不銹鋼AOD設(shè)備的開發(fā)及應(yīng)用

       進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國不銹鋼產(chǎn)量和表觀消費(fèi)量均得到長足的發(fā)展。2000年我國不銹鋼產(chǎn)量為57.3萬t，表觀消費(fèi)量為168.3 萬t；2007年，我國不銹鋼產(chǎn)量為740萬t，表觀消費(fèi)量為680萬t，年增長率超過120％。相比日本的不銹鋼產(chǎn)量占粗鋼產(chǎn)量的2.85％，我國的不銹鋼產(chǎn)量明顯不足，而且從不銹鋼生產(chǎn)所需的鎳資源和鉻資源全球分布來看，我國比日本、西歐更具位置優(yōu)勢，我國發(fā)展成為世界不銹鋼出口國也具備一定資源條件。
      作為冶煉不銹鋼的主要設(shè)備，AOD轉(zhuǎn)爐得到了全世界廣泛的應(yīng)用。據(jù)資料顯示2006年以AOD轉(zhuǎn)爐作為主要設(shè)備冶煉的不銹鋼產(chǎn)量占全部產(chǎn)量的約68.7％。不論是以廢鋼為主要原料還是以高爐鐵水作為主要原料冶煉不銹鋼，不論二步法還是三步法工藝路線冶煉不銹鋼，或直接利用脫磷鐵水冶煉，AOD轉(zhuǎn)爐既可以作為初煉爐，還可以作為精煉爐，有著適用性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性高的特點(diǎn)。
一、AOD技術(shù)的發(fā)展及國內(nèi)開發(fā)情況 
      AOD(Argon oxygen decarburization）轉(zhuǎn)爐也稱氬氧脫碳爐，其原理是1954年發(fā)現(xiàn)的氬氧脫碳原理，即利用爐內(nèi)CO分壓不同，鋼液(鐵水)中碳含量不同來進(jìn)行脫碳保鉻，達(dá)到冶煉不銹鋼的目的。初期工業(yè)應(yīng)用是在1968年的美國史萊特公司。AOD自問世以來，經(jīng)歷了不同的發(fā)展時(shí)期，由初期的只有底部風(fēng)槍，到頂吹氧氣的頂側(cè)復(fù)吹，使生成的CO二次燃燒，增加升溫速度、脫碳速度；從固態(tài)原料到滿足全鐵水冶煉；從手動控制到可連續(xù)測溫的智能冶煉。目前除了超純鐵素體不銹鋼外能適應(yīng)全牌號不銹鋼的冶煉要求。從我國首座AOD是1983年在太鋼三煉鋼建成，到2006年太鋼二煉鋼北區(qū)180tAOD投產(chǎn)，我國已經(jīng)擁有世界上噸位*大的AOD轉(zhuǎn)爐。
     由于多種因素的制約，在我國目前生產(chǎn)使用的AOD中，其核心設(shè)備技術(shù)均引進(jìn)自發(fā)達(dá)國家。因此開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的A()D轉(zhuǎn)爐設(shè)備及全套不銹鋼冶煉設(shè)備和工藝技術(shù)十分必要。
二、AOD設(shè)備開發(fā)的工藝要求
     AOD主體設(shè)備的開發(fā)一定要符合國際先進(jìn)不銹鋼冶煉工藝對設(shè)備的要求，同時(shí)要滿足重型機(jī)械設(shè)計(jì)理論的要求和滿足機(jī)械制造工藝的要求。
     首先AOD作為冶煉高溫金屬液體的容器，其使用過程是采取原液兌入后吹氣(頂+側(cè))加輔料冶煉到合格成分金屬液體成分，再倒出金屬液體(鋼水)到鋼水罐中。因此它的基本形狀和轉(zhuǎn)爐相似，同樣具有重載、低速和高溫的特點(diǎn)，工作時(shí)承受機(jī)械應(yīng)力和熱負(fù)荷應(yīng)力。
      其次AOD轉(zhuǎn)爐的高溫冶煉工況是一個(gè)主要的特點(diǎn)。AOD轉(zhuǎn)爐要實(shí)現(xiàn)降碳保鉻，必須要有相當(dāng)高的冶煉溫度(1750℃)作為條件，同時(shí)冶煉溫度波動大(氧化期還原期相差大)，冶煉周期長(一般為60～70min)；在復(fù)雜的冶煉工藝下，爐渣的性能變化非常大，例如堿度在冶煉初期為0.6到末期達(dá)到4.5；氣體攪拌使?fàn)t內(nèi)鋼水和熔渣劇烈湍動、沖刷；爐襯溫度不均，側(cè)吹管風(fēng)眼處形成溫度反應(yīng)區(qū)(2000℃)，其周圍還受氣體反沖作用。上述這些原因?qū)е聽t襯壽命相對普通轉(zhuǎn)爐來說要低很多，盡管采用高質(zhì)量的鎂鉻磚和鎂白云石磚，不斷改進(jìn)工藝操作，爐型砌筑，國內(nèi)高水平爐齡也不到190爐。因此，AOD爐需要高頻率的更換爐襯來滿足生產(chǎn)要求，AOD爐體和托圈的連接除滿足熱膨脹位移要求外，還要爐體快速更換。U型托圈+爐體更換車是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要手段。目前國內(nèi)新建的AOD工程如太鋼，寶鋼等均采用這一技術(shù)。
