宝钢300t转炉炉壳寿命预测

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2001.01.043 第23卷第1期 北京科技大学学报 Vol.23 No.1 2001年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2001 宝钢300t转炉炉壳寿命预测 史小路)郭宏)邹家祥)陈平)黄妙龙2)王建跃) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)宝钢集团公司炼钢部，上海200941 摘要宝钢300t转炉炉壳使用中出现严重变形，危及生产.通过对炉壳变形过程监测、有 限元炉壳应力分析、炉壳材料蠕变性能实验等综合技术手段，采用修正的0-Concept Project方 法成功地预测了转炉炉壳的残余使用寿命，为企业的生产计划决策提供了有效的技术支持. 关键词炉壳；螭变；寿命预测 分类号TG113.255;TF724.2 宝钢300t转炉炉壳是从日本引进，1985年 由钢结构外壳内衬耐火材料构成炉壳钢板 9月投产使用.最初几年炉壳变形很小，但从 材料为SM41CN,分为炉顶上锥段、炉身直线段、 1991年3月更换炉壳耐火材料之后，炉壳温度 下锥段及球形底部4段.锥顶及炉身钢板厚85 由250℃上升到400℃以上，致使此后5~6年间 mm,下锥段厚80mm,炉底为75mm,均分3点 炉壳急剧膨胀变形，形成重大设备、生产安全隐 支撑于托圈之上.炉体高度约11m,直径8.5m. 患.大型转炉炉壳的更换要求有周密的技术、物 炉壳自重300余t.炉衬耐火材料大体分为耐磨 质准备，也要求有较长的制造安装周期.为科学 衬和永久衬2层：上部耐磨衬厚900mm,永久衬 地确定炉壳更换时间，合理安排在此期间内的 114mm;底部耐磨衬厚1100mm,永久衬3层共 生产计划并保证生产、设备的安全，必须对转炉 342mm(114mm×3),炉衬总重超过700t.冶炼 炉壳的残余使用寿命，即在保证安全生产条件 过程炉内加装废钢约100t,铁水近300t,加上炉 下，在用炉壳还能继续服役的时间做出预测. 壳、炉衬，总质量约1400t.装炉出钢时，炉体需 1炉壳工况与变形形态 沿托圈耳轴中心旋转. 1,2炉壳温度与变形分布测试 1.1炉壳结构 转炉冶炼温度变化必然导致炉体膨胀收 宝钢300t转炉炉体结构剖面如图1所示. 缩.为消除其给转炉装配结构带来的不利影响， 炉壳与托圈之间留有140mm的胀缩缝.胀缩缝 φ3600 的变化间接反映炉壳的变形.张缩缝跟踪测量 的结果如图2所示.胀缩缝变化量y与时间t的 回归关系用下例方程表示： 6832 180广 y=158.43-5.97×10-t b8500 150 120 ·实测值 炉壳 托圈 目90 耐磨衬 60 y=354.36-4.24×10t 30 75/ 8760 永久衬 0 0 12243648607284 图1300tB0F炉壳结构 t/10h Fig.1 Structure of 300t BOF shell 图2炉壳托圈间隙变化趋势 Fig.2 Variety of gap between shell and trunnion ring 收稿日期：200004-12史小路男，46岁，副散授，顶士

第 2 3 卷 第 1 期 2 00 1年 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u rn a l o f Un vi e . ity o f s e le n e e a n d 介 e h n o l o gy B e ji i n g V b l.2 3 N o . 1 F e b . 2 00 1 宝钢 3 0 0 t 转炉炉 壳寿命预测 史小 路 ” 郭 宏 ” 邹 家祥 ` ’ 陈 平 ” 黄妙龙 ” 王 建跃 2 , 1月匕京利技大学机械工程学院 , 北京 10 0 0 83 2 )宝钢集团公司炼钢部 , 上 海 2 0 0 9 41 摘 要 宝 钢 3 O0t 转 炉炉 壳使用 中 出现严重变形 , 危及生 产 . 通过 对炉 壳变 形过 程监 测 、 有 限元炉壳应力 分析 、 炉壳材料蠕变性 能实 验等综合技术手段 , 采 用修正 的 e 一 C on c etP Pojr ce t 方 法成功地 预测 了转炉 炉壳的残余使用 寿命 , 为 企业 的生 产计划决策提供了有 效 的技术支持 . 关健词 炉壳 ; 蠕 变 ; 寿命预测 分类 号 T G 1 13 . 2 5 + 5 ; FT 72 4 . 2 宝钢 3 0 t 转炉 炉壳是从 日本 引进 , 1 9 8 5 年 9 月投产使用 . 最初几 年炉壳变形 很小 , 但从 19 91 年 3 月更换炉壳 耐火材料 之后 , 炉壳温度 由 2 5 0℃ 上升到 4 0 ℃ 以上 , 致使此 后 5 ~ 6 年 间 炉壳急剧膨胀变形 , 形成 重大设备 、 生产安全隐 患 . 