解决浇注成型制品表面存在气孔的问题 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:浇注成型耐火制品在成型过程中会带入大量空气,最终在制品内部和表面形成很多气孔,不仅影响制品表面美观,而且降低了耐火制品抗高温熔体和熔渣的侵蚀性。通过功能分析、因果分析、冲突区域确定、理想解分析和可用资源分析,采用冲突解决理论,物质-场分析及76个标准解等工具来解决该技术问题。 根据得到的标准解,结合专业知识,最终采用浇注料中加入消泡剂,同时对模具表面进行涂覆处理的方法消除制品表面的气泡。

一、问题描述

浇注耐火制品通常采用振动成型,通过振动排出搅拌过程中带入的空气,使物料堆积密实。尽管在振动过程中大部分气体会被排出,但由于振动时间过长会导致颗粒偏析,最终导致制品不均匀,所以振动时间不宜过长,加之浇注料本身的粘度较大,致使还有部分空气不能被排出,最终在制品内部和表面形成很多气孔,不仅影响制品表面美观,而且杂质很容易通过气孔渗入耐火材料内部,破坏材料组织结构,严重降低了耐火制品的使用寿命。

①定义技术系统实现的功能

该技术系统主要用于浇注成型耐火制品的制备,通过振动使物料填充到模具,同时排出其中卷入的空气,使物料密实。

②现有技术系统的工作原理

通过振动台振动使物料填充到模具,同时振动使空气逐渐上浮直至排出,从而使物料密实。

③当前技术系统存在的问题

由于振动时间的限制,以及物料粘度对气体的阻碍,使气体不能完全排出。尤其是随着浇注制品的体积增大,气体更加难以排出。

④问题或类似问题的现有解决方案及其缺点

最终成型的制品表面有很多气孔,不仅影响制品使用寿命,同时也影响美观,通常是经过热处理后进行修补的方法将表面气孔覆盖,缺点是增加了生产工序,人力成本,而且修补后与本体结合强度不够,容易脱落。

⑤新系统的要求

在不增加或是有限增加成本的情况下,使浇注成型耐火材料制品表面没有气泡,或是气泡很小可忽略。

二、解题过程

(1)功能分析

(2)“因果分析”或者“失效分析”

对浇注成型制品表面气孔因果分析见图2 所示。

(3)冲突区域确定(问题关键点 )

1. 成型过程中振动时间有限,气体不能完全排出

2. 物料粘度较大,空气不易排出。

(4)理想解分析

    次理想解:被卷入空气量有限,最终表面气泡很少并且很小。

(5)可用资源分析

(6)问题解决

工具一:冲突解决理论

① 冲突描述:

冲突一:

成型过程中,为了保证制品表面平整无气孔,振动时间应该长,有利于气体排出,但容易偏析,各部分性能不一致

冲突二:

成型过程中,为了有利于气体排出气泡排出保证制品无气孔,浇注料粘度应该小,加水量应提高,但制品最终强度较低。

② 转换成TRIZ 标准冲突:

冲突一 :改进特性(表面形貌)—形状,系统恶化特性(性能一致性)-可靠性。

冲突二:系统改进特性(表面形貌)—形状,系统恶化特性-强度。

③ 查找冲突矩阵,结合专业,选择原理 10 预操作,30 柔性壳体或薄膜 

④ 依据选定的发明原理,得到问题的解:

按冲突1

方案一:预操作原理,在浇注料加入模具之前,用真空搅拌除去浇注料中混入的空气,但设备投资较大,不适合实际生产使用。

按冲突2

方案二:预操作原理,在浇注料混合过程中加入消泡剂,预先使浇注料中气泡减少,进一步在振动成型过程中排出气泡,如此可使最终制品中的气泡减少,也有利于消除制品表面气孔。但要考虑消泡剂的加入量,只能应用于附加值高的产品。

方案三:柔性壳体或薄膜原理,浇注成型过程中气体卷入不可避免,且部分气体不易排出,考虑在模具内将制品靠近模具表面的气泡消除。具体做法是在模具表面涂覆一层具有一定吸水能力的吸水层,通过该系水层的吸附作用将表面的气泡吸收掉。该吸水层可以是石膏、纤维纸、滤纸等,该方法简单易操作,且成本没有明显增加,脱模后制品表面平整不需要后期修补。

工具二:物质-场分析及76个标准解

按冲突1

①  建立问题的物质-场模型;

A.确定系统的物质和场:物料 、振动台 、 机械力场

B.建立物质-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;

从标准解的流程看,该系统存在不足作用,要采用第一类“物质-场的构建和拆解”中的 “改进不充分系统的性能”, 选定如下:

图3 振动台排出气泡的物质-场模型

No.3  系统不可改变,但许使用一个永久或暂时的外部附加成分。

方案四:依据No.3标准解,得到问题的解如下:

在振动成型模具上连接真空除气装置,给气泡上浮提供一个动力,相对减弱物料对气泡的阻力,加速气泡上浮,物料中的气孔减少。但这样以来,设备成本大大增加,导致最终制品成本升高,缺乏竞争力。

按冲突2

① 建立问题的物质-场模型;

A.确定系统的物质和场:物料 、气体 、 化学场

B.建立物质-场模型:


                  图4物料中气泡排出的物质-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;

    从标准解的流程看,需要采用第一类“物质-场的构建和拆解”中的 “消除或抵消有害作用”。选定如下:

(1)No.9 当前设计中同时存在有用和有害作用,S1 和S2 不必直接接触,引入S3

消除有害作用。

(2)No.12 在一个系统中有用及有害效应同时存在,且必须处于接触状态。增加F2

抵消F1 的有害效应,或获得一个有用的附加效应。

③  依据选定的标准解,得到问题的解决方案;

方案五:依据No.9标准解,得到问题的解如下:

考虑在模具表面涂覆一层具有一定吸水能力的吸水层,通过该系水层的吸附作用将表面的气泡吸收掉。没有了气泡,就没有了物料对气泡的阻碍作用。该吸水层可以是石膏、纤维纸、滤纸等,该方法简单易操作,且成本没有明显增加,脱模后制品表面平整不需要后期修补。

方案六:依据No.12标准解,得到问题的解如下

在振动成型模具上连接真空除气装置,给气泡上浮提供一个动力,相对减弱物料对气泡的阻力,加速气泡上浮,物料中的气孔减少。但这样以来,设备成本大大增加,导致最终制品成本升高,缺乏竞争力。

三、最终方案

最终解为:

1. 混料过程中加入消泡剂,减少气泡的产生。

2. 在模具内壁附上一层具有一定吸水能力的涂层,将靠近模具表面的气泡吸收掉。上述可用方案汇总:

依据上面得到的若干创新解,通过评价,确定最优解。

最终解为在浇注料混合过程中加入消泡剂,预先使浇注料中气泡减少,同时在模具表面涂覆一层具有一定吸水能力的吸水层,通过该系水层的吸附作用将靠近模具表面附近的气泡吸收掉。

四、创新点

通过采用消泡和吸泡技术,使浇注制品表面气孔减少。

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

通过对模具表面进行处理,浇注制品表面气孔基本消除。

七、产生的经济效益或社会效益