100吨转炉设备要求

如今，全球约有600座转炉，粗钢产量为4.5亿吨，约占全球粗钢总产量的60%。从奥钢投产世界上第一台转炉开始，现代高效碱性氧气转炉是50多年来不断发展的产物，在炉龄、增加负荷能力、减少维护等方面取得了显著进步。这类设备暴露在高温环境中，受到机械冲击和热应力，因此其工程设计具有很大的挑战性。悬挂系统对实现转炉长寿至关重要。为了生产优质钢和提高工艺经济性，如辅助抓斗、底搅拌装置和高度精密复杂的自动化系统被开发出来。

转换器设计

炼钢过程的工艺状态使得直接观察转炉内发生的情况几乎是不可能的。目前，还没有一个数学模型能够完整地描述高温冶金和流体动力学的过程。转炉炼钢自诞生以来，一直在不断研究和改进，因此对冶金反应的认识更加全面。然而，以下两个例子清楚地表明，仍有许多研究工作要做。

炉底搅拌风口的位置仍需优化。这些风口为钢水提供更好的搅拌效果，更快的降低碳含量，应该可以缩短冶炼周期。然而，今天风口的最佳位置和数量是基于经验的。为了有更深入的认识，2000年国外有人进行了研究工作，很快发现高温流体力学过程的描述非常复杂，只有做很多假设才可行，比如气泡及其与钢水的反应只能近似描述。

吹炼过程中转炉摆动的数学描述仍需详细阐述，尤其是那些底吹或侧吹过程，非常剧烈。这些振动是由自发过程引起的。吹氧过程中引入的能量使系统以非常低的Aigen频率摆动，通常为0.5-2.0Hz。能够描述这种非线性化学/机械流体动力学系统的数学模型的挖掘尚未完成。

转换器外壳

在转炉的机械部分，钢水装在衬有耐火材料的炉壳里。这些耐火材料表现出复杂的非线性热粘弹性收缩行为。与钢壳的非线性接触。人们对钢壳本身的行为有或多或少的了解，因此有可能描述这种随温度变化的弹塑性材料及其蠕变效应。但是钢壳和耐火材料之间的相互作用还有很多未知的东西。转换器设计在更大程度上被视为艺术而非科学。但是经验的积累，材料的改进，计算机技术的应用，都有助于更好的理解和设计这种机制。

优化炉壳设计有几个标准。最重要的是由耐火材料包围的内部容积。为了具有最大的反应空间并实现最佳的冶金过程，该体积应该在可用空间内最大化。比较中采用反应空间与钢水质量的比值，一般约为1.0m3/t，但由于钢厂不断追求以最低的投资提高炼钢设备的生产率，在保持原壳体不变的情况下增加了装载量，降低了这一比值。其结果是喷溅严重，往往在炉容比降至0.7-0.8m3/t时出现，如今转炉炉体的形状，即上下锥角、径高比等。由炼钢厂或现有设备决定，如烟气系统、倾斜轴的高度、倾斜驱动装置等。因此，在设计新的炉子时，只有少数几个参数可以改变。

现代转炉由带有炉头铁环的上锥体、桶形炉体和带有碟形底的下锥体组成。近年来，上下锥体与炉体之间、下锥体与炉底之间的连接部件已被拆除。生产经验表明，这些区域的应力并没有原来想象的那么严重，使用优质炉壳材料是可以解决的，所以上述做法是可行的。

炉壳的设计准则

设计过程中的一个重要步骤是炉壳结构的校核，即应力和变形的计算，以及与允许极限值的比较。转炉等冶金容器的设计不需要满足特定的标准。在转炉设计艺术的演变中，最初的壳体设计参考了锅炉和压力容器的设计标准。按此设计的产品的成功生产表明，这些标准也适用于炼钢实践。但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，而不是锅炉内的液体或气体。而且裂纹等损伤不会像高压容器一样导致爆炸。这就是为什么转化器的设计不完全遵循压力容器的设计标准。

