一种含膨胀珍珠岩的浇注料优化方案 中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司创新方法课题组
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摘要:在含有膨胀珍珠岩的轻质浇注料的搅拌过程中经常会有体积密度超标的问题出现,针对此问题进行了分析,其原因在于膨胀珍珠岩在搅拌过程中与搅拌叶、搅拌桶和其他组分相互撞击、摩擦而破碎,造成了物料整体的体积下降导致密度超标。由此找到三个关键点。根据TRIZ原理对此问题中的三个关键点进行了分析解决,对关键点1:在必须的搅拌时间内破碎率过高使用了冲突理论和物质-场理论进行解决,对关键点2:膨胀珍珠岩强度差使用冲突理论解决,对关键点3:改变搅拌方式使用了裁剪。经过以上的分析,以陶瓷-膨胀珍珠岩复合材料代替原系统中的骨料,以此来保证整体材料的轻质化;在搅拌工具上涂覆柔性光滑层来避免可能由搅拌工具带来的强烈破碎效果。

一、问题描述

轻质浇注料在日常的施工过程中经常会有含有膨胀珍珠岩的轻质料施工后体积密度大于产品设计规格,究其原因是膨胀珍珠岩在搅拌过程中碎裂。

一般含有膨胀珍珠岩的轻质料中同时也含有陶粒和其他细粉。

陶粒(图1)是常用的轻质耐火浇注料骨料,将铝矾土矿经开采、破碎、配料、球磨、制球和煅烧后形成球形或椭球形颗粒,强度较大。表面光滑,开口气孔少。

膨胀珍珠岩(图2)是一种天然酸性玻璃质火山熔岩非金属矿产,可用于耐火材料骨料,由于在1000~1300℃高温条件下其体积迅速膨胀4~30倍,故统称为膨胀珍珠岩,强度低,易破碎,但气孔率高,导热系数低,常温导热系数0.0245~0.048W/(m·K),高温导热系数0.058~0.175W/(m·K),低温导热系数0.028~0.038W/(m·K),最高使用温度800℃,是轻质耐火材料轻量化的常用组分,一般呈不规则块状,表面有大量开口气孔。

①定义技术系统实现的功能

含有膨胀珍珠岩的轻质浇注料在轻质不定形耐火材料中占有相当的比例,该种浇注料含有陶粒、膨胀珍珠岩、铝酸盐水泥和其他组成基质的细粉。以上组分在搅拌机内搅拌均匀后加适量水继续搅拌至合适的流动度。

②现有技术系统的工作原理

目前所用搅拌机如图3所示为行星式搅拌机,根据容量分为不同型号,搅拌叶如图4所示,搅拌叶在公转的同时也自转,使物料上下及四周流动,从而可在较短时间内达到混合效果。但为保证混合的均匀度必须有一定的混合时间,整个搅拌过程约为5分钟。

③当前技术系统存在的问题

在干混过程和加水搅拌过程中,搅拌机将物料组分搅拌均匀,但同时物料中的膨胀珍珠岩、陶粒、搅拌叶和搅拌锅相互碰撞、摩擦,造成膨胀珍珠岩破碎为细粉,所占组分体积比下降,当短时间搅拌时破碎率不高,影响不大,当达到所必须的搅拌时间时,膨胀珍珠岩破碎率过高,使体系密度升高,不利于轻量化。

④问题或类似问题的现有解决方案及其缺点

目前为达到膨胀珍珠岩尽量少破碎的目的主要采用降低搅拌时间的方式来减少膨胀珍珠岩所受到有害作用的时间,在一些低密度轻质浇注料中加水搅拌时间甚至低于30s,此方法会带来极大的组分不均风险。

⑤新系统的要求

在新的搅拌体系中降低膨胀珍珠岩的破碎率,同时保证搅拌时间各组分的均匀。

二、解题过程

(1)功能分析

(2)“因果分析”或者“失效分析”