大型转炉炉壳 的更换要求有周密 的技术 、 物 质 准备 , 也要求有较长 的制造安装周期 . 为科学 地 确定炉壳更 换时 间 , 合理安 排在此期 间 内的 生产计划并保证生产 、 设备 的安全 , 必须对转炉 炉壳的残余使 用寿命 , 即在保证 安全生产 条件 下 , 在用炉壳还 能继续 服役 的时间做 出预测 . 1 炉壳工况与变形形态 L l 炉壳结构 宝钢 3 0 t 转炉炉体 结构剖 面如图 l 所示 . `门 卜- ~ 一 留 卜.了、 ; 二屯 , ~ 叫 , . 叫 r竺, 一气目 军 键75/ 一灌~ 霜蕊 萝一 永久衬 由钢结构外 壳内衬耐火材料构成炉壳钢板 材料为 S M 4 1C N , 分为炉顶上锥段 、 炉身直线段 、 下锥段及球 形底部 4 段 . 锥 顶及炉身钢板厚 85 ~ , 下锥 段厚 80 ~ , 炉底 为 75 ~ , 均分 3 点 支撑于托 圈之 上 . 炉体高度约 n m , 直径 .8 5 .m 炉壳 自重 3 0 余t . 炉衬耐火材 料大体分为耐磨 衬 和永久衬 2 层 : 上部耐磨衬厚 9 0 ~ , 永久衬 1 14 r n上n ; 底部耐磨 衬厚 1 l o l n r n , 永 久衬 3 层共 3 4 2 un ( 1 14 un x 3 ) , 炉衬 总重 超 过 7 0 o t . 冶炼 过程炉 内加装废 钢约 1 0 t , 铁水近 3 0 t , 加上炉 壳 、 炉衬 , 总质量约 1 4 0 t . 装 炉出钢时 , 炉体需 沿托 圈耳轴 中心旋转 . L Z 炉壳温度与变形分布测试 转 炉 冶炼 温 度 变 化必 然 导 致 炉体 膨胀 收 缩 . 为消除其 给转炉装配结构带来 的不利影 响 , 炉壳与托 圈之 间留有 140 n l r 。 的胀缩缝 . 胀缩缝 的变化 间接反映炉壳 的变形 . 胀缩缝跟踪测 量 的结果如 图 2 所示 . 胀 缩缝变化量少与时间 t的 回归关系用 下例方程 表示 : 一 . iF g · 图 1 S 1 t r u 3 e 0 ot 0 er t B o 0 f F 30 炉壳 t B 结 O 构 F s h e l 赞t / 1 0 3仪 h 图 2 炉 壳托圈间隙变化趋势 F ig · 2 Va ir e ty 0 f g a P be Wt e n s h e l a n d t r u n n iO n r i n g 收稿 日期 : 2 0 0 , -( )-4 12 史小路 男 , 46 岁 , 副教授 , 硕士 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2001. 01. 043

60◆ 北京科技大学学报 2001年第1期 1991年3月前(t<5×10h): 2.2炉壳变形原因 y=158.34-5.97×104t (1) 为分析炉壳变形的原因，实验测定了炉壳 1991年3月后(t≥5×10h): 材料的多项力学性能.试件分别选自备用炉壳 y=354.36-4.24×10-3t (2) 材料（新料）和炉壳变形部位的直接取样（旧料）. 比较式(1)和(2)可知，1990年更换耐火材料 炉壳旧料高温强度的实测数据见表2.根据以上 后，炉壳变形速度增加了近10倍.最大变形位 测试、试验和计算分析，炉壳应力在相应温度下 于出钢口(0)方向托圈下方的炉壳部位，径向膨 并未超过其屈服极限.此外450℃条件下，4万 胀变形达197mm.炉壳严重变形的区域也是炉 次脉动加载(60~120N/mm)实验证实试样无残 壳温度最高的部位.实测结果表明：炉身严重变 余变形或疲劳损伤.因此可以认为：炉壳变形的 形部位的炉壳表面温度都在400℃以上，局部高 主要原因是其材料的高温蠕变 温超过470℃ 表2SM41CNI旧炉壳材料的主要力学性能 2炉壳变形原因的分析 Table 2 Mechanical performance of SM41CN 0/℃Goa/N.mm2δ/%y/%c,/N·mm2 E/kN.mm2 2.1炉壳应力有限元分析 450 227.3 3.8782.25356.3 214.481 采用有限元方法对300t转炉的炉壳应力进 行了详细的计算分析.炉壳应力主要由机械应 3炉壳残余寿命预测 力与温度应力两部分组成，而温度应力包括炉 体结构本身温度分布不均形成的内应力和炉村 如上所述：炉壳变形的主要原因是高温蠕 耐火材料与炉壳膨胀变形不一致而形成的膨胀 变.因此炉壳寿命预测的主要判据就是炉壳材 应力 料的蠕变规律. 炉壳机械应力的计算主要考虑耐火材料、 3.1炉壳材料蠕变性能实验 炉壳及钢水自重等负载.不论转炉处于任何方 试件包括新、旧炉壳材料2种，试验按GB 位，钢水重力负载都按其相应密度和等效深度， 一2039一80执行.试验设备采用德国ZST蠕变 以静水压力方式作用于炉内. 试验机，砝码加载.