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1、完美转炉设计面面观（国外转炉技术发展简介）完美转炉设计面面观（国外转炉技术发展简介）发表日期：2006-7-11 阅读次数：424今天，全世界大约有 600 台转炉在从事生产活动，午粗钢产量 45 亿 t，约占全球粗钢总产量60。以奥钢联投产世界第台转炉为起点，现代高效碱性氧气转炉是 50 余年不断发展的产物，在炉体寿命、增大装人量和降低维护等方面取得了显著的进步。这种设备暴露在高温环境中，遭受机械冲击和热应力的作用，其工程设计是一个巨大的挑战。悬挂系统在实现转炉长寿方面是高度重要的。为了生产优质钢，改进工艺的经济性，开发 发诸如副抢炉底搅拌装置和高度精密而复杂的自动化系统。转炉设计转炉设计炼
2、钢工艺的过程状态造成直接观察到转炉内所发生的一切几乎是不可能。目前，还没有数学模型能完整的描述高温冶金及流体动力学过程。从转炉炼钢诞生开始便不断的对其进行研究改进，故此对冶金反应的了解更全面。然而，下面的两个例子清楚地表明还有许多凋研工作要做。炉底搅拌风口的位置仍有待优化。这些风口对钢水提供更好的搅拌效果，更快的降低碳含量，应该能缩短冶炼周期。然而，今天风口的最佳位置和数量是建立在经验的基础上。为了更深人的了解，国外有人在 2000 年进行了调研工作，很快发现，高温流体动力学过程的描述是非常复杂的，而且只有进行许多假设才可行，例如，只能近似的描述气泡及它们与钢水的反应。对吹炼过程中转炉摆动的数
3、学描述仍需要详细阐述，尤其是那些底吹或侧吹工艺，它们的摇动非常剧烈。这些震动是由自发过程引起。吹氧过程中引入的能量促使该系统以极低的艾根频率摆动，通常为 0，520Hz。能够描述这种非线性化学力学上的流体动力学系统的数学模型的发掘工作还没有完成。转炉炉壳转炉炉壳在转炉的机械部分中，容纳钢水的是内衬耐火材料的炉壳。这些耐火材料表现出复杂的非线性的热粘弹缩性行为。与钢壳非线性接触。人们对钢壳自身的行为或多或少的了解一些，描述这种随温度而变化的弹塑性材料及它的蠕变效应是可能。然而，钢壳与耐火材料间的相互作用仍然有许多未知的东西。转炉设计更大程度上被视为艺术而不是科学，然而，经验的积累、材料的改进及计
4、算机技术的应用都有助于更好的理解、设计这个机构。在优化炉壳设计方面存在几个标准。最重要的一个是耐火材料所包围的内容积。为了拥有最大的反应空间，实现最佳的冶金过程，这个容积应该在可用空间范围内达到最大化。在进行比较时使用反应空间与钢水质量的比值，这个比值一般为近似 10m3t。然而，因不断地追求以最低的投资提高炼钢设备的生产率，导致钢厂在保持原有炉壳不变的情况下加大了装入量，这就降低了这个比值。其后果是严重的喷溅倾向于炉容比降到 07-08m3t 时发生。今天，转炉本体的形状，即上下锥角、径高比等由炼钢者决定，或者由现有装备确定，如烟气系统、倾转轴高度、倾动驱动等。因此，在设计新炉时，只有少量的
5、参数可以改动。现代转炉由带有炉头铁圈的上部锥体、桶状炉身和采用碟形底的下部锥体构成。近几年拆掉了上下锥与炉身之间、下锥与炉底之间的关节构件。生产经验表明，这些区域的应力没有最初设想的那么严重，可以通过使用优质炉壳材料解决，故上述做法是可行的。炉壳设计准则炉壳设计准则设计过程的一个重要步骤是炉壳结构校验，即应力与变形计算，并与所允许极限值进行比较。像转炉这样的冶金容器，其设计无需满足特定的标准。在转炉设计艺术的演变历程中，最初的炉壳设计参照了锅炉和压力容器的设计标准。依此设计的产品的成功投产表明了这些标准也适用于炼钢生产实践。然而，转炉毕竟不是压力容器，其内部压力来源于耐火材料的热膨胀，而不是锅
