轉(zhuǎn)爐設(shè)計(jì)
煉鋼工藝的過程狀態(tài)造成直接觀察到轉(zhuǎn)爐內(nèi)所發(fā)生的一切幾乎是不可能。目前，還沒有數(shù)學(xué)模型能完整的描述高溫冶金及流體動(dòng)力學(xué)過程。從轉(zhuǎn)爐煉鋼誕生開始便不斷的對(duì)其進(jìn)行研究改進(jìn)，故此對(duì)冶金反應(yīng)的了解更全面。然而，下面的兩個(gè)例子清楚地表明還有許多凋研工作要做。
爐底攪拌風(fēng)口的位置仍有待優(yōu)化。這些風(fēng)口對(duì)鋼水提供更好的攪拌效果，更快的降低碳含量，應(yīng)該能縮短冶煉周期。然而，今天風(fēng)口的最佳位置和數(shù)量是建立在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上。為了更深人的了解，國(guó)外有人在2000年進(jìn)行了調(diào)研工作，很快發(fā)現(xiàn)，高溫流體動(dòng)力學(xué)過程的描述是非常復(fù)雜的，而且只有進(jìn)行許多假設(shè)才可行，例如，只能近似的描述氣泡及它們與鋼水的反應(yīng)。
對(duì)吹煉過程中轉(zhuǎn)爐擺動(dòng)的數(shù)學(xué)描述仍需要詳細(xì)闡述，尤其是那些底吹或側(cè)吹工藝，它們的搖動(dòng)非常劇烈。這些震動(dòng)是由自發(fā)過程引起。吹氧過程中引入的能量促使該系統(tǒng)以極低的艾根頻率擺動(dòng)，通常為0，5—2．0Hz。能夠描述這種非線性化學(xué)／力學(xué)上的流體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的發(fā)掘工作還沒有完成。
轉(zhuǎn)爐爐殼
在轉(zhuǎn)爐的機(jī)械部分中，容納鋼水的是內(nèi)襯耐火材料的爐殼。這些耐火材料表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性的熱粘彈縮性行為。與鋼殼非線性接觸。人們對(duì)鋼殼自身的行為或多或少的了解一些，描述這種隨溫度而變化的彈塑性材料及它的蠕變效應(yīng)是可能。然而，鋼殼與耐火材料間的相互作用仍然有許多未知的東西。轉(zhuǎn)爐設(shè)計(jì)更大程度上被視為藝術(shù)而不是科學(xué)，然而，經(jīng)驗(yàn)的積累、材料的改進(jìn)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用都有助于更好的理解、設(shè)計(jì)這個(gè)機(jī)構(gòu)。
在優(yōu)化爐殼設(shè)計(jì)方面存在幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。最重要的一個(gè)是耐火材料所包圍的內(nèi)容積。為了擁有最大的反應(yīng)空間，實(shí)現(xiàn)最佳的冶金過程，這個(gè)容積應(yīng)該在可用空間范圍內(nèi)達(dá)到最大化。在進(jìn)行比較時(shí)使用反應(yīng)空間與鋼水質(zhì)量的比值，這個(gè)比值一般為近似1．0m3／t。然而，因不斷地追求以最低的投資提高煉鋼設(shè)備的生產(chǎn)率，導(dǎo)致鋼廠在保持原有爐殼不變的情況下加大了裝入量，這就降低了這個(gè)比值。其后果是嚴(yán)重的噴濺——傾向于爐容比降到0．7-0．8m3／t時(shí)發(fā)生。今天，轉(zhuǎn)爐本體的形狀，即上下錐角、徑高比等由煉鋼者決定，或者由現(xiàn)有裝備確定，如煙氣系統(tǒng)、傾轉(zhuǎn)軸高度、傾動(dòng)驅(qū)動(dòng)等。因此，在設(shè)計(jì)新爐時(shí)，只有少量的參數(shù)可以改動(dòng)。