控温系统采用TA091温度 采用与机械应力分析相同的计算模型，去 调节器调整加热功率，温度控制精度可达0.5%. 除炉衬耐火材料的约束和机械负荷，附加实测 变形测量采用长春材料研究所研制的差动变压 温度分布边界条件，确定炉壳温度应力 器加电位放大器及X一Y记录仪，系统测量精度 膨胀应力的计算须考虑炉壳和炉衬耐火材 为0.1%，并伴有数字电压表定时测取位移读数. 料的变形协调条件.计算时将分析模型分为炉 根据炉壳工矿分析数据，实验温度为450℃， 壳、炉村两部分.分别输人温度条件计算炉壳、 蠕变应力选在220~140N/mm2,低于材料屈服限. 炉衬的自由膨胀并确定不协调位移量，通过分 SM41CN炉壳材料蠕变实验结果见表3.实验结 析炉壳、炉衬的刚度关系，根据变形协调条件将 果可以看出，由于旧材料在长期使用过程中已积 不协调位移转化为炉壳内部的分布压力，再以 累了一定的内部损伤，断裂寿命明显低于新材 分布压力为载荷计算炉壳膨胀应力.而炉壳应 料.从表中的数据可以看出，随着实验应力的降 力的最终计算结果是以上3部分的组合. 低，新旧材料的断裂寿命之比约为2.因此可 炉壳整体应力分布形态十分复杂，但膨胀 以认为炉壳材料的使用期已超过自身蠕变寿命 变形的直接动力是环向拉伸应力作用.炉身严 的50%. 重变形部位在不同工况条件的环向拉伸应力计 3.2炉壳材料蠕变寿命预测 算结果见表1.最大变形位于出钢口一侧与出钢 (1)应力外推法.大量的实验结果表明，蠕 时的偏负荷作用有关 变应力、材料断裂寿命和达到一定形变量的时 表1转炉作业工况() 间之间满足下列关系： Table 1 Steel-making process and shell stress t=AXo (3) 变量 辅助操作(-1)加料与吹炼(=2)出钢(=3) 式中，·为材料在一定的温度下达到规定形变量 t/h 0.25 0.467 0.08 或断裂所需的时间；o为蠕变应力；A和α分别为 o/N.mm 70 80 110 所对应的2个材料常数.利用蠕变实验结果回

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 1 年 第 1 期 19 9 1 年 3 月前 ( t< s x l o ` h ) : 夕 = 1 5 8 . 3 4一 5 . 9 7 x l 0 一 4 t ( l ) 1 9 9 1 年 3 月后 ( t ) s x l o ` h) : 夕 = 3 5 4 . 3 6一 4 . 2 4 x l 0 一 , t ( 2 ) 比较 式 ( 1) 和 ( 2) 可知 , 19 90 年更换 耐火材料 后 , 炉壳变形 速度增加 了 近 10 倍 . 最大变形位 于出钢 口 ( 0 0) 方 向托圈下方 的炉壳 部位 , 径 向膨 胀 变形达 197 ~ . 炉壳 严重变形 的 区域也是 炉 壳 温度最高 的部位 . 实测结果 表明 : 炉身严重变 形 部位 的炉壳表面温度都在 4 0 ℃ 以上 , 局部高 温超过 4 7 0℃ t , , . 2 炉壳变形原 因的分析 .2 1 炉壳应力有限元分析 采用有 限元 方法对 3 0 t转炉 的炉壳应力进 行 了详 细 的计算 分析 . 炉壳应力 主要 由机械应 力 与温度应力 两部分组 成 , 而 温度应力包括 炉 体结构本身温度分布不均形成 的内应力 和 炉衬 耐火材料与炉壳膨胀 变形不一致而形 成的膨胀 应力 . 炉壳 机 械应力 的计 算 主要考 虑耐 火材 料 、 炉壳及 钢水 自重等 负载 . 不论 转炉处 于任何方 位 , 钢水重力负载都按其 相应密度 和等效深度 , 以静水 压力方式 作用于炉 内 . 采 用与机械应 力分析相 同的计算模 型 , 去 除炉衬耐火材料 的约束 和机械负荷 , 附加实测 温度分布边界 条件 , 确定 炉壳温度应力 . 膨 胀应力 的计算 须考虑炉 壳和炉衬耐火 材 料的变形协 调条件 . 计 算时将 分析 模型分 为炉 壳 、 炉衬两部 分 . 分别 输人温 度条件计算 炉壳 、 炉衬 的 自由膨胀并确定 不协调位 移量 . 通 过分 析炉壳 、 炉衬 的刚度关系 , 根据变形协调 条件将 不协调位 移转化 为炉壳 内部 的分布压力 , 再 以 分布压力 为载荷计算 炉壳膨胀应 力 . 而 炉壳应 力 的最终计 算结果 是 以上 3 部分 的组合 . 炉壳整体应 力分布形态 十分复杂 口, , 但膨胀 变形 的直接动力 是环 向拉伸应 力作用 . 炉身严 重变形部位 在不 同工况条件 的环 向拉伸应力计 算结果见表 1 . 最大变形位于 出钢 口一侧与 出钢 时的偏 负荷作用 有关 . 表 1 转炉作 业工 况(k) aT b le 1 St e -l m a k in g P ocr e s s a n d s h el s t esr s .2 2 炉壳变形原因 为 分析炉壳 变形 的原 因 , 实验测 定 了炉壳 材料 的多项力 学性能 . 试件分别选 自备用炉壳 材料 (新 料 )和炉壳 变形部位 的直 接取样 (旧料) . 