想解（IFR）是实现所有功能花费最少的理论，本问题IFR分析为：
(1)清理炉喉与炉体连接部分时，锌片或粗锌直接掉到炉喉沉降斗中。
(2)清理炉喉与冷凝器连接部分时，锌片或粗锌直接掉到炉喉沉降斗中。
(3)炉喉本身自带的2个推板可以清理干净内腔。
(4)沉降斗闸板1、闸板2不可能卡死，基本不影响正常生产。
(5)炉喉清理最好不采用人工出粉，并可以避免出现CO中毒。
4.1 功能分析
功能分析其公式为：V（动词）+O（系统作用对象），对应中文描述为：清除堵塞物。
4.2 组件分析
本文采用美国IWINT公司Pro/I Desk V5进行组件分析，如图1。
根据组件分析，炉喉壁上生成的锌块等堵塞物，直接有害于电炉、冷凝器、炉喉。根据炉喉特征，考虑直接采用进化理论分析。
4.3 进化理论分析
TRIZ的进化理论与炉喉有关的有表面的几何进化路线、体组件的几何进化路线、内部结构的进化路线三个方案，其表述如下：
(1)表面的几何进化路线
平坦表面—>向一个方向弯曲的表面—>表面大面积变形—>复杂的复合表面。
(2)体组件的几何进化路线
立方体—>圆柱体—>球体—>复杂体
(3)内部结构的进化路线
实心组件—>引入空腔—>形成几个空间—>形成多个空间—>引入场和力
根据方案，可考虑的进化路线有：
炉喉中炉气分配器内腔四壁是平面的，可考虑进化为弯曲表面；炉气分配器体结构为立方体或多方体，可考虑进化为圆柱体；炉喉已是多个空间分开，可考虑进化到引入场和力，如电磁场、重力、机械力场等。
4.4 最终方案
(1)炉喉中炉气分配室设计为圆柱体，在圆柱体上方中央增加可上下移动的轴，连接可与圆柱体内壁接触的刮板，刮板为整块圆型钢板，并筋板强化。在刮板上下移动时，可保证与炉气分配室壁上下密封。
(2)取消原閘板2，清灰装置，闸板1由原抽取方式改为活页装置，当刮板向下移动到分配室指定位置时，闸板1被挤开，自动将锌片、粗锌、灰渣放出。当刮板向上移动到指定位置时，闸板1关闭并密封。
(3)炉喉与电炉本体以及冷凝器本体连接时，采用向上45度连接，螺旋刮板工作时，可利用锌块、粗锌粉、粉尘自身重量掉入沉降斗中。
5 结论
短流程锌粉炉炉喉堵塞问题一直困扰国内生产企业多年，作为该设备制造企业也尝试过多种解决方法，但均未能找到理想的解决方案。创新方法TRIZ的引入，可以像套用数学公式一样，在短时间内找到多种解决方案，值得大范围推广。
参考文献：
[1] 沙涛.密闭式矿热电炉生产锌粉工艺及应用[J].有色金属(冶炼部分),2007(06).
[2] 根里奇·阿奇舒勒.创新算法——TRIZ、系统创新和技术创造力(第一版)[M].武汉:华中科技大学出版社,2008.
[3] Ruchti, B&Livotov, P, “TRIZ-based Innovation Principles and A Process for Problem Solving in Business and Management”, The TRIZ Journal,www.triz-journal.com.,2001.
