转炉炉壳变形与托圈间隙之探究

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[摘 要]太钢炼钢二厂80t转炉扩容改造后，目前炉壳与托圈的间隙随之变小，对炉体与托圈的间隙进行理论分析和实际测量，并提出通过强化冷却炉壳、选用新型悬挂系统等措施来控制炉壳变形，保证炉壳与托圈的间隙，以提高炉壳使用寿命。

[关键词]转炉 托圈 变形 间隙

中图分类号：TN02 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）19-0273-02

1 引言

转炉的炉壳和托圈在生产过程中都会因受热膨胀而变形，炉壳冷热状态温度变化很大，而托圈因水冷而温度变化较小，从而导致两者之间间隙减小。与此同时，炉壳在三点球铰的过约束下应力得不到释放，加之炉壳材质发生蠕变，严重阻碍了转炉的安全生产。

2 国内外炉壳变形情况

国内炼钢厂的转炉从大规模采用镁碳砖炉衬以后，出现了许多炉壳温度升高及耐材顶胀炉壳现象并导致炉壳变形严重。宝钢一炼钢300t转炉自1991年开始使用镁碳转炉衬以来，炉壳温度超过其材料的蠕变温度，导致炉壳变形急剧增加，炉壳与托圈之间的最小间隙只有20mm（设计间隙为140mm）。太钢炼钢二厂3#转炉炉壳与托圈设计间隙为150mm，目前炉体整体偏向西北侧，炉壳严重变形，炉壳与托圈最小处间隙为20mm。变形情况可以从图1看出。

3 炉壳与托圈间隙的理论计算及实际测量

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。

3.1.1 炉壳与托圈的制造误差δ1

此80t转炉炉壳与托圈的制造误差范围在5～8mm，取δ1max=8mm。

3.1.2 炉壳与托圈的安装误差δ2

此80t转炉炉壳与托圈的安装误差范围在3～6mm，取δ2max=6mm。

3.1.3 炉壳、托圈及炉衬的热膨胀δ3

炉壳、托圈及炉衬的热膨胀是一个非常复杂的变化过程，但可以利用理论经验公式来计算其最大膨胀量。经现场测量，托圈和炉壳在冷态下平均温度为：T0=25℃，托圈工作时温度为：T托=45℃，炉壳工作时温度为：T壳=470℃。可以用下面的公式来分别计算托圈与炉壳的变形量：δ=α1×L×T （1）

式中：α1―材料膨胀系数，碳钢为12.9―13.9×10-6/℃；

L―线性长度；

T―温差。

则：δ托=α托×L托×T托 （2）

=13×10-6/℃×5830L×（45-25）℃=1.518L

δ炉壳=α炉壳×L炉壳×T炉壳 （3）

=13×10-6/℃×5530L×（470-25）℃=31.991L

由此可得：δ3=31.991-1.518=30.473mm

3.1.4 炉壳的蠕变变形δ4

转炉采用镁碳砖炉衬后，导热系数增加了3～4倍，由于冷却条件不匹配，导致炉壳工作温度过高。实际测得托圈部位的炉壳最高温度达到了472℃，而炉壳材料的蠕变温度为400℃，同时，可见炉壳的温度已经超出其材料的蠕变温度，炉壳材料会随着使用时间的延长而不断劣化，使得炉壳蠕变变形加快。经计算得出δ4=12.52mm。

3.1.5 其他

炉体与托圈之间的间隙除了受上述的主要因素以外，还会受到很多因素的作用，如炉体自重、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都会导致炉壳变形或炉体的扭曲，导致炉体与托圈之间的间隙发生变化。这些实际变化过程只能从理论上进行分析，无法直接进行计算，可按占原始间隙（150mm）的百分比来考虑，设定为原始间隙的20%，则：δ5=150 ×20% =30mm。