炉壳 旧料 高温强 度的实测数据见表 2 . 根据 以上 测试 、 试验 和计算分析 , 炉壳应力在相应温度下 并 未超过其屈服极 限 . 此外 4 50 ℃ 条件下 , 4 万 次脉动加 载 ( 60 一 12 O N 加m Z ) 实验证实试样无残 余变形或疲劳损伤 . 因此 可以认为 : 炉壳变形 的 主要原 因是其材料 的高温蠕 变 . 表 2 S M l4 C N 旧炉壳材料 的主要 力学性能 aT b le 2 M ec h a n i e a l eP r fo r m a n c e o f S M 4 1 C N 0 /℃ a0 州 · m m 一 2 6 o0/ 少 o/ 饥加 · m m 一 Z E k/ N · ~ 一 2 4 5 0 2 2 7 . 3 3 . 8 7 8 2 . 2 5 3 5 6 . 3 2 1 4 . 4 8 1 变量 t 爪 辅助操作(=k l) 加料与吹炼 (卜2) 出钢(=k 3) 0 . 4 6 7 司N · m r 以一 2 7 0 80 1 1 0 3 炉 壳残余寿命预测 如上所述 : 炉壳 变形 的主要原 因 是高温蠕 变 . 因此炉 壳寿命预 测的主要判据 就是炉壳材 料 的蠕变规 律 . .3 1 炉壳材料蠕变性能实验 试件包括 新 、 旧 炉壳材料 2 种 , 试验按 G B 一2 03 9一80 执行 . 试 验设备采 用德 国 Z S T 蠕 变 试验机 , 祛码 加载 . 控 温系统采 用 T A, 0 9 1 温度 调节器调整加热功率 , 温度控制精度可达 .0 5% 变形测量采 用长春材料研究所研 制的差动变压 器加 电位放大器及 X 一 Y 记录仪 , 系统测量精 度 为 0 . 1% , 并伴 有数字电压表定时测取位移读数 . 根 据炉壳工矿分析数据 , 实验温度为 4 50 ℃ , 蠕变应力选在 2 20 一 140 N rI/ im Z , 低于材料屈服限 . S M 4 1C N 炉壳材 料蠕变实验结 果见表 3 . 实验结 果可 以看 出 , 由于旧材料在长期使用过程中已积 累了 一定 的 内部损伤 , 断裂 寿命明显低于新材 料 . 从表 中的数据可 以看 出 , 随着实验应力 的降 低 , 新 旧 材料 的断裂 寿命之 比 约为 2 . 因此可 以认 为炉壳材料 的使 用期 已超过 自身蠕变寿命 的 5 0% . .3 2 炉壳材料蠕变寿命预测 ( l) 应力 外推法 . 大量 的实验 结果表 明 , 蠕 变应力 、 材料断裂 寿命和达 到一定形变量 的时 间之 间满足下列关系 : t = A x a a ( 3 ) 式 中 , t 为材料在一 定的温度下达 到规定形变量 或断裂 所需 的时间 ; 。 为蠕变应力 ; A 和a 分别为 所对应 的 2 个材料 常数 . 利用 蠕变实验结果 回

VoL.23 No.1 史小路等：宝钢300t转炉炉壳寿命预测 ·61 表3SM41CN新、旧料蠕变实验结果 Table 3 Creep-test result of SM41CNN t/h Is%/h 8% o/N.mm-1 旧料 新料 旧料 新料 旧料 新料 220 37.83 130 10 92.3 31.00 31 200 74.73 216 16 168.6 32.32 24 180 256.6 581 85 440 39.00 22 160 927.1 米 250 米 39.66 140 1836 589 米 39.00 注：*实验结束时未断 归得出材料常数，就可外推到不同应力条件下 从材料的蠕变曲线可以看出，当形变量超 的蠕变寿命， 过5%以后，形变速率逐渐加快.为安全起见，炉 (2)0-Concept Project方法：外推法只利用 壳形变量达到5%时，就应该停止使用.表6列 了材料蠕变过程的最后结果，而蠕变过程中的 出了0-Concept Project方法、应力外推法预测的 大量信息没有充分利用.因此，应力外推方法预 旧炉壳材料450℃条件下，蠕变变形量达到5% 测寿命时有很多局限性.近年来，英国国家物理 时间. 实验室的Evans R W等人发展起一种称之为0- 表4修正的0-Concept Project系数 Concept Project的蠕变数据处理方法.由于充分 Table 4 Coefficient of 0-Concept Project 利用到蠕变曲线的所有信息，用最长试验点为 o/N.mm2 B a 3个月的实验数据，有效外推30年蠕变寿命，得 22 4.32573×1039.7133×102.089563×10 20 2.61018×1038.3141×105.486998×103 到广泛的应用. 18 5.26790×106.6431×102.179163×102 修正的0-Concept Project方法采用下述方 16 2.20026×105.7225×106.511800×103 程描述蠕变应变随时间变化的进程： 14 3.23900×104.8170×103.078270x103 8=At+B(ea-1) (4) 其中：A,B和a是与材料、温度和应力有关的系 表5系数a,和b, 数.