关键词：TRIZ 锌粉炉 炉喉 堵塞
中图分类号：TG1 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2011）012-033-02
1 前言
目前，用于湿法炼锌流程中作为置换剂的锌粉主要有短流程还原熔炼锌粉(也可称矿热电炉锌粉)和空气雾化锌粉两种工艺生产，也有个别电解锌厂采用蒸馏锌粉作为补充，其主要优点有：(1)节能。(2)活性好。(3)流程短。大部分电解锌厂都有锌浮渣、次氧化锌等中间物料，可以用于直接生产电炉合金锌粉。而吹制锌粉和蒸馏锌粉均需从外部采购大量紧缺的粗锌锭或等外锌锭，不但成本高，浪费资源，而且难于买到。缺点：高温含锌蒸汽在经过炉喉时，容易在炉喉的炉气分配室内壁冷凝成锌块和粗锌粉，必须定期人工出渣，劳动强度大，除此之外，出粉时，还应避免出现CO中毒的情况。
本文从短流程电炉锌粉的生产工艺、冷凝器原理、炉喉分析入手，并采用TRIZ理论多方面分析问题并提出解决方案。
2 现状及问题分析
2.1 短流程电炉锌粉生产工艺简介
电炉合金锌粉生产的工艺是将锌焙砂、锌浮渣或较富的氧化锌精矿、碳质还原剂、熔剂按要求的配比均匀混合，经回转干燥窑烘烤，电炉还原熔炼，使物料中的锌及部分铅还原、挥发，还原的锌蒸汽随高温烟气进入冷凝器，急速冷却变为细粒锌粉。反应方程式如下：
ZnO+C=Zn+CO↑
ZnO+ CO =Zn+ CO2↑
CO2+C = 2CO↑
冷凝器及收尘系统中的锌粉经收集、包装后储存供湿法炼锌净化除杂或供给其它行业作为其它化工原料之用；经过收尘系统后的无尘尾气主要成份为CO，含量高达90%以上，经布袋收尘后的尾气经净化、加压后在煤气站储存，可作为干燥窑或其它燃料炉的能源。
2.2 锌粉冷凝系统工作过程
锌粉冷凝是本短流程电炉锌粉生产的核心工艺。电炉产生的含锌炉气经喉口流入冷凝器，在冷凝器内快速冷凝成锌粉，大部分锌粉沉降下来，少部分锌粉随炉气进入第一惯性分离器，部分较大颗粒锌粉得以和炉气分离并沉降下来，炉气随后进入第二惯性分离器进一步分离锌粉，含少量锌微粉的炉气最后经布袋收尘后排入大气或进入煤气回收系统。
冷凝器主体为水冷夹套包围的密闭空腔，一端开有进气口，另一端开有尾气出口，按照炉气流动方向，冷凝器空腔分为前段、中段和后段，冷凝器下部为锌粉斗，其下部配置有锌粉排出机构。
2.3 炉喉分析
含锌蒸汽的冷凝，最大部分是在冷凝器前端完成，因而导致在冷凝期内锌块产生，如电炉炉体与冷凝器直接相连，会在冷凝器与电炉炉体连接处内壁结成锌块，并部分沉降到螺旋出粉机构7，造成堵塞，严重时，需要把冷凝器折开检修，影响正常生产。
基于以上原因，国内普遍采用的技术是在冷凝器与炉体之间设计炉喉，炉喉由炉连接口、炉气分配室、沉降斗、闸板、清理炉喉装置组成，整体炉喉全部采用夹套水冷，主要优点有：
(1)通过合理设计炉喉容积，让含锌蒸气提前在炉喉内冷凝，产生锌块与粗锌粉，初步经炉喉冷凝后的含锌蒸汽再进入冷凝器，基本上解决了冷凝器堵塞问题。
(2)多通道分配器的设计，可以允许在分配室上开两个以上的孔，连接多个冷凝器，提高整个工艺生产效率。
(3)电炉在生产过程中的物料、灰尘在炉喉内沉积，可以和锌块、粗锌粉直接通过炉喉的底部出渣，每8小时人工清理一次，完全可防止物料、灰尘进入冷凝器，造成停产检修。
(4)炉喉设计为活动，可拆卸，在内部锌块较多无法清除时，可以直接拆下来，换一个干净的上去，最多影响一个班的产量，就可达到检修的目的，一般3个月到半年更换行一次。
炉喉的日常清理需要人工先用炉喉本身自带的2个推板把炉喉与炉体、冷凝器连接口处的锌片、锌粉、灰分以及整体炉喉内的杂物全清理到沉降斗中，然后打开闸板1，让杂物完全掉入排灰装置中，关闭闸板1，打开闸板2，完成清理，存在的问题：
(1)清理炉喉与炉体连接部位时，可能导致该部位锌片或粗锌重新回到炉中快速气化，造成炉内压力波动，严重时冲开炉顶或人字管。
(2)清理炉喉与冷凝器连接部位时，可能导致该部位锌片或粗锌掉入冷凝器中，造成冷凝器出粉螺旋机构堵塞，严重时需停产检修。
(3)因工人无法看到炉喉内部，本身自带的2个清灰推板虽現在可以180度旋转，但仍无法把炉喉中的渣清理干净。
(4)沉降斗闸板1此处，可能由于锌蒸汽在此处急冷直接变成液态，并形成锌片，很容易将闸板卡死，影响生产。
(5)炉喉清理采用人工出粉，劳动强度大，出粉时，还要避免出现CO中毒的情况。
3 创新方法（TRIZ）介绍