現(xiàn)代轉(zhuǎn)爐由帶有爐頭鐵圈的上部錐體、桶狀爐身和采用碟形底的下部錐體構(gòu)成。近幾年．拆掉了上下錐與爐身之間、下錐與爐底之間的關(guān)節(jié)構(gòu)件。生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，這些區(qū)域的應(yīng)力沒有最初設(shè)想的那么嚴(yán)重，可以通過使用優(yōu)質(zhì)爐殼材料解決，故上述做法是可行的。
爐殼設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
設(shè)計(jì)過程的一個(gè)重要步驟是爐殼結(jié)構(gòu)校驗(yàn)，即應(yīng)力與變形計(jì)算，并與所允許極限值進(jìn)行比較。像轉(zhuǎn)爐這樣的冶金容器，其設(shè)計(jì)無(wú)需滿足特定的標(biāo)準(zhǔn)。在轉(zhuǎn)爐設(shè)計(jì)藝術(shù)的演變歷程中，最初的爐殼設(shè)計(jì)參照了鍋爐和壓力容器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。依此設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的成功投產(chǎn)表明了這些標(biāo)準(zhǔn)也適用于煉鋼生產(chǎn)實(shí)踐。然而，轉(zhuǎn)爐畢竟不是壓力容器，其內(nèi)部壓力來源于耐火材料的熱膨脹，而不是鍋爐中的液體或者氣體，而且，諸如裂紋等破損也不會(huì)導(dǎo)致像高壓容器那樣發(fā)生爆炸。這也是為什么轉(zhuǎn)爐的設(shè)計(jì)沒有完全遵循壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的所在。
爐殼厚度
傳統(tǒng)壓力容器壁厚度的選取主要以內(nèi)部壓力為依據(jù)。然而，在轉(zhuǎn)爐上，這個(gè)壓力是不能確切計(jì)算的，其原因是由耐火材料與爐殼之間的作用和生產(chǎn)操作兩方面因素確定的。在決定爐殼厚度時(shí)，其它載荷、因素也要考慮在內(nèi)，主要包括：因設(shè)備、耐火材料和鋼水重量引起的機(jī)械載荷；爐殼與耐火材料襯相互作用產(chǎn)生的內(nèi)部壓力，即二次壓力；由外力，如動(dòng)態(tài)質(zhì)量效應(yīng)、兌鐵水、加廢鋼、出鋼等造成的機(jī)械載荷；爐殼上的溫度與溫度梯度；爐殼在溫度作用下變形，在懸掛系統(tǒng)上引起機(jī)械載荷；因爐殼、懸掛系統(tǒng)溫度分布不均，使?fàn)t殼產(chǎn)生二次應(yīng)力。
AISE的第32小組委員會(huì)曾試圖給出一個(gè)簡(jiǎn)單的“菜譜”程式來計(jì)算爐殼厚度。但有的研究表明，在確定爐殼厚度方面，定義一個(gè)簡(jiǎn)單的程式或者準(zhǔn)則是不可能。這些準(zhǔn)則在已經(jīng)證實(shí)的基礎(chǔ)上可以用來確定爐殼，然而，引入的力，例如來自懸掛系統(tǒng)的力，必須用有限元法進(jìn)行詳盡地計(jì)算。國(guó)外開發(fā)的懸掛系統(tǒng)是靜定的，因此該系統(tǒng)內(nèi)的所有載荷均能精確計(jì)算。這個(gè)特征的優(yōu)點(diǎn)是能非常準(zhǔn)確地計(jì)算出局部應(yīng)力和變形。
轉(zhuǎn)爐壽命
世界經(jīng)驗(yàn)表明，因長(zhǎng)期的變形，轉(zhuǎn)爐壽命是有限的。當(dāng)爐殼碰到托圈時(shí)轉(zhuǎn)爐便走到了終點(diǎn)，通常是20～25a。這個(gè)變形是由蠕變引起的。蠕變是高溫環(huán)境下(>350℃)材料的典型行為。蠕變變形與溫度、應(yīng)力水平和所用材料有關(guān)。只有有限的幾種可行方法能延長(zhǎng)轉(zhuǎn)爐壽命，如冷卻爐殼、材料選擇和生產(chǎn)操作等。