当温度恒定时，参数A,B,a的对数和蠕变应 Table 5 coefficients a,and b 力呈线性关系，即： 8 a logA=a:+bio 1时81=A -8.11246146 0.268318857 logB=az+bzo (5) =2时02=B -3.86028459 0.038570475 loga=as+b3a =3时8a -5.79028129 0.229456449 若能确定材料的a,b(=1,2,3)系数，利用式 (4)和式（⑤）就可预测确定某一应力条件下的蠕 表6旧炉壳材料蠕变寿命预测结果 变变形曲线. Table 6 Creep-life prediction for used SM41CN 采用公式(4)描述蠕变变形曲线，首先要确 a/MPa 参数 108 98 定各种应力下的系数A,B,a.设计一个式(4)与实 887868 t点外h 73701845550913158304572825 验数据相比较的函数： 680010000190003300058500 2=(ea-Ea）2 (6) 其中，8为实测蠕变值，m为参加回归数据点的 2种外推方法所得结果的总趋势是一致的. 数目.通过搜索其最小值条件的方法，可确定相 应力外推法作远程（超过实验最长时间的3~10 应应力条件下的A,B,a系数.再通过A,B,a系数 倍)预测时会有一定的误差.而修正的-Concept 与应力的关系即可回归出系数a,b.根据实验 Project方法是一种偏于安全的处理方法， 确定的A,B,a系数见表4，回归出的材料常数a, 33炉壳残余使用寿命预测 b,结果见表5.图3显示回归曲线和实测值非常 炉壳在生产过程中的负荷情况是变化的， 吻合.图4为450℃不同应力条件下，推算的 采用蠕变实验结果预测炉壳残余使用寿命时， SM41CN炉壳材料蠕变曲线. 应根据转炉生产实际负荷做适当的修正，以变

V bl 一 23 N O 一 1 史小路等 : 宝钢 3 O0t 转炉 炉壳寿命预 测 . 6 1 . 表 3 S M 4 1C N 新 、 l日料蝠变 实验结果 几b le 3 C re P 一 t es t 谧 u lt Of S M 4 1C N N a /N · m m 一2 t 瓜 乙% 爪 占肠 旧料 3124 ** 032“o , `,1 9 0 了O 内,JJ 产I 内J 飞 j ù :.(0 .924168 * 85106 250589 37 . 8 3 7 4 . 7 3 25 6 . 6 92 7 . 1 1 836 新料 1 3 0 2 1 6 5 8 1 旧 料 新料 旧料 新料 0 ǐ 1 气乙八 ù ù`, ,, “ù乙U4R 1IL ` l 注: * 实验结束时未 断 归得 出材 料常数 , 就可外 推到不 同应力 条件下 的蠕 变寿命 . (2 e) 一 C ocn etP rP oj e ot 方法 : 外推法 只利用 了材料蠕 变过 程 的最后 结果 , 而蠕变过程 中的 大量信息没有充分 利用 . 因 此 ,应力外推方法 预 测寿命时有很 多局 限性 . 近年来 , 英 国国家 物理 实验室的 E van s R W 等人发展起 一种称之 为e 一 C on c etP rP oj ec t 的蠕 变数据处理 方法 . 由于充分 利用 到蠕变 曲线 的所有信 息 , 用最 长试验点为 3 个 月的实验 数据 , 有效外推 30 年蠕变寿命 , 得 到广 泛的应用 口 .l4 修正 的e 一 C on ce tP p r oj e t 方法采用 下述方 程描述蠕 变应变 随时间变化 的进 程: 。 = A+t B ( e “ 一 1) (4 ) 其 中 : A刀和 a 是 与材料 、 温度 和应力 有关 的系 数 . 当温度 恒定时 , 参数A 刀 ,a 的 对数和蠕 变应 力呈 线性关 系 , 即 : fl o 叫 = a , + b l a 弓10 它B = 汤 + b , 叮 ( 5 ) tl o g a = 伪 + b 3 a 若能确定材料的场 , b , (=1 1 , 2 ,3) 系数 , 利用式 (4 ) 和式 (5 ) 就 可预测确定某 一应力条件 下 的蠕 变变形 曲线 . 采用公式 (4 )描述 蠕变变形 曲线 , 首先要确 定各种应力下 的系数 A刀 ,a . 设计一个 式侈)与实 验数据相 比较 的 函数 : Q 二 X (匆 , ’a) 一 eB,) ’ ( 6 ) 产 1 其 中八 为实测蠕 变值 , m 为参加 回归数据 点的 数 目 . 通过搜索其最小值条件的方法 , 可确定相 应应力条件下 的 A , B, a 系数 . 再 通过 A , B, a 系数 与应力的关系 即 可回 归 出系数 al , 八 . 