1、转炉炉壳变形分析及控制摘要：介绍了转炉炉壳变形的现状，转炉使用镁碳砖后，炉壳温度升高是炉壳变形的主要原因，提出了通过炉壳整形、改善炉壳材质和强化炉壳的冷却条件控制炉壳变形的措施。关键词：转炉；炉壳变形；镁碳砖；整形；炉壳材质；冷却面对国内外钢铁市场的激烈竞争，世界各国的炼钢厂纷纷采用抗蚀性能好、抗热震性高、导热系数高以及不易剥落的镁碳砖作为炉衬材料以提高转炉炉龄。由于镁碳砖炉衬的导热系数比原来的镁白砖炉衬的导热系数增加了 34 倍，导致炉壳温度升高、变形加剧，炉壳与托圈的间隙减小，最终炉壳顶靠托圈，严重威胁钢厂的安全生产。1990 年以来，为了进一步提高炉龄，世界各国相继采用溅渣护炉技术，不断
2、创造出炉龄新记录。在提高炉龄的同时，也延长了炉壳持续工作时间，这些影响因素导致炉壳发生严重变形，缩短了炉壳的使用寿命。为了提高经济效益和安全生产的需要，必须控制转炉炉壳的变形，实现转炉炉壳的长寿化。1、国内外转炉炉壳的变形状况1.1 国外炼钢厂炉壳变形情况1962 年 9 月，美国大湖钢铁厂 【1】 两座 300t 氧气转炉投人生产，经过 26 个月的使用，炉身部位与托圈的间隙在出钢口方位由原设计的 76mm 缩小到 19mm，加料侧的间隙缩小到 25mm，在耳轴两侧的间隙减小为 41mm。根据炉壳与托圈间隙变化的统计数据分析，大湖钢铁厂两座转炉炉壳在出钢口方位的平均变形速率分别为 1.27m
3、m/炉役和 1.98mm/炉役。法国索拉克冶金厂福斯钢厂拥有两座 310t 转炉 【2】 ，均于 1974年投产。1985 年进行镁碳砖试验时，由于炉壳温度控制不正常，炉壳温度超过 450，使得炉身发生严重变形，导致炉壳与托圈之间间隙急剧减少。到 1991 年时炉壳与托圈之间的最小间隙由原来设计的 120mm 缩小到 6mm，危及正常炼钢生产作业。日本神户制钢加古川钢厂对炉壳变形过程的研究证实：随着出钢温度和镁碳砖使用比例的上升，炉身部位的炉壳变形急剧增大，在极限情况下，炉壳变形速率达到 6.9910-2mm炉，比使用镁碳砖前的变形速率 6.2910-3mm炉增快了近 10 倍 【3】 。1.
4、2 国内炼钢厂炉壳变形情况宝钢第一炼钢厂 3 座 300t 转炉，自 1985 年 9 月相继投产以来，已经正常生产了十多年，截至 1995 年 6 月，每座转炉炉壳的使用炉龄均在 53000 炉以上。从 1991 年起炉衬开始使用镁碳砖炉衬，转炉炉龄获得提高的同时，炉壳温度也大大升高，使得炉壳直径变大，炉壳与托圈之间的间隙变小。十几年来对 3 座转炉炉壳与托圈之间的间隙进行了人工测量，平均测量结果见图 1【4】 。其中 2#炉变形最为严重，在半径方向最大变形量为 197mm，炉壳与托圈之间最小间隙由原设计的 140mm 缩小为 020mm。三座转炉炉壳与托圈间隙年平均变化量和局部区域的年最大
5、变化量如表 1 所示。从表 1 中所列结果可以看出：三座转炉炉衬在使用镁碳砖以前的变形较小，而在采用镁碳砖后，变形速度增加了 4 倍以上。图 1 炉壳托圈间隙变化趋势表 1 炉壳与托圈间隙和局部区域的年最大变化量2、炉壳变形分析转炉炉壳在工作中主要承受机械应力和温度应力这两类应力的综合作用。其中，机械应力是由炉体自重、炉液等重量产生的静负荷以及炉体在倾动、吹炼等过程中的动负荷所产生的。温度应力包括了两个方面：一是由于炉壳结构、耐火材料的厚度及导热系数的影响，炉壳在纵向和径向均存在温度梯度，由此形成很大的温度梯度应力；二是由于耐火材料和炉壳间的温度、热膨胀系数存在差异，炉衬和炉壳的热膨胀不同，炉