3.1.6 述分析计算，可得3#转炉炉体与托圈之间应保留的最小间隙为：δmin=δ1max+δ2max+δ3+δ4+δ5 （4）

=8mm+6mm+30.473mm+12.52mm+30mm=86.993mm

3.2 炉壳与托圈间隙的实际测量

通过现场实际测量炉壳与托圈之间的间隙，与理论计算结果进行比较，来验证计算结果的正确性与否。

具体方法：以出钢口中心线为起始点，沿炉体一周，每隔90°确定一个测量点，测量在热炉状态下炉壳与托圈之间的间隙。

本转炉炉体与托圈最初设计间隙为150mm，安装后实际平均间隙为146mm（炉体装配完毕后，其中心线对托圈平面公差不超过3mm）。从表1数据，可得出如下结论。

结合图1及表1数据，炉口处最大间隙达到200mm，而在出钢口方向上间隙只有20mm。由此可见，炉壳与托圈除了热膨胀变形和蠕变变形外，炉体还发生了扭曲，整个炉体重心偏向西北角。

3.2.2 热膨胀变形及蠕变变形量

由安装后实际平均间隙和测得的最大、最小间隙，近似得到炉壳与托圈的热膨胀变形及蠕变变形量，设为2 ，有2≈2×安装后间隙-（最大间隙+最小间隙）≈2×146-（20+200）≈72mm

3.3 理论计算与实际测量结果比较

将理论计算的炉壳与托圈的热膨胀变形及蠕变变形量设为1，有：1=δ3+δ4+δ5=30.473mm+12.52mm+30mm=72.993mm

比较1和2不难发现，实际测得的与理论计算值非常接近。因此，理论计算结果与实际相符，计算结果是正确的。

4 控制炉壳与托圈间隙的有效途径

4.1 控制炉壳变形

根据上述分析，炉壳、托圈及炉衬的热膨胀都是导致炉壳与托圈间隙减小的因素，而其中的炉壳和炉衬的热膨胀以及炉壳的蠕变变形是导致炉壳与托圈间隙减小的最主要原因。因此，控制炉壳变形及蠕变、控制炉衬热膨胀是保证炉壳与托圈具有足够间隙的关键，相应对策有下述几点。

4.1.1 改善炉壳材质

太钢炼钢二厂80t转炉炉壳是采用16Mng钢板焊接而成，目前大多数炉壳材质已采用16Mo3。

从表2和表3可知，16Mo3比16Mng增加了高温性能和抗热蠕变性能，具有较高的耐热强度，且无热脆性，一般在正火和高温回火后使用，具有良好的焊接性以及延展性，采用专用焊接材料在室温力学性能、高温强度、抗蠕变性能等方面与母材完全匹配，能确保焊接接头性能，也具有良好的施焊性。

4.1.2 预留炉衬间隙

预留膨胀间隙的大小非常重要，值太小，起不到应有的调节作用，反之可能会导致耐材的结构松动，钢水会渗透到炉衬中。从受力的角度考虑，预留膨胀间隙越大，炉壳所受到的热膨胀应力越小，但是过大的间隙会导致炉衬结构的松动。因此，预留炉衬膨胀间隙大小的原则是：在保证炉衬稳定的条件下，尽可能取最大值。此外，为减少炉壳过渡部位的接触正压力的“压力集中”，过渡部位应填充“软填料层”以缓冲炉壳接触正压力的集中现象。

4.1.3 采用先进的悬挂系统

转炉下悬挂系统已在国内很多钢厂得到了很好的应用，较之三点球铰支撑，下悬挂系统可在六个自由度内完全约束转炉本体，不存在过约束现象，并在炉壳受热膨胀及变形时“吸收”其变形量。其次，下悬挂系统设计实现了完全正力矩，提高了转炉的操作安全行。

4.2 实施炉况监控

炉壳与托圈间隙变化是长期而复杂的过程，因此必须在每次中修时对其间隙要进行跟踪测量，进行数据积累，以便了解其变形情况。

在发现炉体变形严重或扭曲变形严重时，就要进行适时维护。适时维护措施可以分为日常调节和定修局部修复。日常调节即对保持炉体稳定装置如悬挂系统、止动块等进行调节维护。

5 结束

针对影响炉体与托圈间隙的多方面因素，提出一系列控制间隙的措施，为同类转炉的扩容改造、控制炉壳变形等方面提供了良好的素材。