(3)冲突区域确定

问题关键点1:在必须的搅拌时间内膨胀珍珠岩破碎率过高

问题关键点2:膨胀珍珠岩强度差

问题关键点3:是否可以改变搅拌方式

(4)理想解分析

最终理想解:系统组分之间没有相互挤压磨损,不会造成轻质材料的破碎和细粉填孔现象。

次理想解:大幅度减弱系统中轻质材料的磨损程度。

(5)可用资源分析

(6)问题解决

问题关键点1:在必须的搅拌时间内膨胀珍珠岩破碎率过高

该问题可描述为:

 在短时间内搅拌系统不足以将物料体系搅拌均匀,,如果需要将物料充分搅拌均匀,则需将搅拌时间延长至必须的搅拌时长,这样会导致膨胀珍珠岩受到撞击和摩擦的时间延长使其破碎率上升。(使用冲突解决工具解决)

在现有搅拌系统中的各种碰撞摩擦使膨胀珍珠岩破碎。(使用物质-场工具解决)

工具一:冲突解决理论

①冲突描述:在短时间内搅拌系统不足以将物料体系搅拌均匀,,如果需要将物料充分搅拌均匀,则需将搅拌时间延长至必须的搅拌时长,这样会导致膨胀珍珠岩受到撞击和摩擦的时间延长使其破碎率上升。

为了“ 搅拌均匀 ”,需要参数“ 搅拌时间 ”为“长”,但又为了“ 降低膨胀珍珠岩所受有害作用 ” ,需要参数“ 搅拌时间 ”为“短”,即,搅拌时间既要“ 长”又要“短” 。

②考虑到该参数“ 搅拌时间”在“ 搅拌物料中是否有易碎骨料 ”具有不同的特性,因此该冲突可以从“ 条件”(空间、时间、条件、整体与部分)上进行分离。

③ 选用4条分离原理(空间分离、时间分离、基于条件的分离、整体与部分分离)当中的“ 条件 ”原理,得到解决方案。

④  依据选定的发明原理,得到问题的解:

方案一:依据NO.1分割发明原理,得到问题解如下

在干混阶段将试样中膨胀珍珠岩分离出来,先将其余物料混合均匀后再加入膨胀珍珠岩搅拌,从而减少了膨胀珍珠岩受到撞击和摩擦的时间,降低了破碎率。

方案二:依据NO.7套装发明原理,得到问题解如下

在搅拌叶表面及搅拌桶内壁涂覆一层光滑耐磨且具有一定柔性的材料,在搅拌过程中减弱了搅拌叶和搅拌桶内壁与膨胀珍珠岩的摩,同时也未损失原有搅拌叶在力学强度和运动轨迹上的特性,但无法减少试样内其他组分对膨胀珍珠岩的撞击和摩擦。

方案三:根据NO.5合并原理,可得到如下解:

在原体系中骨料有陶粒和膨胀珍珠岩两种,其中陶粒力学性能好,可起到更好的支撑作用,而膨胀珍珠岩的隔热性更佳。在搅拌过程中陶粒对膨胀珍珠岩有磨损的,所以考虑将两者合并。将膨胀珍珠岩外覆盖一层具有多孔结构的陶瓷壳体形成新的轻质骨料,使其既外部具有陶粒的强度,内部又具有膨胀珍珠岩内部的极高气孔含量和小尺寸气孔结构,用这种容重低于陶粒但高于膨胀珍珠岩的新骨料代替原先的两种骨料。

方案四:根据NO.22变有害为有利原理,可得到如下解:

方案三中将硬质骨料与膨胀珍珠岩合并后,硬质骨料对膨胀珍珠岩的破碎效果变为保护膨胀珍珠岩不受外部作用力损坏,所以与方案三相同。

工具二:物质-场分析及76个标准解

①建立问题的物质-场模型;

②根据所建问题的物质-场模型,应用标准解解决流程,确定问题的通解;

上述两个物质-场模型代表了现有搅拌系统中的现象,两模型均为功能完整、有用并有害的模型,采用NO.14和NO.10标准解。

NO.14串联物质-场模型,把单一的模型变换为一串联的模型。

NO.10不可添加新物质,通过修改S1或S2消除有害作用。

③依据选定的标准解,得到问题的解决方案;