炉壳厚度

传统压力容器壁厚的选择主要依据内压。但是在转炉上，这个压力是无法精确计算的，其原因是由耐火材料和炉壳的相互作用以及生产操作决定的。在确定炉壳厚度时，还应考虑其他载荷和因素，主要包括:设备、耐火材料和钢水重量引起的机械载荷；炉壳与耐火炉衬相互作用产生的内压，即二次压力；动力质量效应、混铁水、加废钢、出钢等外力引起的机械负荷；炉壳上的温度和温度梯度；炉壳在温度作用下变形，对悬挂系统造成机械载荷；由于炉壳和悬挂系统的温度分布不均匀，炉壳产生二次应力。

AISE第32小组委员会试图给出一个计算炉壳厚度的简单“配方”程序。然而，一些研究表明，在确定炉壳厚度时，不可能确定一个简单的程序或标准。这些标准可用于在确认的基础上确定炉壳，然而，引入的力，如来自悬挂系统的力，必须通过有限元方法详细计算。国外开发的悬挂系统是静定的，所以系统中的所有载荷都可以精确计算。该功能的优点是可以非常精确地计算局部应力和变形。

转换器寿命

世界经验表明，由于长期变形，转炉的使用寿命是有限的。当炉壳碰到支撑环时，转炉到达终点，一般为20 ~ 25a。这种变形是由蠕变引起的。蠕变是在高温环境下(>:350℃)。蠕变变形与温度、应力水平和所用材料有关。延长转炉使用寿命的可行方法只有冷却炉壳、选材和生产操作几个方面。

冷却系统

原则上，强制冷却设备不是绝对必要的，自然通风冷却就足够了。许多实际应用证明了这一点。而强制冷却降低了设备温度，对减少蠕变变形有积极作用，从而延长耐火材料的寿命，保证在生产温度下有较高的屈服强度。一些钢厂已经将水冷、强制通风、气水联合冷却(气雾冷却)等冷却系统应用于转炉炉壳。最有效的冷却方法是水冷。

材料选择

最初，炉壳材料主要选用耐高温压力容器钢。为了承受许多未知的载荷和应力，特别强调细晶粒钢。这种钢的屈服强度相对较低，但在屈服点具有相当高的应变硬化能力。它的优点是过载时，会有足够的过剩强度，即使出现裂纹，也不会发生脆性裂纹扩展，裂纹要么停止发展，要么以很慢的速度增长。一般有A516Cr.60，Aldur41，Altherm4l，WStE285，WStE355，P275NH，P355NH等。被选作炉壳用钢。

这个原理对新转炉仍然有效，但在最近的10-15年，由于使用了镁碳砖和溅渣护炉技术，延长了炉衬寿命。这些变化导致炉壳温度升高，促进蠕变效应，缩短炉壳寿命。为了抵消蠕变效应，选用了更多的抗蠕变材料，如A204Cn60、16M03、A387Cn 11、A387Cr.22、13CrM044等。缺点是这些钢的晶粒大小相同，很难焊接。

悬挂系统是转炉的重要组成部分。理想的悬挂系统不应该影响炉壳的行为，并且在生产中不需要维护。在过去几年中，已经开发了许多不同的转换器悬挂系统。起初，支撑环与转换器是一体的，但很快就分离了。各种悬挂系统的原理依据不同，比如日本采用刚性系统，与“自由转换器”相反。刚性挡圈抑制了炉壳的变形，但任何对热膨胀的约束都会产生很高的应力，增加了炉壳开裂的几率。

为了允许转炉膨胀或变形，并且支撑环不产生附加应力，需要对悬挂系统进行静态设计。根据这一原理，VAI开发了一系列转炉悬挂系统，如支架系统、VAI-康盘、VAI-康链、VM-CON Quick等。VM-CON Link是免维护悬挂系统，其设计收到了良好的应用反馈。典型应用是巴西保利斯塔冶铁公司的160t转炉。其尺寸参数为:钢水量160t，容积160m3，炉容比1.0m3/t，转炉高度8920mm，炉壳厚度70mm，底锥厚度55mm，盘底厚度55mm，转炉外径7300mm。炉壳材质为Mo合金钢16Mo3(相当于{\\ F2 grb})。支撑环采用箱形截面焊接结构，与炉壳间隙250mm，以便与炉体冷板组装。上锥体配有经过全面验证的水冷系统。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。变频器采用VAI-康联悬挂系统。出于冶金原因，炉壳装有六个底部搅拌风口。