      同時(shí)爐殼要求更換時(shí)間越短越好，維修時(shí)間4～5天，至少需要3個(gè)以上備用爐殼。由于更換頻繁，爐口和爐帽均不采用水冷技術(shù)，同時(shí)為了吊運(yùn)方便，爐殼需要設(shè)置吊耳，需要更換小車。風(fēng)口設(shè)計(jì)要求滿足更高耐損率和快速更換的連接方式，同時(shí)不影響熔池的流體特性。
      AOD順利冶煉需要一定的反應(yīng)空間，典型容積比在0.5～0.7m3/t。這是由爐料條件，氧槍的*大吹氧速率和達(dá)到目標(biāo)出鋼要求側(cè)壁風(fēng)口狀況決定的。
      AOD因?yàn)槊摿蚝吞岣吆辖鹄寐实囊?，出鋼時(shí)渣鋼混沖，所以不設(shè)出鋼口，鋼水和渣子混合從爐口倒出。這樣爐口的出鋼槽要求壽命滿足爐襯同步要求。
三、AOD設(shè)備研發(fā)及其特點(diǎn) 
      我國公司結(jié)合技術(shù)積累和國內(nèi)外文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的120tAOD爐體設(shè)備。初步設(shè)計(jì)AOD轉(zhuǎn)爐本體圖紙應(yīng)用有限元分析技術(shù)得到熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。分析過程中首先收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如爐殼、爐襯(燒結(jié)鎂、白云石磚、燒結(jié)鎂白云石磚、燒結(jié)白云石)的物性參數(shù)，然后計(jì)算出AOD爐的傾動力矩，再建三維模型，*后建立CAE分析的整體模型，對120tAOD轉(zhuǎn)爐的整個(gè)生產(chǎn)過程和熱環(huán)境進(jìn)行模擬仿真，并在此基礎(chǔ)上按照CAE典型的分析過程應(yīng)用有限元分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。
     在熱分析過程中需要邊界條件，轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯和爐殼等要滿足的邊界條件見表1和表2。

      再進(jìn)行各種傾角下的熱應(yīng)力場的仿真分析，這樣就得到了各個(gè)角度情況下爐殼、吊掛、托圈、活節(jié)螺栓熱應(yīng)力曲線，例如爐殼的*大熱應(yīng)力曲線見圖一。

       將分析到的結(jié)果與材料本身所能承載的強(qiáng)度極限進(jìn)行對比，找出爐體在承受熱應(yīng)力方面的薄弱環(huán)節(jié)，然后再作了優(yōu)化設(shè)計(jì)和全套爐體設(shè)備的設(shè)計(jì)。通過分析，得到了一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位：
1) 按新爐襯計(jì)算出的爐殼內(nèi)表面*高溫度為303℃，爐殼外表面*高溫度為297℃。
2) 托圈上蓋板與內(nèi)腹板外表面溫度較高，溫度*高處為126℃。爐殼的熱應(yīng)力以爐身下部變直徑處應(yīng)力*高。
3) 托圈內(nèi)腹板的熱應(yīng)力比托圈上下蓋板和外腹板的熱應(yīng)力高。
4) 活節(jié)螺栓在不同傾動角下的*大應(yīng)力為214MPa，發(fā)生在兩側(cè)耳軸上方的活節(jié)螺栓上。
5)不同傾動角下吊架的*大熱應(yīng)力為123MPa。
6) 計(jì)算出不同傾動角下耳軸的*大熱應(yīng)力。
7) 不同傾動角下爐殼與托圈聯(lián)接裝置梯形塊的*大熱應(yīng)力，說明動載系數(shù)對爐殼的熱應(yīng)力影響較小。
