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不锈钢AOD设备的开发及应用


        进入21世纪以来,我国不锈钢产量和表观消费量均得到长足的发展。2000年我国不锈钢产量为57.3万t,表观消费量为168.3  万t;2007年,我国不锈钢产量为740万t,表观消费量为680万t,年增长率超过120%。相比日本的不锈钢产量占粗钢产量的2.85%,我国的不锈钢产量明显不足,而且从不锈钢生产所需的镍资源和铬资源全球分布来看,我国比日本、西欧更具位置优势,我国发展成为世界不锈钢出口国也具备一定资源条件。 
        作为冶炼不锈钢的主要设备,AOD转炉得到了全世界广泛的应用。据资料显示2006年以AOD转炉作为主要设备冶炼的不锈钢产量占全部产量的约68.7%。不论是以废钢为主要原料还是以高炉铁水作为主要原料冶炼不锈钢,不论二步法还是三步法工艺路线冶炼不锈钢,或直接利用脱磷铁水冶炼,AOD转炉既可以作为初炼炉,还可以作为精炼炉,有着适用性强,经济性高的特点。

一、AOD技术的发展及国内开发情况 
        AOD(Argon oxygen decarburization)转炉也称氩氧脱碳炉,其原理是1954年发现的氩氧脱碳原理,即利用炉内CO分压不同,钢液(铁水)中碳含量不同来进行脱碳保铬,达到冶炼不锈钢的目的。最初工业应用是在1968年的美国史莱特公司。AOD自问世以来,经历了不同的发展时期,由最初的只有底部风枪,到顶吹氧气的顶侧复吹,使生成的CO二次燃烧,增加升温速度、脱碳速度;从固态原料到满足全铁水冶炼;从手动控制到可连续测温的智能冶炼。目前除了超纯铁素体不锈钢外能适应全牌号不锈钢的冶炼要求。从我国第一座AOD是1983年在太钢三炼钢建成,到2006年太钢二炼钢北区180tAOD投产,我国已经拥有世界上吨位最大的AOD转炉。 
        由于多种因素的制约,在我国目前生产使用的AOD中,其核心设备技术均引进自发达国家。因此开发具有自主知识产权的A()D转炉设备及全套不锈钢冶炼设备和工艺技术十分必要。 

二、AOD设备开发的工艺要求 
        AOD主体设备的开发一定要符合国际先进不锈钢冶炼工艺对设备的要求,同时要满足重型机械设计理论的要求和满足机械制造工艺的要求。
首先AOD作为冶炼高温金属液体的容器,其使用过程是采取原液兑入后吹气(顶+侧)加辅料冶炼到合格成分金属液体成分,再倒出金属液体(钢水)到钢水罐中。因此它的基本形状和转炉相似,同样具有重载、低速和高温的特点,工作时承受机械应力和热负荷应力。
        其次AOD转炉的高温冶炼工况是一个主要的特点。AOD转炉要实现降碳保铬,必须要有相当高的冶炼温度(1750℃)作为条件,同时冶炼温度波动大(氧化期还原期相差大),冶炼周期长(一般为60~70min);在复杂的冶炼工艺下,炉渣的性能变化非常大,例如碱度在冶炼初期为0.6到末期达到4.5;气体搅拌使炉内钢水和熔渣剧烈湍动、冲刷;炉衬温度不均,侧吹管风眼处形成温度反应区(2000℃),其周围还受气体反冲作用。上述这些原因导致炉衬寿命相对普通转炉来说要低很多,尽管采用高质量的镁铬砖和镁白云石砖,不断改进工艺操作,炉型砌筑,国内高水平炉龄也不到190炉。因此,AOD炉需要高频率的更换炉衬来满足生产要求,AOD炉体和托圈的连接除满足热膨胀位移要求外,还要炉体快速更换。U型托圈+炉体更换车是实现这一目标的重要手段。目前国内新建的AOD工程如太钢,宝钢等均采用这一技术。
        同时炉壳要求更换时间越短越好,维修时间4~5天,至少需要3个以上备用炉壳。由于更换频繁,炉口和炉帽均不采用水冷技术,同时为了吊运方便,炉壳需要设置吊耳,需要更换小车。风口设计要求满足更高耐损率和快速更换的连接方式,同时不影响熔池的流体特性。
        AOD顺利冶炼需要一定的反应空间,典型容积比在0.5~0.7m3/t。这是由炉料条件,氧枪的最大吹氧速率和达到目标出钢要求侧壁风口状况决定的。
        AOD因为脱硫和提高合金利用率的要求,出钢时渣钢混冲,所以不设出钢口,钢水和渣子混合从炉口倒出。这样炉口的出钢槽要求寿命满足炉衬同步要求。

三、AOD设备研发及其特点 
        我国公司结合技术积累和国内外文献数据,不断优化研发出具有自主知识产权的120tAOD炉体设备。初步设计AOD转炉本体图纸应用有限元分析技术得到热-结构耦合分析。分析过程中首先收集基础数据,如炉壳、炉衬(烧结镁、白云石砖、烧结镁白云石砖、烧结白云石)的物性参数,然后计算出AOD炉的倾动力矩,再建三维模型,最后建立CAE分析的整体模型,对120tAOD转炉的整个生产过程和热环境进行模拟仿真,并在此基础上按照CAE典型的分析过程应用有限元分析技术实现热-结构耦合分析。
在热分析过程中需要边界条件,转炉内衬和炉壳等要满足的边界条件见表1和表2。 