6、炉中的液体或者气体，而且，诸如裂纹等破损也不会导致像高压容器那样发生爆炸。这也是为什么转炉的设计没有完全遵循压力容器设计标准的所在。炉壳厚度炉壳厚度传统压力容器壁厚度的选取主要以内部压力为依据。然而，在转炉上，这个压力是不能确切计算的，其原因是由耐火材料与炉壳之间的作用和生产操作两方面因素确定的。在决定炉壳厚度时，其它载荷、因素也要考虑在内，主要包括：因设备、耐火材料和钢水重量引起的机械载荷；炉壳与耐火材料衬相互作用产生的内部压力，即二次压力；由外力，如动态质量效应、兑铁水、加废钢、出钢等造成的机械载荷；炉壳上的温度与温度梯度；炉壳在温度作用下变形，在悬挂系统上引起机械载荷；因炉壳、悬挂系统温
7、度分布不均，使炉壳产生二次应力。AISE 的第 32 小组委员会曾试图给出一个简单的“菜谱”程式来计算炉壳厚度。但有的研究表明，在确定炉壳厚度方面，定义一个简单的程式或者准则是不可能。这些准则在已经证实的基础上可以用来确定炉壳，然而，引入的力，例如来自悬挂系统的力，必须用有限元法进行详尽地计算。国外开发的悬挂系统是静定的，因此该系统内的所有载荷均能精确计算。这个特征的优点是能非常准确地计算出局部应力和变形。转炉寿命转炉寿命世界经验表明，因长期的变形，转炉寿命是有限的。当炉壳碰到托圈时转炉便走到了终点，通常是 2025a。这个变形是由蠕变引起的。蠕变是高温环境下(350)材料的典型行为。蠕变变形
8、与温度、应力水平和所用材料有关。只有有限的几种可行方法能延长转炉寿命，如冷却炉壳、材料选择和生产操作等。冷却系统冷却系统原则上，设备的强制冷却并不是绝对必要的，自然通风冷却已经足够了。许多实际应用证明了这一点。然而，强制冷却降低了设备温度，对减轻蠕变变形有积极的效果，从而延长了耐火材料的寿命，保证了在生产温度下有更高的屈服强度。一些钢厂对转炉壳应用了冷却系统，如水冷、强制通风、复合气水冷却(气雾冷却)等。最有效的冷却手段是水冷。材料选择材料选择最初，炉壳材料主要选用耐高温的压力容器钢。为了承受许多未知的载荷与应力，尤其偏重细晶粒钢。这种钢材屈服强度比较低，但在屈服点以亡有相当高的应变硬化容量。
9、其优点是，当发生过载时，会有足够的过余强度，甚至在出现裂纹时也不会发生脆性裂纹扩，裂纹要么终止发展，要么以非常缓慢的速度生长。炉壳用钢一般选用A516Cr60、Aldur41、Altherm4l、WStE285、WStE355、P275NH、P355NH 等。这个原则对新转炉仍然是有效的，但最近的 1015 年内，由于使用了镁碳砖、溅渣护炉技术等，炉衬寿命延长。这些变化导致炉壳温度上升，促进了蠕变效应，致使炉壳寿命缩短。为了抵消蠕变效应，更多的选用了抗蠕变材料，如 A204Cn60、16M03、A387Cn 11、A387Cr22、13CrM044 等。不利的因素是这些钢材具有昔通晶粒尺寸，且
10、焊接困难。悬挂系统是转炉的一个重要零部件。理想的悬挂系统不应该影响炉壳的行为，生产中无须维护。在过去的数年中开发出了许多不同的转炉悬挂系统。最初，托圈与转炉是一体的，但很快就分开了。各种悬挂系统的原理基础是不同的，例如，日本采用刚性系统，与“自由转炉”对立。刚性托圈抑制了炉壳的变形，但对热膨胀的任何约束都会产生非常高的应力，增加了炉壳产生裂纹的机会。 要允许转炉膨胀或者变形，且托圈不能制造附加应力，这就要求将悬挂系统设计成静定的。根据这一原理，VAI 开发了一系列转炉悬挂系统，如托架系统、VAI-CON Disk、VAI-CON Link、VM-CON Quick 等。VM-CON Link
11、是一个无需维护的悬挂系统，它的设计获得了良好的应用反馈。一个典型的应用是巴西保利斯塔黑色冶金公司的 160t 转炉。其尺寸参数为：钢水量 160t、容积160m3、炉容比 10 m3t、转炉高 8920mm、炉身部炉壳厚度 70mm、底锥厚度 55mm、碟形底厚度55mm、转炉外径 7300mm。炉壳材质为 Mo 合金钢 16Mo3(相当于 ASTM A204GrB)。托圈采用箱型截面焊接结构，与炉壳间隙 250mm，以便与炉身空冷板组装在一起。上锥装备了已经被充分验证的水冷系统。这两个冷却系统主要是延长耐火炉衬的寿命，同时也冷却炉壳。该转炉采用了 VAI-CON Link 悬挂系统。出于冶金
