轉爐設計
煉鋼工藝的過程狀態造成直接觀察到轉爐內所發生的一切幾乎是不可能。目前，還沒有數學模型能完整的描述高溫冶金及流體動力學過程。從轉爐煉鋼誕生開始便不斷的對其進行研究改進，故此對冶金反應的了解更全面。然而，下面的兩個例子清楚地表明還有許多凋研工作要做。
爐底攪拌風口的位置仍有待優化。這些風口對鋼水提供更好的攪拌效果，更快的降低碳含量，應該能縮短冶煉周期。然而，今天風口的最佳位置和數量是建立在經驗的基礎上。為了更深人的了解，國外有人在2000年進行了調研工作，很快發現，高溫流體動力學過程的描述是非常復雜的，而且只有進行許多假設才可行，例如，只能近似的描述氣泡及它們與鋼水的反應。
對吹煉過程中轉爐擺動的數學描述仍需要詳細闡述，尤其是那些底吹或側吹工藝，它們的搖動非常劇烈。這些震動是由自發過程引起。吹氧過程中引入的能量促使該系統以極低的艾根頻率擺動，通常為0，5—2．0Hz。能夠描述這種非線性化學／力學上的流體動力學系統的數學模型的發掘工作還沒有完成。
轉爐爐殼
在轉爐的機械部分中，容納鋼水的是內襯耐火材料的爐殼。這些耐火材料表現出復雜的非線性的熱粘彈縮性行為。與鋼殼非線性接觸。人們對鋼殼自身的行為或多或少的了解一些，描述這種隨溫度而變化的彈塑性材料及它的蠕變效應是可能。然而，鋼殼與耐火材料間的相互作用仍然有許多未知的東西。轉爐設計更大程度上被視為藝術而不是科學，然而，經驗的積累、材料的改進及計算機技術的應用都有助于更好的理解、設計這個機構。
在優化爐殼設計方面存在幾個標準。最重要的一個是耐火材料所包圍的內容積。為了擁有最大的反應空間，實現最佳的冶金過程，這個容積應該在可用空間范圍內達到最大化。在進行比較時使用反應空間與鋼水質量的比值，這個比值一般為近似1．0m3／t。然而，因不斷地追求以最低的投資提高煉鋼設備的生產率，導致鋼廠在保持原有爐殼不變的情況下加大了裝入量，這就降低了這個比值。其后果是嚴重的噴濺——傾向于爐容比降到0．7-0．8m3／t時發生。今天，轉爐本體的形狀，即上下錐角、徑高比等由煉鋼者決定，或者由現有裝備確定，如煙氣系統、傾轉軸高度、傾動驅動等。因此，在設計新爐時，只有少量的參數可以改動。
現代轉爐由帶有爐頭鐵圈的上部錐體、桶狀爐身和采用碟形底的下部錐體構成。近幾年．拆掉了上下錐與爐身之間、下錐與爐底之間的關節構件。生產經驗表明，這些區域的應力沒有最初設想的那么嚴重，可以通過使用優質爐殼材料解決，故上述做法是可行的。
爐殼設計準則
設計過程的一個重要步驟是爐殼結構校驗，即應力與變形計算，并與所允許極限值進行比較。像轉爐這樣的冶金容器，其設計無需滿足特定的標準。在轉爐設計藝術的演變歷程中，最初的爐殼設計參照了鍋爐和壓力容器的設計標準。依此設計的產品的成功投產表明了這些標準也適用于煉鋼生產實踐。然而，轉爐畢竟不是壓力容器，其內部壓力來源于耐火材料的熱膨脹，而不是鍋爐中的液體或者氣體，而且，諸如裂紋等破損也不會導致像高壓容器那樣發生爆炸。這也是為什么轉爐的設計沒有完全遵循壓力容器設計標準的所在。
爐殼厚度
傳統壓力容器壁厚度的選取主要以內部壓力為依據。然而，在轉爐上，這個壓力是不能確切計算的，其原因是由耐火材料與爐殼之間的作用和生產操作兩方面因素確定的。在決定爐殼厚度時，其它載荷、因素也要考慮在內，主要包括：因設備、耐火材料和鋼水重量引起的機械載荷；爐殼與耐火材料襯相互作用產生的內部壓力，即二次壓力；由外力，如動態質量效應、兌鐵水、加廢鋼、出鋼等造成的機械載荷；爐殼上的溫度與溫度梯度；爐殼在溫度作用下變形，在懸掛系統上引起機械載荷；因爐殼、懸掛系統溫度分布不均，使爐殼產生二次應力。