依据No.14标准解,得到问题的解如下:

在膨胀珍珠岩外包覆硬质层

应用NO.14标准解,改进后的物质-场模型为

方案五:在膨胀珍珠岩外包覆硬质层

根据No.10标准解,得到问题的解如下:

方案六:在搅拌叶和搅拌桶外包覆柔性光滑涂层

改进后的物质-场模型(S4为柔性光滑层)

方案七:用闭孔珍珠岩代替膨胀珍珠岩

用闭孔珍珠岩代替膨胀珍珠岩加入轻质浇注料中。闭孔珍珠岩是由有一定粒径的珍珠岩矿砂在垂直电炉梯级加热方式下达到一定温度后由内到外均匀膨胀,膨胀颗粒表面又经瞬间高温玻化,经降温后形成连续玻质化的颗粒表面,而内部保持着完整的多孔、中空空心结构,表面烧结并气孔封闭,在颗粒表面形成了硬质层,避免了在搅拌中因碰撞和摩擦而产生的破碎,同时解决了问题关键点2中的骨料强度差的问题。

问题关键点2:膨胀珍珠岩强度差

该问题可描述为:

膨胀珍珠岩强度低,无法承受在搅拌系统中的长时间搅拌摩擦,一般而言如果需要提高膨胀珍珠岩的强度则需选用容重更大的膨胀珍珠岩,这样会造成整个浇注料系统的体积密度和导热系数的升高(使用冲突解决工具解决)

工具一:冲突解决理论

①冲突描述:为了改善膨胀珍珠岩的强度,我们需要选用容重更大的膨胀珍珠岩,但这样做了会导致浇注料的体积密度升高,不利于轻量化

②转换成TRIZ标准冲突

改善的参数:强度

恶化的参数:静止物体的质量

③查找冲突矩阵,得到如下发明原理:

NO.40,NO.26,NO.27,NO.1

④依据选定的发明原理,得到问题的解:

方案八:依据No.1分割发明原理,得到解如下:

在搅拌阶段,先用手将少量物料混合均匀,由于手混强度低,不会造成膨胀珍珠岩的破碎,再将多份经手混过物料用搅拌机混合,这样可大大降低搅拌机混合时间,但由于此方法人工参与过多,仅限于少量混合搅拌的情况。

方案九:依据No.40复合材料发明原理:

得到解如同方案二、方案三和方案七。

问题关键点3:改变搅拌方式

工具一:裁剪

裁剪前功能模型

在搅拌系统中,所有的有害作用都是由各部件间的相对运动而引起搅拌叶是所有运动部件的动力来源,所以尝试对其进行裁剪。

根据规则3主动原件的作用由其他元件或超系统代替。

裁剪后功能模型

按照功能裁剪过程,得到解决方案如下:

方案十:

改变搅拌桶设计,使其可以在水平方向上做一定倾斜,并可发生自转,在干混阶段将筒体倾斜并低速自转,利用摩擦和重力对物料进行搅拌,在此阶段有大量空气混入物料内使膨胀珍珠岩所受摩擦和撞击都有所缓解。

由于加水后浆体粘稠度急剧增大,所以必须使用搅拌叶进行强制搅拌。所以此方案仅针对干混阶段。

三、最终方案

依据上面得到的若干创新解,通过评价,确定最优解。

最终解为:方案三和方案四的综合。

方案三中用陶瓷膨胀珍珠岩复合体代替了陶粒和膨胀珍珠岩,解决了原有系统中的所有问题,并且未影响原浇注料系统中的轻质化,考虑到复合后陶瓷外壳可能会有强度不足的问题,在搅拌系统中引入了光滑柔性涂层以降低陶瓷外壳的破碎风险。

四、创新点(200字以内)

提出了在搅拌系统中引入了光滑柔性涂层以降低陶瓷外壳的破碎风险。

五、形成的知识产权情况

注:专利类型包括国内实用新型、国内发明、国外专利等

六、应用情况及范围

无。

七、产生的经济效益或社会效益

无。