根据实验 确定的 A, B, a 系数见 表 4 , 回归 出的材 料常数 al, 八结果见表 5 . 图 3显示 回归 曲线和 实 测值 非常 吻合 . 图 4 为 4 50 ℃ 不 同应 力条 件下 , 推 算的 s M 41 C N 炉壳材 料蠕变 曲线 . 从材料 的蠕变 曲线 可 以看 出 , 当形变量超 过 5% 以后 , 形变速率逐渐加快 . 为安全起见 , 炉 壳 形变量达 到 5% 时 , 就应该停 止使用 . 表 6 列 出了e 一 C on ce tP P r oj e t 方法 、 应力外 推法预测 的 旧 炉壳材料 4 50 ℃ 条件下 , 蠕变变形量达 到 5% 时 间 . 表 4 修正的e 一 C on c eP t P orj ec t 系数 aT b l e 4 C o e if e i e n t o f o 一 C o n e e P t P erj ect 司N · r n r。 一 2 A B a 22 4 . 3 2 5 7 3 x l 0 刁 9 . 7 1 3 3 x 1 0 碑 2 . 0 89 5 63 x l 0 一 , 20 2 . 6 1 0 1 8 x l 0 · 3 8 . 3 1 4 l x l o 一 5 . 4 86 99 8 x l’0 2 18 5 . 2 6 7 90 x l 0 礴 6 . 64 3 l x l o 礴 2 . 1 79 163 x l o -2 16 2 . 2 0 0 2 6 x 10 礴 5 . 7 2 2 s x l 0 ) 6 . 5 11 8 00 x l 0 ) 14 3 . 2 3 9 00 x 10 .3 4 . 8 1 7 0 x l 0 碑 3 . 07 8 2 7 0 x 10 .3 表 5 系数 a ` 和 b l aT b l e 5 e o e if e i e n t s a ` a n d b ` 叹 a , b ` 时夕, = A 时氏 = B 时丛 节a 一 8 . 1 1 2 4 6 1 4 6 一 3 . 86 0 2 8 4 5 9 一 5 . 7 9 0 2 8 1 2 9 0 . 26 8 3 18 8 5 7 0 . 03 8 5 7 0 4 7 5 0 . 22 9 4 5 6 科 9 ==112=13 表 6 旧炉 壳材料蠕变寿命预测结果 aT b le 6 C er P . 】衫笼 P er id e iot n fo r u s e d S M 4 1C N 参数 屏M P a 8 8 I U匕 夕8 8 8 7 8 68 - - 一- ~ 一 一 - ~ - 一 - 叫 - 一 - . - 一 - - ~ 一 -一 - - ~ - - 一一 . - . 一 - 一 1 0 8 9 8 8 8 7 R ` R 脸州月1 九 7 3 7 0 6 8 0 0 1 84 5 5 50 9 1 3 15 83 04 5 7 2 825 10 0 0 0 1 90 00 33 00 0 5 8 5 0 0 2 种外推方法所得结果 的总趋 势是一致的 . 应力外 推法作远程 (超过实验 最长时 间的 3 一 10 倍)预测时会有一定 的误差 . 而修正的 e一 c on c etP Porj ec t 方法是 一种偏 于安 全的处理方法 . .3 3 炉壳残余使用 寿命预测 炉 壳在 生产 过程 中的负荷 情况是 变化 的 , 采用蠕 变实 验结果 预测炉壳残 余使用 寿命时 , 应根据转炉 生产实 际负荷做适 当的修正 . 以变

·62 北京科技大学学报 2001年第1期 0.50 SM41C450℃ 量与蠕变时间的比值. 。20N/mm2 以变形最严重的炉身部位为例，采用- 0.40 。18N/mm2 Concept Project方法按式(T)预测的炉壳残余寿 。16N/mm2 命大于2.6×10h,使用寿命超过3年这一结论成 0.30 14 N/mm 为宝钢最终更换炉壳的重要依据， 0.20 4 结语 0.10 对炉壳的测试及分析结果表明： 0.00 (1)炉壳变形的主要原因是其材料的高温蠕 0.5 1.0 1.5 2.0 变；(2)膨胀变形的直接动力是炉壳、炉衬变形不 t/10h 协调产生的环向拉伸应力；(3)可以通过炉体取 图3回归曲线和实测值的比较 样进行蠕变性能测试的方法预测炉壳的残余使 Fig.3 Comparing creep test data 用寿命。 0.60 SM41C450℃ 根据本研究对炉壳寿命的预测结果，宝钢 11 N/mm2 0.50 适当安排了转炉炼钢生产与炉壳维护、更换计 10 N/mm2 ●9N/mm2 划.保证了企业的稳产高产和设备安全，获得了 0.40 ·8N/mm2 显著的经济效益.生产实践证明：本文采用的转 7 N/mm 0.30 炉炉壳残余寿命预测方法是可行的，预测结果 也是可信的 0.20 参考文献 0.10 1秦勤，史小路，田毅盛.宝钢300t转炉变形测试研究. 