AISE的第32小組委員會曾試圖給出一個簡單的“菜譜”程式來計算爐殼厚度。但有的研究表明，在確定爐殼厚度方面，定義一個簡單的程式或者準則是不可能。這些準則在已經證實的基礎上可以用來確定爐殼，然而，引入的力，例如來自懸掛系統的力，必須用有限元法進行詳盡地計算。國外開發的懸掛系統是靜定的，因此該系統內的所有載荷均能精確計算。這個特征的優點是能非常準確地計算出局部應力和變形。
轉爐壽命
世界經驗表明，因長期的變形，轉爐壽命是有限的。當爐殼碰到托圈時轉爐便走到了終點，通常是20～25a。這個變形是由蠕變引起的。蠕變是高溫環境下(>350℃)材料的典型行為。蠕變變形與溫度、應力水平和所用材料有關。只有有限的幾種可行方法能延長轉爐壽命，如冷卻爐殼、材料選擇和生產操作等。
冷卻系統
原則上，設備的強制冷卻并不是絕對必要的，自然通風冷卻已經足夠了。許多實際應用證明了這一點。然而，強制冷卻降低了設備溫度，對減輕蠕變變形有積極的效果，從而延長了耐火材料的壽命，保證了在生產溫度下有更高的屈服強度。一些鋼廠對轉爐殼應用了冷卻系統，如水冷、強制通風、復合氣水冷卻(氣霧冷卻)等。最有效的冷卻手段是水冷。
最初，爐殼材料主要選用耐高溫的壓力容器鋼。為了承受許多未知的載荷與應力，尤其偏重細晶粒鋼。這種鋼材屈服強度比較低，但在屈服點以亡有相當高的應變硬化容量。其優點是，當發生過載時，會有足夠的過余強度，甚至在出現裂紋時也不會發生脆性裂紋擴，裂紋要么終止發展，要么以非常緩慢的速度生長。爐殼用鋼一般選用A516Cr．60、Aldur41、Altherm4l、WStE285、WStE355、P275NH、P355NH等。
這個原則對新轉爐仍然是有效的，但最近的10—15年內，由于使用了鎂碳磚、濺渣護爐技術等，爐襯壽命延長。這些變化導致爐殼溫度上升，促進了蠕變效應，致使爐殼壽命縮短。為了抵消蠕變效應，更多的選用了抗蠕變材料，如A204Cn60、16M03、A387Cn11、A387Cr．22、13CrM044等。不利的因素是這些鋼材具有昔通晶粒尺寸，且焊接困難。
懸掛系統是轉爐的一個重要零部件。理想的懸掛系統不應該影響爐殼的行為，生產中無須維護。在過去的數年中開發出了許多不同的轉爐懸掛系統。最初，托圈與轉爐是一體的，但很快就分開了。各種懸掛系統的原理基礎是不同的，例如，日本采用剛性系統，與“自由轉爐”對立。剛性托圈抑制了爐殼的變形，但對熱膨脹的任何約束都會產生非常高的應力，增加了爐殼產生裂紋的機會。
要允許轉爐膨脹或者變形，且托圈不能制造附加應力，這就要求將懸掛系統設計成靜定的。根據這一原理，VAI開發了一系列轉爐懸掛系統，如托架系統、VAI-CONDisk、VAI-CONLink、VM-CONQuick等。VM-CONLink是一個無需維護的懸掛系統，它的設計獲得了良好的應用反饋。一個典型的應用是巴西保利斯塔黑色冶金公司的160t轉爐。其尺寸參數為：鋼水量160t、容積160m3、爐容比1．0m3／t、轉爐高8920mm、爐身部爐殼厚度70mm、底錐厚度55mm、碟形底厚度55mm、轉爐外徑7300mm。爐殼材質為Mo合金鋼16Mo3(相當于ASTMA204GrB)。托圈采用箱型截面焊接結構，與爐殼間隙250mm，以便與爐身空冷板組裝在一起。上錐裝備了已經被充分驗證的水冷系統。這兩個冷卻系統主要是延長耐火爐襯的壽命，同時也冷卻爐殼。該轉爐采用了VAI-CONLink懸掛系統。出于冶金上的原因，爐殼上裝備了6個爐底攪拌風口。
轉爐技術
與轉爐設計一道，現代先進的轉爐技術包括：
*使用惰性氣體的爐底攪拌和少渣操作改善了冶金過程；
*大量的二次冶金并入了轉爐技術中；