冷卻系統(tǒng)
原則上，設(shè)備的強(qiáng)制冷卻并不是絕對(duì)必要的，自然通風(fēng)冷卻已經(jīng)足夠了。許多實(shí)際應(yīng)用證明了這一點(diǎn)。然而，強(qiáng)制冷卻降低了設(shè)備溫度，對(duì)減輕蠕變變形有積極的效果，從而延長(zhǎng)了耐火材料的壽命，保證了在生產(chǎn)溫度下有更高的屈服強(qiáng)度。一些鋼廠對(duì)轉(zhuǎn)爐殼應(yīng)用了冷卻系統(tǒng)，如水冷、強(qiáng)制通風(fēng)、復(fù)合氣水冷卻(氣霧冷卻)等。最有效的冷卻手段是水冷。
最初，爐殼材料主要選用耐高溫的壓力容器鋼。為了承受許多未知的載荷與應(yīng)力，尤其偏重細(xì)晶粒鋼。這種鋼材屈服強(qiáng)度比較低，但在屈服點(diǎn)以亡有相當(dāng)高的應(yīng)變硬化容量。其優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)發(fā)生過載時(shí)，會(huì)有足夠的過余強(qiáng)度，甚至在出現(xiàn)裂紋時(shí)也不會(huì)發(fā)生脆性裂紋擴(kuò)，裂紋要么終止發(fā)展，要么以非常緩慢的速度生長(zhǎng)。爐殼用鋼一般選用A516Cr．60、Aldur41、Altherm4l、WStE285、WStE355、P275NH、P355NH等。
這個(gè)原則對(duì)新轉(zhuǎn)爐仍然是有效的，但最近的10—15年內(nèi)，由于使用了鎂碳磚、濺渣護(hù)爐技術(shù)等，爐襯壽命延長(zhǎng)。這些變化導(dǎo)致爐殼溫度上升，促進(jìn)了蠕變效應(yīng)，致使?fàn)t殼壽命縮短。為了抵消蠕變效應(yīng)，更多的選用了抗蠕變材料，如A204Cn60、16M03、A387Cn11、A387Cr．22、13CrM044等。不利的因素是這些鋼材具有昔通晶粒尺寸，且焊接困難。
懸掛系統(tǒng)是轉(zhuǎn)爐的一個(gè)重要零部件。理想的懸掛系統(tǒng)不應(yīng)該影響爐殼的行為，生產(chǎn)中無(wú)須維護(hù)。在過去的數(shù)年中開發(fā)出了許多不同的轉(zhuǎn)爐懸掛系統(tǒng)。最初，托圈與轉(zhuǎn)爐是一體的，但很快就分開了。各種懸掛系統(tǒng)的原理基礎(chǔ)是不同的，例如，日本采用剛性系統(tǒng)，與“自由轉(zhuǎn)爐”對(duì)立。剛性托圈抑制了爐殼的變形，但對(duì)熱膨脹的任何約束都會(huì)產(chǎn)生非常高的應(yīng)力，增加了爐殼產(chǎn)生裂紋的機(jī)會(huì)。
要允許轉(zhuǎn)爐膨脹或者變形，且托圈不能制造附加應(yīng)力，這就要求將懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)成靜定的。根據(jù)這一原理，VAI開發(fā)了一系列轉(zhuǎn)爐懸掛系統(tǒng)，如托架系統(tǒng)、VAI-CONDisk、VAI-CONLink、VM-CONQuick等。VM-CONLink是一個(gè)無(wú)需維護(hù)的懸掛系統(tǒng)，它的設(shè)計(jì)獲得了良好的應(yīng)用反饋。一個(gè)典型的應(yīng)用是巴西保利斯塔黑色冶金公司的160t轉(zhuǎn)爐。其尺寸參數(shù)為：鋼水量160t、容積160m3、爐容比1．0m3／t、轉(zhuǎn)爐高8920mm、爐身部爐殼厚度70mm、底錐厚度55mm、碟形底厚度55mm、轉(zhuǎn)爐外徑7300mm。爐殼材質(zhì)為Mo合金鋼16Mo3(相當(dāng)于ASTMA204GrB)。托圈采用箱型截面焊接結(jié)構(gòu)，與爐殼間隙250mm，以便與爐身空冷板組裝在一起。上錐裝備了已經(jīng)被充分驗(yàn)證的水冷系統(tǒng)。這兩個(gè)冷卻系統(tǒng)主要是延長(zhǎng)耐火爐襯的壽命，同時(shí)也冷卻爐殼。該轉(zhuǎn)爐采用了VAI-CONLink懸掛系統(tǒng)。出于冶金上的原因，爐殼上裝備了6個(gè)爐底攪拌風(fēng)口。