       然后在這些關(guān)鍵部位，落實(shí)材料選取和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。爐殼、托圈、吊架采用的材質(zhì)其蠕變溫度(400℃)高于爐殼內(nèi)表面*高溫度，同時(shí)屈服極限也高于爐身下部變直徑處應(yīng)力和吊架*大熱應(yīng)力。根據(jù)活節(jié)螺栓在不同傾動角下的*大應(yīng)力選取高**系數(shù)的活節(jié)螺栓。針對耳軸，爐殼與托圈聯(lián)接裝置梯形塊熱應(yīng)力，選取一定**系數(shù)的材質(zhì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
綜合熱-固耦合分析和工藝要求、機(jī)械設(shè)計(jì)來看，開發(fā)的120tAOD的有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
1) 風(fēng)口區(qū)爐殼不對稱設(shè)計(jì)；滿足風(fēng)口砌磚要求和冶煉操作要求。
2) 優(yōu)化設(shè)計(jì)的側(cè)吹風(fēng)口位置。
3) 高強(qiáng)度爐殼設(shè)計(jì)滿足了復(fù)雜工況要求，適當(dāng)減小了爐襯壁厚，減輕了設(shè)備重量。
4) 爐殼采用簡單實(shí)用的聯(lián)接，滿足頻繁更換爐襯需要；上部爐殼與下部爐殼均為全焊接結(jié)構(gòu)，爐口為非水冷式結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為耐熱球墨鑄鐵。爐口與上部爐殼通過20個(gè)M36的螺釘、螺母進(jìn)行聯(lián)接；上部爐殼與下部爐殼通過斜楔、銷軸進(jìn)行聯(lián)接，該種聯(lián)接方式簡單且**，便于拆卸。爐殼上設(shè)置吊耳，方便吊運(yùn)。
5) 使用U型托圈工作性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)量少(無水冷)；U型托圈主要將驅(qū)動端耳軸塊、游動端耳軸塊及扇形體組焊成一個(gè)完整托圈并通過上面板的兩組卡槽，3組吊耳與爐殼上對應(yīng)的力矩塊、體快速懸掛裝置形成有機(jī)整體。
6) 快速更換爐殼技術(shù)，適應(yīng)生產(chǎn)要求；托圈和爐殼采用新型快速懸掛裝置，主要通過3組懸掛螺栓(每組2個(gè))及其相關(guān)配套附件完成可快速更換懸掛裝置。此套裝置可有效的實(shí)現(xiàn)爐殼與U型托圈快速安裝(更換時(shí)間60～90min)、牢固聯(lián)接，并能有效的吸收爐殼與托圈之間的相對熱變形。其結(jié)構(gòu)上屬靜定結(jié)構(gòu)，其工作性能好，能適應(yīng)AOD爐殼和U型托圈的不等量變形，載荷分布均勻，結(jié)構(gòu)簡單，制造安裝方便，維護(hù)量少。如圖二所示。

7) 全正力矩設(shè)計(jì)，滿足苛刻冶煉條件要求；通過計(jì)算出了多種位置下AOD傾動力矩，通過對比分析，從中確定一種*適合的AOD傾動中心線方案，即在限制*大傾動力矩的前提下實(shí)現(xiàn)全正力矩設(shè)計(jì)。全正力矩設(shè)計(jì)節(jié)省了事故驅(qū)動裝置，節(jié)約成本，非常實(shí)用的解決了事故的發(fā)生。圖三示意了全正力矩的120t AOD轉(zhuǎn)爐傾動力矩的曲線變化。
四、結(jié)語
       隨著我國不銹鋼冶煉水平的提高，開發(fā)先進(jìn)、實(shí)用的AOD設(shè)備及整套不銹鋼工藝設(shè)備，冶煉模型是十分必要的。中冶京誠公司依靠多年不銹鋼生產(chǎn)工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過仿真模擬，有限元分析，結(jié)合國內(nèi)外生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)出了120tAOD轉(zhuǎn)爐設(shè)備，具備了滿足生產(chǎn)需要，簡單先進(jìn)實(shí)用的特點(diǎn)。配合全套冶煉設(shè)備和冶煉模型將使用在營口基地工程，由于國內(nèi)外形勢需要，項(xiàng)目還沒有進(jìn)入建設(shè)階段。但從我國不銹鋼長遠(yuǎn)發(fā)展來看，我們開發(fā)的國產(chǎn)化自主知識產(chǎn)權(quán)的AOD設(shè)備必將得到認(rèn)可，是值得推廣的先進(jìn)不銹鋼冶煉設(shè)備。