表1  转炉内衬的热边界条件

表2   热分析的主要表面传热边界条件

        再进行各种倾角下的热应力场的仿真分析,这样就得到了各个角度情况下炉壳、吊挂、托圈、活节螺栓热应力曲线,例如炉壳的最大热应力曲线见图一。


图一  不同倾动角下炉壳最大热应力曲线

        将分析到的结果与材料本身所能承载的强度极限进行对比,找出炉体在承受热应力方面的薄弱环节,然后再作了优化设计和全套炉体设备的设计。通过分析,得到了一系列优化设计的关键部位: 
        1) 按新炉衬计算出的炉壳内表面最高温度为303℃,炉壳外表面最高温度为297℃。 
        2) 托圈上盖板与内腹板外表面温度较高,温度最高处为126℃。炉壳的热应力以炉身下部变直径处应力最高。 
        3) 托圈内腹板的热应力比托圈上下盖板和外腹板的热应力高。 
        4) 活节螺栓在不同倾动角下的最大应力为214MPa,发生在两侧耳轴上方的活节螺栓上。 
        5)不同倾动角下吊架的最大热应力为123MPa。 
        6) 计算出不同倾动角下耳轴的最大热应力。 
        7) 不同倾动角下炉壳与托圈联接装置梯形块的最大热应力,说明动载系数对炉壳的热应力影响较小。 
        然后在这些关键部位,落实材料选取和结构设计。炉壳、托圈、吊架采用的材质其蠕变温度(400℃)高于炉壳内表面最高温度,同时屈服极限也高于炉身下部变直径处应力和吊架最大热应力。根据活节螺栓在不同倾动角下的最大应力选取高安全系数的活节螺栓。针对耳轴,炉壳与托圈联接装置梯形块热应力,选取一定安全系数的材质设计结构。 
        综合热-固耦合分析和工艺要求、机械设计来看,开发的120tAOD的有以下几个特点: 
        1) 风口区炉壳不对称设计;满足风口砌砖要求和冶炼操作要求。 
        2) 优化设计的侧吹风口位置。 
        3) 高强度炉壳设计满足了复杂工况要求,适当减小了炉衬壁厚,减轻了设备重量。 
        4) 炉壳采用简单实用的联接,满足频繁更换炉衬需要;上部炉壳与下部炉壳均为全焊接结构,炉口为非水冷式结构,材质为耐热球墨铸铁。炉口与上部炉壳通过20个M36的螺钉、螺母进行联接;上部炉壳与下部炉壳通过斜楔、销轴进行联接,该种联接方式简单且安全,便于拆卸。炉壳上设置吊耳,方便吊运。 
        5) 使用U型托圈工作性能稳定可靠,结构简单,维护量少(无水冷);U型托圈主要将驱动端耳轴块、游动端耳轴块及扇形体组焊成一个完整托圈并通过上面板的两组卡槽,3组吊耳与炉壳上对应的力矩块、体快速悬挂装置形成有机整体。 
        6) 快速更换炉壳技术,适应生产要求;托圈和炉壳采用新型快速悬挂装置,主要通过3组悬挂螺栓(每组2个)及其相关配套附件完成可快速更换悬挂装置。此套装置可有效的实现炉壳与U型托圈快速安装(更换时间60~90min)、牢固联接,并能有效的吸收炉壳与托圈之间的相对热变形。其结构上属静定结构,其工作性能好,能适应AOD炉壳和U型托圈的不等量变形,载荷分布均匀,结构简单,制造安装方便,维护量少。如图二所示。


图二  托圈和炉壳之间连接装置——新型快速悬挂装置


图三   AOD转炉倾动力矩曲线图(带摩擦力矩)

        7) 全正力矩设计,满足苛刻冶炼条件要求;通过计算出了多种位置下AOD倾动力矩,通过对比分析,从中确定一种最适合的AOD倾动中心线方案,即在限制最大倾动力矩的前提下实现全正力矩设计。全正力矩设计节省了事故驱动装置,节约成本,非常实用的解决了事故的发生。图三示意了全正力矩的120t AOD转炉倾动力矩的曲线变化。
四、结语 
        随着我国不锈钢冶炼水平的提高,开发先进、实用的AOD设备及整套不锈钢工艺设备,冶炼模型是十分必要的。中冶京诚公司依靠多年不锈钢生产工艺设备的设计经验,通过仿真模拟,有限元分析,结合国内外生产实践经验,研发出了120tAOD转炉设备,具备了满足生产需要,简单先进实用的特点。配合全套冶炼设备和冶炼模型将使用在营口基地工程,由于国内外形势需要,项目还没有进入建设阶段。但从我国不锈钢长远发展来看,我们开发的国产化自主知识产权的AOD设备必将得到认可,是值得推广的先进不锈钢冶炼设备。