6、衬对炉壳产生较大的热膨胀压力，由此在炉壳上引起的热膨胀应力。炉壳在高温条件下工作，并承受炉衬在高温下的热膨胀应力、机械应力以及温度梯度应力综合作用而产生蠕变，逐渐积累形成炉壳的膨胀变形。造成炉壳变形加快的原因是使用镁碳砖后，由于冷却条件不匹配，导致炉壳工作温度过高。在炉壳温度场的实际测试过程中，发现所测到的转炉炉壳的最高温度达到了 472，这远大于炉壳材料的蠕变温度，同时。由于炉壳材料随着使用时间的不断延长而不断劣化，所以使得炉壳热蠕变变形加快。3、炉壳变形控制为了解决转炉炉壳发生的严重变形问题，可以采取三种解决方案，即炉壳的修复、改善炉壳材质和强化炉壳的冷却条件。3.1 炉壳的修复转炉炉壳最
7、安全的修复方法是将炉壳和托圈全部更新，这种方法可以彻底地恢复炉壳与托圈的原始间隙，并且在施工中没有任何风险，但这种方法最大的缺点是费用高，尤其是大型转炉将花费巨资。法国索拉克公司福斯钢厂曾经估算过，如果整体更换该厂 310t转炉的炉壳和托圈，将花费 3 000 万元法郎 (1991 年价格)，施工期为 45d。宝钢更换一个 300t 转炉炉壳将花费 3 000 万元人民币(1996 年价格)，工期 50d。而比较经济的做法是对变形最为严重的部位进行局部修复，转炉炉壳的修复就是在炉壳已发生严重变形的部位，采取一定的措施，消除炉壳的局部变形，从而有效地延长炉壳的使用寿命。转炉炉壳常见的修复方法有两
8、种：(1)局部更换。法国的福斯钢厂共有两座 310t 转炉于 1991 年12 月对该转炉严重变形的部位进行了局部更换。该厂的技术人员在充分研究分析的基础上确定了如下的局部更换方案：即在转炉的加料侧镶一块 2200mm2200mm 的钢板，钢板厚度为 80mm；而在转炉的出钢侧，由于很难恢复转炉炉壳原来的形状，因此通过采取修改托圈形状的办法(改变托圈的断面)来恢复炉壳与托圈的工作间隙，即将组成托圈槽形梁的腰梁后移。整个工期耗时 27d，花费 300 万法郎，最后将炉壳与托圈之间的间隙恢复到 80mm 以上。(2)炉壳整形。炉壳整体修复对于已经发生严重变形的炉壳，在变形严重部位实施了整形，即将炉
9、壳切开，再通过加热及机械牵引的办法矫正变形，再进行焊合。这种方法可使炉壳与托圈之间的间隙回复到 50120mm。由于宝钢一炼钢厂的 300t 转炉已经发生了严重变形，为了消除设备隐患，宝钢于 1995 年 6 月对一炼钢 2#转炉成功地实施了炉壳整形。整形修复工作历时 1ldl8h，花费 74.75 万元。炉壳整形后，整形区域内炉壳半径方向最大收缩量为 148mm，平均收缩量为 57.5mm。值得注意的是由于炉壳修复只能对局部起作用，而在未修复部位，托圈与炉壳间隙基本无变化。因此，在生产过程中，经过一段时间，其它部位仍然存在炉壳顶靠托圈的危险。所以合适的时候，在其它部位还需考虑再次修复。3.2
10、 改善炉壳材质早期的炉壳材料主要是采取降低碳当量的措施，注重炉壳材料的抗龟裂以避免热疲劳裂纹的产生以及便于炉壳的成型，未考虑它的高温热强性能和蠕变性能。从 80 年代中期开始，为了寻求经济实用并适合在高温条件下工作的炉壳材料，世界各国的科技工作者进行了大量研究，并取得一定的进展。新日铁为了解决炉壳变形问题曾组织了攻关小组研制新型炉壳材料 SFX，专门用于转炉易发生变形的炉身部位。1992 年 5 月名古屋钢厂 5#转炉使用了该新材料，该厂 4#转炉于 1992 年 3 月更换，仍沿用原来的炉壳材料 SM41C。从跟踪的炉壳与托圈间隙的测试数据来看，5#转炉使用新材料后炉壳变形明显小于 4 挣转