12、上的原因，炉壳上装备了 6 个炉底搅拌风口。转炉技术转炉技术与转炉设计一道，现代先进的转炉技术包括：*使用惰性气体的炉底搅拌和少渣操作改善了冶金过程；*大量的二次冶金并入了转炉技术中；*计算机工艺自动化及相关传感器技术提高了质量、生产效率、生产安全性，降低了生产成本；*用于设备平稳操作的工具、装备，易维护性，以及寿命延长的耐材；*提高废弃物环境兼容性的系统。转炉技术继续深入开发的目标是改进工艺的经济性，即优化物流和设备操作，优化工艺技术。工艺技术的优化不是简单的局限于目标分析、目标温度的确定和添加材料的选择，他还包括生产操作，如氧枪操作的枪位和吹炼模式、副枪的浸没时间与深度、添加系统的添加模式
13、、炉底搅拌系统的搅拌模式等。所有这些都必须在设备投产前标准化，在试车调试中针对所生产的钢种进行优化。动态工艺控制需要副枪系统和放散煤气分析。副枪系统测量温度、含碳量和熔池液面位置，在炼钢过程中取样。因此，在吹炼中实现测量时可能的，也不会损失生产时间。副枪系统是完全自动化的，测量探针能在 90s 内能完成更换。近几年在工艺自动化领域里的发展是使用 Dynacon 系统实现了完全的动态控制。该系统通过连续的煤气分析，实现从吹炼起点到吹炼终点的炼钢过程控制。挡渣器的作用是降低盛钢桶的炉渣携带量。挡渣操作降低了脱氧材料的消耗，尤其是在生产低碳钢种时。另一个特点是在二次冶金中需要钢包渣脱硫，挡渣操作也能
14、降低钢包渣添加剂的用量。同时，也避免了盛钢桶的除渣操作和温度损失。二次冶金需要的钢包渣就这样在转炉出钢过程中形成了。根据经验，当不使用挡渣器时，出钢时的炉渣携带量为 10-14kgt 钢，在采用挡渣后，炉渣携带量降低到了 3-5kgt 钢的水平。与炉渣感应器配合使用，炉渣携带量可稳定地控制在2、3kgt 钢的范围内。它的另一个优点是降低了磷含量，从大约 30ppm 降到了 10ppm。因此，磷含量不合格的炉次减少了。鉴于底吹转炉改进的冶金效果，如 OBMQ-BOP、K-OBM 等，决定开发顶吹转炉的炉底惰性气体搅拌技术。该系统应该利用底吹的优点，同时要避免炉役中期更换炉底的缺点。以奥钢联第三转
15、炉厂为例，当 1650无搅拌条件下，吹炼终点碳含量 0，035Cao 的平均值为 00033，当采用吨钢流量为 008Nm3min 的底吹搅拌时，这个值降低到了 00023。如果不采用底吹搅拌，大约有 1的铁损，石灰消耗增加约 25。假定钢包中炉渣携带量 12kgt 钢(无挡渣)，则吨钢铝消耗量增加 07kg。而且，相应的，转炉渣量越大，也越能消耗耐火材料。在没有底吹搅拌的 BOF 转炉上，吹炼终点碳达到 0035是不经济的，碳含量一般限定在 00450050范围内。物流优化和路径算法是专门为钢厂和生产设备的布置而设计的，用来寻找最佳的配置。用户友好型界面和标准化输出使其成为一个非常好用的工具
16、，能够优化、模拟任何钢厂的配置，允许用户测试多种不同的布局和工艺选择方案。它使用户能够找到在生产时间管理、维护、附属设备产能等方面的最佳的解决方案。为了确定不同钢种最经济的生产方式和使用不同的生产设备，就需要长期的经验积累和大量的计算，来比较各种可供选择的办法。计算机辅助工具，比如炼钢专家系统，对于进行这种计算是必需的。这种工具可以应用到整个生产线中。结结 语语钢铁生产企业在成本和质量方面的压力一度增长，现在对生产灵活性、缩短交货时间等方面又有厂高度需求。自从氧气炼钢产生以来，转炉便成为不断改进的焦点，期望延长寿命，增加装入量，降低维护等。对于实现长寿，转炉悬挂系统是绝对重要的。为了生产优质钢，为了提高工艺的经济性，开了诸如副枪、挡渣器和炉底搅拌等零部件和自动化系统。对工艺技术的不断改进与标准化，这些零部件的应用，对工厂物流的研究以及成本优化等，这些都是钢铁生产企业有效的工具。这些工具对在生产成本与利润方面的竞争作出了颇有价值的贡献。