轉(zhuǎn)爐技術(shù)
與轉(zhuǎn)爐設(shè)計(jì)一道，現(xiàn)代先進(jìn)的轉(zhuǎn)爐技術(shù)包括：
*使用惰性氣體的爐底攪拌和少渣操作改善了冶金過程；
*大量的二次冶金并入了轉(zhuǎn)爐技術(shù)中；
*計(jì)算機(jī)工藝自動(dòng)化及相關(guān)傳感器技術(shù)提高了質(zhì)量、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)安全性，降低了生產(chǎn)成本；
*用于設(shè)備平穩(wěn)操作的工具、裝備，易維護(hù)性，以及壽命延長(zhǎng)的耐材；
*提高廢棄物環(huán)境兼容性的系統(tǒng)。
轉(zhuǎn)爐技術(shù)繼續(xù)深入開發(fā)的目標(biāo)是改進(jìn)工藝的經(jīng)濟(jì)性，即優(yōu)化物流和設(shè)備操作，優(yōu)化工藝技術(shù)。工藝技術(shù)的優(yōu)化不是簡(jiǎn)單的局限于目標(biāo)分析、目標(biāo)溫度的確定和添加材料的選擇，他還包括生產(chǎn)操作，如氧槍操作的槍位和吹煉模式、副槍的浸沒時(shí)間與深度、添加系統(tǒng)的添加模式、爐底攪拌系統(tǒng)的攪拌模式等。所有這些都必須在設(shè)備投產(chǎn)前標(biāo)準(zhǔn)化，在試車調(diào)試中針對(duì)所生產(chǎn)的鋼種進(jìn)行優(yōu)化。
動(dòng)態(tài)工藝控制需要副槍系統(tǒng)和放散煤氣分析。副槍系統(tǒng)測(cè)量溫度、含碳量和熔池液面位置，在煉鋼過程中取樣。因此，在吹煉中實(shí)現(xiàn)測(cè)量時(shí)可能的，也不會(huì)損失生產(chǎn)時(shí)間。副槍系統(tǒng)是完全自動(dòng)化的，測(cè)量探針能在90s內(nèi)能完成更換。近幾年在工藝自動(dòng)化領(lǐng)域里的發(fā)展是使用Dynacon系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了完全的動(dòng)態(tài)控制。該系統(tǒng)通過連續(xù)的煤氣分析，實(shí)現(xiàn)從吹煉起點(diǎn)到吹煉終點(diǎn)的煉鋼過程控制。
擋渣器的作用是降低盛鋼桶的爐渣攜帶量。擋渣操作降低了脫氧材料的消耗，尤其是在生產(chǎn)低碳鋼種時(shí)。另一個(gè)特點(diǎn)是在二次冶金中需要鋼包渣脫硫，擋渣操作也能降低鋼包渣添加劑的用量。同時(shí)，也避免了盛鋼桶的除渣操作和溫度損失。二次冶金需要的鋼包渣就這樣在轉(zhuǎn)爐出鋼過程中形成了。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)不使用擋渣器時(shí)，出鋼時(shí)的爐渣攜帶量為10-14kg／t鋼，在采用擋渣后，爐渣攜帶量降低到了3-5kg／t鋼的水平。與爐渣感應(yīng)器配合使用，爐渣攜帶量可穩(wěn)定地控制在2、3kg／t鋼的范圍內(nèi)。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是降低了磷含量，從大約30ppm降到了10ppm。因此，磷含量不合格的爐次減少了。