创新方法 (TRIZ，俄语翻译为“发明家式的解决任务理论”）是由前苏联发明家阿奇舒勒(Altshuller)及团队从1946年开始，研究了全世界250万份高水平发明专利的基础上，总结出来的理论体系。TRIZ属于前苏联的国家机密，在军事、工业、航空航天等领域均发挥了巨大作用，成为创新的“点金术”，让西方发达国家一直望尘莫及。中国于2008年正式引进该方法，2011年7月在湖南省进行首批创新试点单位推广，本公司是湖南省24家首批创新试点单位之一，已开始应用该理论解决实际中的工程问题。
TRIZ理论体系的主要内容包括几个方面：
(1)创新思维方法与问题分析方法。TRIZ理论中提供了如何系统分析问题的科学方法，如：最终理想解（IFR）、九屏幕法、STC算子等。这些方法可以帮助技术人员克服思维惯性，从宏观、微观、时间、成本等各种角度去发现根本矛盾所在。
(2)技术系统进化法则。在大量专利分析的基础上，TRIZ理论总结提炼出八个技术系统进化法则。利用这些进化法则，可以分析确认当前产品的技术状态，并预测未来发展趋势，开发富有竞争力的新产品。
(3)工程矛盾解决原理。不同的发明创造往往遵循共同的规律。TRIZ理论将这些共同的规律归纳成40个发明原理与4个分离原理，并提出了39个标准工程参数，针对具体的矛盾，可以基于这些创新原理寻求具体解决方案。
(4)发明问题标准解法。针对具体问题物场模型的不同特征，分别对应有标准的模型处理方法，包括模型的修整、转换、物质与场的添加，等等。
4 炉喉堵塞问题TRIZ建模及分析
最终理想解（IFR）是实现所有功能花费最少的理论，本问题IFR分析为：
(1)清理炉喉与炉体连接部分时，锌片或粗锌直接掉到炉喉沉降斗中。
(2)清理炉喉与冷凝器连接部分时，锌片或粗锌直接掉到炉喉沉降斗中。
(3)炉喉本身自带的2个推板可以清理干净内腔。
(4)沉降斗闸板1、闸板2不可能卡死，基本不影响正常生产。
(5)炉喉清理最好不采用人工出粉，并可以避免出现CO中毒。
4.1 功能分析
功能分析其公式为：V（动词）+O（系统作用对象），对应中文描述为：清除堵塞物。
4.2 组件分析
本文采用美国IWINT公司Pro/I Desk V5进行组件分析，如图1。
根据组件分析，炉喉壁上生成的锌块等堵塞物，直接有害于电炉、冷凝器、炉喉。根据炉喉特征，考虑直接采用进化理论分析。
4.3 进化理论分析
TRIZ的进化理论与炉喉有关的有表面的几何进化路线、体组件的几何进化路线、内部结构的进化路线三个方案，其表述如下：
(1)表面的几何进化路线
平坦表面—>向一个方向弯曲的表面—>表面大面积变形—>复杂的复合表面。
(2)体组件的几何进化路线
立方体—>圆柱体—>球体—>复杂体
(3)内部结构的进化路线
实心组件—>引入空腔—>形成几个空间—>形成多个空间—>引入场和力
根据方案，可考虑的进化路线有：
炉喉中炉气分配器内腔四壁是平面的，可考虑进化为弯曲表面；炉气分配器体结构为立方体或多方体，可考虑进化为圆柱体；炉喉已是多个空间分开，可考虑进化到引入场和力，如电磁场、重力、机械力场等。
4.4 最终方案
(1)炉喉中炉气分配室设计为圆柱体，在圆柱体上方中央增加可上下移动的轴，连接可与圆柱体内壁接触的刮板，刮板为整块圆型钢板，并筋板强化。在刮板上下移动时，可保证与炉气分配室壁上下密封。
(2)取消原閘板2，清灰装置，闸板1由原抽取方式改为活页装置，当刮板向下移动到分配室指定位置时，闸板1被挤开，自动将锌片、粗锌、灰渣放出。当刮板向上移动到指定位置时，闸板1关闭并密封。
(3)炉喉与电炉本体以及冷凝器本体连接时，采用向上45度连接，螺旋刮板工作时，可利用锌块、粗锌粉、粉尘自身重量掉入沉降斗中。
5 结论
短流程锌粉炉炉喉堵塞问题一直困扰国内生产企业多年，作为该设备制造企业也尝试过多种解决方法，但均未能找到理想的解决方案。创新方法TRIZ的引入，可以像套用数学公式一样，在短时间内找到多种解决方案，值得大范围推广。
参考文献：
[1] 沙涛.密闭式矿热电炉生产锌粉工艺及应用[J].有色金属(冶炼部分),2007(06).
[2] 根里奇·阿奇舒勒.创新算法——TRIZ、系统创新和技术创造力(第一版)[M].武汉:华中科技大学出版社,2008.
[3] Ruchti, B&Livotov, P, “TRIZ-based Innovation Principles and A Process for Problem Solving in Business and Management”, The TRIZ Journal,www.triz-journal.com.,2001.