11、炉，除名古屋厂外，中山、八幡等钢厂也使用了该新材料。宝钢一炼钢厂在1997 年 1 月更换 2#炉炉壳时，为了抑制炉壳的变形，炉壳材料也从日本引进了新型的抗蠕变钢 SFX。为了解新型炉壳材料的变形情况，经过第一个炉役使用后(使用时间 1997.31998.6，炉龄为 12698炉)，对炉壳的变形情况进行了测量，发现：托圈上部炉壳与托圈之间的平均间隙减少 7.14mm，托圈下部炉壳与托圈之间的平均间隙减少 10.45mm，炉壳在托圈下部的变形比托圈上部的变形稍大，但炉壳与托圈之间间隙的减少量小于旧炉壳(材质为 SM400C)与托圈的间隙的减少量。我国对炉壳材料的研究工作开展得比较晚，目前我国转炉
12、炉壳多采用 A3、14MnNb、16Mn、16MnR、20Gr 等材料，这些材料的高温热强性能以及抗蠕变性能较差，导致炉壳寿命普遍偏低，已不能满足生产的需要。以前我国不太重视炉壳钢材的研究工作，导致炉壳钢材的缺乏，目前，宝钢已经成功地开发出新型的炉壳钢，这种材质在 450以下具有良好的热强性和抗蠕变性能。为了延长炉壳使用寿命，日本加古川钢铁厂的炉壳材料由原来的 SM41A 改为现在的 SGV42CR；法国索拉克公司福斯钢厂 310t 转炉炉壳材料改为 FA42CP；奥钢联现采用的炉壳钢板材料为 ASTMA51672Gr60；美国伯利恒钢铁公司的炉壳材料由 A516Gr60 改为 A204GrA
13、，再改进为 A387G22class2，炉壳材质改善后变形速率的变化见表 2。炉壳材料采用 A516Gr60 时，伯利恒钢铁公司的炉壳寿命为 78a，炉壳材质改进为 A204GRA 后，炉壳使用寿命延长到 1012a，而采用更先进的 A387G22class2 后，预计炉壳的寿命可延长到 1620a。表 2 伯利恒钢铁公司使用不同炉壳材质后的炉壳变形速率(单位：mm/a)3.3 强化炉壳的冷却条件强化炉壳的冷却条件从而降低炉壳工作温度，这是减缓炉壳变形的有效手段。日本科技人员对一个炉役内的变形计算表明：在炉役后期，蠕变变形速度随炉壳温度上升而急剧上升。如果采取有效手段控制炉壳的工作温度在蠕变温
14、度以下，就可以有效地抑制炉壳的变形、延长炉壳的使用寿命。因此转炉炉壳的冷却技术成为近年来技术先进国家的重点研究课题。目前转炉炉体的冷却方式主要有两种，一种是用空气喷吹冷却炉壳；另一种为汽雾冷却技术，通过施加水雾与炉壳进行热交换，降低温度。这两种冷却方式都是为了降低炉壳表面温度，使之在材料的蠕变温度下工作，从而控制炉壳的变形。3.3.1 空气喷吹冷却空气喷吹冷却是通过喷孔(或喷嘴)将空气直接喷射到炉壳表面，使得表面边界层减薄，从而达到强化冷却的目的。从结构上看，空气喷吹冷却又可分为管式冷却和板式冷却两种。板式空气冷却系统如图 2 所示，将冷却板安装在炉壳与托圈之间，并在冷却板上设置喷吹孔。冷却空
15、气从耳轴通过托圈到达冷却板，再喷吹到炉壳上。下部锥体也同样设置了能缓冷的鼓风喷嘴。从转炉温度的实测数据看，这套冷却系统运行良好，与过去的冷却方法相比较，炉壳温度降低约 200。加古川钢铁公司认为采用板式冷却系统，再加上新采用的 SGV42-CR 的炉壳材料，转炉炉壳的寿命应在 15a 以上。管式空气喷吹冷却系统最早是由日本川崎制铁所开发的。管式冷却系统要求托圈与炉壳之间有较大的间隙，冷却空气通过悬挂在耳轴上的风箱进入托圈下的总风管，然后通过中间管把冷风分配到炉壳四周的小管中，最后通过喷孔把冷风吹到炉壳上，达到冷却炉壳的目的。川崎公司认为利用这种冷却装置，可使炉壳温度控制在 300以下。 图 2
16、 为 板式冷却装置示意图 3.3.2 汽雾冷却系统转炉炉壳的汽雾冷却系统，是由英国的戴维冶金公司为控制炼钢转炉的炉壳温度而开发出的一种创新工艺。充分利用水的汽化热，在将水汽化的同时将转炉炉壳温度维持在水的沸点以上，消除了水外流，降低冷却系统的热负荷使转炉炉壳处于蠕变温度以下。这种转炉炉壳汽雾冷却系统在不引入过量水和在不提高维护费用的前提下，可以保持转炉机械运行状态良好，相继在美国、英国和我国宝钢的多座转炉采用了此技术。氧气顶吹转炉工作处于高温状态下，由于炉帽和炉身中部过高的温度使炉壳产生热变形甚至蠕变，过大的热变形使炉衬受力不均，使炉衬蚀损加快，增加了耐火材料的消耗。所以控制这两个部位的温度、