0.00 冶金设备，19994)：1 0 46810.12 2 Xu Lejiang,Zou Jiaxiang.The Study of Shell Deforma- t/10h tion of the Application of Deformation-Control Technol- 图4SM41CN旧材料预测蠕变曲线 ogy on 300t BOF of Baoshan Steel.AISE 1999 Annual Fig.4 Predicted creep curves of SM4(used)with regression Convention (CD-99-029),1999.9 形量达到5%为安全警戒线，炉壳残余使用寿命 3 Evans R W,Parker J D,Wilshire W.Recent Advance in t可按下式计算： Creep and Fracture of Engineering Materials and Structu- t.=0.05/4 (7) res.Wilshire B,Owen D R J eds:Pineridge Pineridge Pre- 其中，-亡为等效蟠变速度，代表工况排 s5,1982.135 4 Evans R W,Wilshire B.Creep of Metals and Alloys.Lon- 序（见表1）；为第k种工况的作业时间；y:为相 don:Institute of Metals,1985 应应力条件下的平均蠕变速率，近似取5%变形 Prediction of Surplus-life for Shell of Bao Steel 300t BOF SHI Xiaolu,GUO Hong",ZOU Jiaciang",CHEN Ping,HUANG Miaolu,WANG Jianyao 1)Mechanical Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Baoshan Iron Steel Group Corp,Shanghai 200941,China ABSTRACT The obvious deformation occurred in shell of Bao Steel 300 tone BOF turned into a serious dan- ger for safety production.A series of studies were carried out for determining the reason of the deformation such as finite element analysis for stress of the shell and creep test,etc.By means of these studies,the surplus-life of the shell was predicted successfully. KEYWORD shell of BOF;creep;surplus-life prediction

北 京 科 技 大 学 学 报 20 1 年 第 1期 0 . 5 0 0 . 4 0 0 . 30 S M4 l C 4 50 . 20 N八n m Z 一 18 N /m m Z . 16 N Zm m Z . 14 N / m m Z 量 与蠕变 时间的 比值 . 以 变 形 最严 重 的炉身 部位 为 例 , 采用 e 一 C on c etP p r oj ec t 方 法按式 (7 ) 预测的炉壳残余寿 命大 于 .2 x6 l 了 h , 使用寿命超过 3 年这一结论成 为宝钢最终 更换炉壳 的重要依据 . 句 0 . 2 0 0 . 1 0 0 . 0 0 1 . 0 t / 10 3 h 圈 3 回归 曲线和实测值的比较 F i g · 3 C o m P a ir n g e er P t es t d a at 0 . 6 0 0 . 5 0 S M 4 l C 4 5 0℃ 0 1 1 N /m m Z ` 1 0 N 了m m Z 0 . 2 0 / · g Nm/ 呵 / 竺“ Nm/ m { / “ ’ N m/丫 0 峥月气一、 : nUO 勾 0 . 1 0 0 . 0 (甲. 肠旧邑巴二丘二一一` 一一` 0 2 4 6 8 1 0 12 t / 1 0、 图 4 s M l4 C N 旧材料预测姗变 曲线 F ig . 4 P r e d i e t ed e er P e u vr es o f SM 4 ( u s ed ) iw t h er g er s s i o n 形 量达到 5% 为安全警戒线 , 炉 壳残余使用 寿命 et 可 按下式计算 : t 。 = 0 . 