转换器技术

除转换器设计外，现代先进转换器技术还包括:

*用惰性气体底搅拌和少渣操作改善了冶金过程；

*大量二次冶金被纳入转炉技术；

*计算机过程自动化和相关传感器技术提高了质量、生产效率和生产安全性，降低了生产成本；

*用于设备平稳运行、易于维护的工具和设备，以及使用寿命较长的耐用材料；

*改善废物环境兼容性的系统。

转炉技术进一步发展的目标是提高工艺经济性，即优化物流和设备操作及工艺技术。工艺技术的优化不仅仅局限于目标分析、目标温度的确定和添加材料的选择，还包括生产操作，如氧枪操作的枪位和喷吹方式、副枪浸入时间和深度、添加系统的添加方式、炉底搅拌系统的搅拌方式等。所有这些都必须在设备投产前标准化，并针对调试期间生产的钢种进行优化。

动态过程控制需要子枪系统和气体分析。副枪系统测量温度、碳含量和熔池液位，并在炼钢过程中取样。因此，可以在吹制中实现测量，并且不会损失生产时间。副枪系统全自动，90 s内可更换测量探头，近年来过程自动化领域的发展是使用Dynacon系统实现完全动态控制。通过连续气体分析，系统实现了从吹炼起点到终点的炼钢过程控制。

挡渣器的作用是减少钢水桶的携渣量。挡渣操作降低了脱氧材料的消耗，特别是在低碳钢的生产中。另一个特点是二次冶金需要钢包渣脱硫，留渣操作也可以减少钢包渣添加剂的用量。同时也避免了钢水桶的除渣操作和温度损失。二次冶金所需的钢包渣在转炉出钢时形成。

根据经验，不使用挡渣器时出钢时的携渣量为10-14 kg/t钢，采用挡渣器后降至3-5 kg/t钢。当与炉渣传感器结合使用时，炉渣承载能力可以稳定地控制在2 kg/t或3 kg/t钢的范围内。它的另一个优点是将磷含量从大约30ppm降低到10ppm。因此，磷含量不合格的炉次减少。

鉴于OBM/Q-BOP、K-OBM等底吹转炉冶金效果有所改善，决定开发底吹转炉惰性气体搅拌技术。该系统应利用底吹的优点，避免在炉役中间更换炉底的缺点。以奥钢第三转炉厂为例，在1650℃无搅拌条件下，吹炼终点碳含量平均值为0.035% [c] × ao，采用0.08 nm3/min/吨钢流量的底吹搅拌时，降至0.0023。如果不使用底吹混合，将有约1%的铁损，石灰消耗将增加约25%。假设钢包的携渣量为12 kg。/t钢(无挡渣)，吨钢铝耗将增加0.7 kg。此外，相应地，转炉渣的量越大，可以消耗的耐火材料越多。在没有底吹搅拌的BOF转炉上，吹炼末期达到0.035%是不经济的，碳含量一般限制在0.045% ~ 0.050%。

物流优化和路径算法是专门为钢厂布局和生产设备寻找最佳配置而设计的。用户友好的界面和标准化的输出使它成为一个非常有用的工具，它可以优化和模拟任何钢铁厂的配置，并允许用户测试各种不同的布局和工艺选项。它使用户能够在生产时间管理、维护、辅助设备能力等方面找到最佳解决方案。

为了确定不同钢种最经济的生产方式，使用不同的生产设备，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方法。这种计算需要计算机辅助工具，如炼钢专家系统。这个工具可以应用于整个生产线。

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