17、改善炉壳的冷却条件是十分必要的。文献 【5】 从温度场的角度出发，分析了汽雾冷却的瞬态温度场和喷雾的水流密度，为国内转炉开发和设计汽雾冷却技术提供理论依据。汽雾冷却的水流密度是衡量汽雾冷却强度的指标，水流密度大小直接影响冷却效果，水流密度过大容易出现安全隐患，过小又达不到冷却效果，故其定量计算有重要意义。4、中小型转炉的炉壳变形控制80 年代引入的镁碳砖，使转炉炉龄得到较大的提高，降低了转炉炼钢的生产成本，提高了生产效率，为企业带来更高的经济效益。正因为如此，我国大多数中小型炼钢厂也开始采用镁碳砖炉衬材料。但采用镁碳砖炉衬材料后，虽然炉龄获得较大提高，却出现了炉壳温度升高，导致炉壳严重变形的情
18、况，重钢炼钢厂的 2#转炉因炉壳变形使耳轴轴承严重错位，导致转炉不能正常倾动，这已影响到该厂的安全生产。如何降低炉壳表面温度，控制炉壳变形，提高生产效率，也是中小型转炉目前急需解决的重要课题。然而采用炉壳的修复、改善炉壳材质、空气冷却或汽雾冷却技术，对于中小型冶金企业来说，难度大，成本高，增加了生产运行成本，使企业在市场上失去竞争优势。目前，中小型炼钢厂主要是采用以下措施：旋转炉壳。在炉壳已产生椭圆变形情况下，可将已变形的炉壳在托圈内旋转 90继续使用，使用过程中如再产生变形时，则可减少原炉壳的椭圆度及变形量，但没有从根本上解决炉壳变形的问题，与现有高炉龄、快节奏转炉生产不相适应，故实际生产中
19、应用不多。在转炉永久层与炉壳钢板之间填加石棉板等隔热材料，从而降低炉壳温度达到控制炉壳变形的目的。重钢 50t 转炉对炉身部分采用不同石棉板厚度后，炉壳温度的变化进行了定量计算，获得了合理的石棉板厚度，其结果见图 3【6】 。图 3 中的 650mm 和200mm 分别表示炉役前期和后期的炉衬工作层镁碳砖厚度。由图 3可知，石棉板的厚度为 30mm 左右时，在不同炉役期，都能使转炉炉壳表面温度处于其蠕变温度以下，达到控制炉壳变形的目的。图 3 炉壳表面温度随石棉板厚度的变化5、结 束(1)转 炉在使用镁碳砖提高炉龄后，由于镁碳砖炉衬的导热系数比原来的镁白砖炉衬的导热系数增加了 34 倍，导致炉
20、壳温度升高、超过炉壳的蠕变温度是转炉炉壳变形的主要原因。(2)炉壳修复只能对局部起作用，而在未修复部位，托圈与炉壳间隙基本无变化，而且经过一段时间后，其它部位仍然存在炉壳顶靠托圈的危险，因此不能彻底解决炉壳变形问题。(3)采用新型的炉壳材质，提高炉壳的蠕变温度是控制炉壳变形的有效手段。(4)用空气喷吹冷却炉壳或汽雾冷却技术，降低炉壳表面温度，使之在材料的蠕变温度下工作，是大型转炉控制炉壳变形的主要方法。(5)在永久层与炉壳钢板之间填加石棉板等隔热材料，是中小型转炉控制炉壳变形的好方法。参考文献1 J.D. Cress. BOP Shell Distortion at Great lakes SteelJOpen Hearth Proceedings，1970，34382 BBone炼钢转炉的修复J国外钢铁，1994(2)：25303 北龙二 Extending life of LD Converter Vesse1.R.DJ.神户制钢技报，1989，139(1)：61644 邹家祥，史小路，田毅盛，等转炉炉壳变形及控制J.钢铁，2000(9)：245 任学平，章博，林恒，等转炉炉壳采用汽雾冷却时的瞬态温度场及应力场研究J.冶金设备，2001(8)：146 杨治立，朱光俊，赵宏伟，等.有效石棉板厚度的计算J.冶金能源，2005(2)