0 5 / 均 一 ( 7 ) 其 中 , v d = 艺 v * t * 艺 t * 为等效蠕 变速度 , k代表工况排 序 (见表 l) ’;t 为第 k 种工况 的作业 时 间 ; v 、 为相 应应力 条件下 的平均 蠕变速率 , 近似取 5% 变形 4 结语 对 炉壳 的测试 及分析结果 表 明 : ( l) 炉壳变形 的主要原 因是其 材料的高温蠕 变 ; (2 )膨胀变形 的直接动力是 炉壳 、 炉衬变形不 协 调产生 的环向拉伸应力 ; (3) 可以 通过炉体取 样进行蠕变性 能测试 的方法 预测 炉壳 的残余使 用 寿命 . 根 据本研究对 炉壳寿命的预测结果 , 宝钢 适 当安排 了转 炉炼钢生 产与炉壳维护 、 更换计 划 . 保证 了企业 的稳产高产和 设备安全 , 获得 了 显著 的经济效益 . 生产实践证 明 : 本文采用 的转 炉炉壳 残余 寿命预测方法是 可行 的 , 预测 结果 也是 可信 的 . 参 考 文 献 1 秦勤 , 史小路 , 田毅盛 . 宝钢 30 0t 转炉 变形测 试研究 . 冶金设备 , 19 9 9(4 ) : 1 2 X u L ej i an g , Z o u Ji ax i an g . hT e S ut dy o f She l l D e fo mr a - ti on o f ht e A P li e at i o n o f D e fo mr at i o n 一 C on otr l eT e hn o l · o gy o n 3 0 0 t B O F o f B ao s h an St e e l . A I S E 1 999 A n n u a l C o n v e n t lon c( D 一 9 9 一 02 9 ) , 19 9 9 , 9 3 vE an s R W, Par k e r J D , 私l s h i er .W eR e e in A dV an e e i n C er eP an d F acr ut r e o f nE g in e ier gn M at e ir a l s an d StrU c tu - r e s . iWl s h ier B , o we n D R J e d s : P in e ir d ge P i n ier dg e rP e - 5 5 , 19 82 . 1 3 5 4 E v an s R W, iW l s ih er B . C er 印 o f M e at l s an d A l loy s . L on - d o n : I n s ti tu t e o f M e at l s , 1 9 85 P r e d i e t i o n o f S u pr l u s 一 life fo r Sh e ll o f B a o S t e e l 3 0 0 t B O F 夕汀 不。 of ul), G〔几g oH心气 Z O U iJ 二 ia 心气 C月百四 . 尸艺月扩气 万乙月刃 G人刃 a 口 l犷气 删刃 G iaJ yn a扩, l )M ce h an i e al nE g in e e r l n g S e h o o l , U S T B e ij in g , B e ij ing 10 0 0 8 3 , C h in a Z ) B ao s h an orI n & S te e l G r o u P C o rp , S h an hg a i 2 0 0 9 4 1 , C h in a A B S T R A C T T h e o b v i o u s de of n n at i o n o e e u r e d in s he ll o f B a o S te e l 3 0 0 t o ne B O F h jr n e d iin o a s e ir o u s d a n - g e r of r s a fe ty Pr o d u c t i o n . A s ier e s o f s tu d l e s w e re e a r r l e d o ut ofr d et e n n i n i n g hte re a s on o f ht e d e of n n at ion s cu h a s if n ite e l em e n t an a ly s i s ofr s tr e s s o f ht e hs e ll an d e re e P te s t , e t e . B y m e an s o f ht e s e s ut d i e s , het s t l rp l u s 一 li fe o f ht e s he ll w a s Pr e d i e t e d s u e e e s s fu lly . K E Y 丫VO R D s h e ll o f B O F : e er e P: s u rp l u s 一 life P r e d i e it on