鑒于底吹轉(zhuǎn)爐改進(jìn)的冶金效果，如OBM／Q-BOP、K-OBM等，決定開發(fā)頂吹轉(zhuǎn)爐的爐底惰性氣體攪拌技術(shù)。該系統(tǒng)應(yīng)該利用底吹的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)要避免爐役中期更換爐底的缺點(diǎn)。以?shī)W鋼聯(lián)第三轉(zhuǎn)爐廠為例，當(dāng)1650℃無(wú)攪拌條件下，吹煉終點(diǎn)碳含量0，035％[C]×ao的平均值為0．0033，當(dāng)采用噸鋼流量為0．08Nm3／min的底吹攪拌時(shí)，這個(gè)值降低到了0．0023。如果不采用底吹攪拌，大約有1％的鐵損，石灰消耗增加約25％。假定鋼包中爐渣攜帶量12kg．／t鋼(無(wú)擋渣)，則噸鋼鋁消耗量增加0．7kg。而且，相應(yīng)的，轉(zhuǎn)爐渣量越大，也越能消耗耐火材料。在沒有底吹攪拌的BOF轉(zhuǎn)爐上，吹煉終點(diǎn)碳達(dá)到0．035％是不經(jīng)濟(jì)的，碳含量一般限定在0．045％～0．050％范圍內(nèi)。
物流優(yōu)化和路徑算法是專門為鋼廠和生產(chǎn)設(shè)備的布置而設(shè)計(jì)的，用來尋找最佳的配置。用戶友好型界面和標(biāo)準(zhǔn)化輸出使其成為一個(gè)非常好用的工具，能夠優(yōu)化、模擬任何鋼廠的配置，允許用戶測(cè)試多種不同的布局和工藝選擇方案。它使用戶能夠找到在生產(chǎn)時(shí)間管理、維護(hù)、附屬設(shè)備產(chǎn)能等方面的最佳的解決方案。
為了確定不同鋼種最經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)方式和使用不同的生產(chǎn)設(shè)備，就需要長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累和大量的計(jì)算，來比較各種可供選擇的辦法。計(jì)算機(jī)輔助工具，比如煉鋼專家系統(tǒng)，對(duì)于進(jìn)行這種計(jì)算是必需的。這種工具可以應(yīng)用到整個(gè)生產(chǎn)線中。
總結(jié)
鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)在成本和質(zhì)量方面的壓力一度增長(zhǎng)，現(xiàn)在對(duì)生產(chǎn)靈活性、縮短交貨時(shí)間等方面又有廠高度需求。自從氧氣煉鋼產(chǎn)生以來，轉(zhuǎn)爐便成為不斷改進(jìn)的焦點(diǎn)，期望延長(zhǎng)壽命，增加裝入量，降低維護(hù)等。對(duì)于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽，轉(zhuǎn)爐懸掛系統(tǒng)是絕對(duì)重要的。
為了生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼，為了提高工藝的經(jīng)濟(jì)性，開了諸如副槍、擋渣器和爐底攪拌等零部件和自動(dòng)化系統(tǒng)。對(duì)工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)與標(biāo)準(zhǔn)化，這些零部件的應(yīng)用，對(duì)工廠物流的研究以及成本優(yōu)化等，這些都是鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)有效的工具。這些工具對(duì)在生產(chǎn)成本與利潤(rùn)方面的競(jìng)爭(zhēng)作出了頗有價(jià)值的貢獻(xiàn)。