*計算機工藝自動化及相關傳感器技術提高了質量、生產效率、生產安全性，降低了生產成本；
*用于設備平穩操作的工具、裝備，易維護性，以及壽命延長的耐材；
*提高廢棄物環境兼容性的系統。
轉爐技術繼續深入開發的目標是改進工藝的經濟性，即優化物流和設備操作，優化工藝技術。工藝技術的優化不是簡單的局限于目標分析、目標溫度的確定和添加材料的選擇，他還包括生產操作，如氧槍操作的槍位和吹煉模式、副槍的浸沒時間與深度、添加系統的添加模式、爐底攪拌系統的攪拌模式等。所有這些都必須在設備投產前標準化，在試車調試中針對所生產的鋼種進行優化。
動態工藝控制需要副槍系統和放散煤氣分析。副槍系統測量溫度、含碳量和熔池液面位置，在煉鋼過程中取樣。因此，在吹煉中實現測量時可能的，也不會損失生產時間。副槍系統是完全自動化的，測量探針能在90s內能完成更換。近幾年在工藝自動化領域里的發展是使用Dynacon系統實現了完全的動態控制。該系統通過連續的煤氣分析，實現從吹煉起點到吹煉終點的煉鋼過程控制。
擋渣器的作用是降低盛鋼桶的爐渣攜帶量。擋渣操作降低了脫氧材料的消耗，尤其是在生產低碳鋼種時。另一個特點是在二次冶金中需要鋼包渣脫硫，擋渣操作也能降低鋼包渣添加劑的用量。同時，也避免了盛鋼桶的除渣操作和溫度損失。二次冶金需要的鋼包渣就這樣在轉爐出鋼過程中形成了。
根據經驗，當不使用擋渣器時，出鋼時的爐渣攜帶量為10-14kg／t鋼，在采用擋渣后，爐渣攜帶量降低到了3-5kg／t鋼的水平。與爐渣感應器配合使用，爐渣攜帶量可穩定地控制在2、3kg／t鋼的范圍內。它的另一個優點是降低了磷含量，從大約30ppm降到了10ppm。因此，磷含量不合格的爐次減少了。
鑒于底吹轉爐改進的冶金效果，如OBM／Q-BOP、K-OBM等，決定開發頂吹轉爐的爐底惰性氣體攪拌技術。該系統應該利用底吹的優點，同時要避免爐役中期更換爐底的缺點。以奧鋼聯第三轉爐廠為例，當1650℃無攪拌條件下，吹煉終點碳含量0，035％[C]×ao的平均值為0．0033，當采用噸鋼流量為0．08Nm3／min的底吹攪拌時，這個值降低到了0．0023。如果不采用底吹攪拌，大約有1％的鐵損，石灰消耗增加約25％。假定鋼包中爐渣攜帶量12kg．／t鋼(無擋渣)，則噸鋼鋁消耗量增加0．7kg。而且，相應的，轉爐渣量越大，也越能消耗耐火材料。在沒有底吹攪拌的BOF轉爐上，吹煉終點碳達到0．035％是不經濟的，碳含量一般限定在0．045％～0．050％范圍內。
物流優化和路徑算法是專門為鋼廠和生產設備的布置而設計的，用來尋找最佳的配置。用戶友好型界面和標準化輸出使其成為一個非常好用的工具，能夠優化、模擬任何鋼廠的配置，允許用戶測試多種不同的布局和工藝選擇方案。它使用戶能夠找到在生產時間管理、維護、附屬設備產能等方面的最佳的解決方案。
為了確定不同鋼種最經濟的生產方式和使用不同的生產設備，就需要長期的經驗積累和大量的計算，來比較各種可供選擇的辦法。計算機輔助工具，比如煉鋼專家系統，對于進行這種計算是必需的。這種工具可以應用到整個生產線中。
總結
鋼鐵生產企業在成本和質量方面的壓力一度增長，現在對生產靈活性、縮短交貨時間等方面又有廠高度需求。自從氧氣煉鋼產生以來，轉爐便成為不斷改進的焦點，期望延長壽命，增加裝入量，降低維護等。對于實現長壽，轉爐懸掛系統是絕對重要的。
為了生產優質鋼，為了提高工藝的經濟性，開了諸如副槍、擋渣器和爐底攪拌等零部件和自動化系統。對工藝技術的不斷改進與標準化，這些零部件的應用，對工廠物流的研究以及成本優化等，這些都是鋼鐵生產企業有效的工具。這些工具對在生產成本與利潤方面的競爭作出了頗有價值的貢獻。
