高棒車間加熱制度的優(yōu)化

摘 要：本文主要通過(guò)分析鋼坯在爐內(nèi)氧化鐵皮的形成機(jī)理，分析找出影響鋼坯產(chǎn)生氧化燒損的主要因素，提出利用控制加熱爐爐內(nèi)氣氛、降低加熱爐的最高爐溫和降低鋼坯的加熱時(shí)間等方法來(lái)減少鋼坯在爐內(nèi)的氧化燒損。結(jié)合高棒車間投產(chǎn)初期加熱爐爐溫控制所存在的問(wèn)題，優(yōu)化得到高棒車間的加熱制度，并嚴(yán)格控制加熱爐各段的空氣過(guò)量系數(shù)，確實(shí)有效的降低高棒車間加熱爐的氧化燒損。同時(shí)制定HRB500E加釩鋼種的加熱制度。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化加熱制度 控制爐內(nèi)氣氛 釩碳氮化合物 降低氧化燒損

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）07（b）-0106-02

福建三安軋鋼廠于2012年5月建成年產(chǎn)70萬(wàn)噸高速棒材生產(chǎn)線。高棒車間加熱爐爐內(nèi)有效長(zhǎng)度為22 m、寬度為12.7 m，以純高爐煤氣作為燃料，額定加熱能力為130 t/h，加熱鋼種以碳素結(jié)構(gòu)鋼（HRB335E、HRB400E）為主。分三段分側(cè)集中控制換向。高爐煤氣中可燃?xì)怏wCO的含量約占30%，不可燃?xì)怏wCO2、N2約占70%。以轉(zhuǎn)爐煤氣（CO含量約60%）相比，高爐煤氣熱值較低約為800×4.186 kJ/m3，所以高棒加熱爐采用左右結(jié)構(gòu)的雙蓄熱式燒嘴，空、煤氣的預(yù)熱溫度可達(dá)900℃～1050℃，有效提高了燃料的利用系數(shù)。鋼坯在高溫加熱過(guò)程中表面金屬會(huì)與爐氣中的氧化性氣體發(fā)生氧化反應(yīng)導(dǎo)致鋼坯氧化燒損，解決這個(gè)問(wèn)題不僅會(huì)減少單位成品的金屬消耗，還能節(jié)約能源、降低成本。故而根據(jù)生產(chǎn)線的軋制節(jié)奏制定出較為合理的加熱制度，是降低鋼坯在加熱爐爐內(nèi)產(chǎn)生氧化燒損的唯一可行性方案。根據(jù)公司生產(chǎn)高級(jí)別鋼種要求，對(duì)HRB500E加釩鋼種的加熱制度進(jìn)行制定。

1 存在的問(wèn)題

高棒車間建成投產(chǎn)半年后，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和各種規(guī)格的生產(chǎn)節(jié)奏趨于穩(wěn)定。但是，加熱爐在2012年近半年的使用中，逐漸暴露出加熱制度不夠完善的缺點(diǎn)。如：各段爐溫控制不夠合理、鋼坯沿長(zhǎng)度方向上的溫差較大、總體氧化燒損量偏高、面對(duì)新的高級(jí)別鋼種（HRB500E加釩）需要制定相應(yīng)的加熱等等。

2 優(yōu)化措施

2.1 優(yōu)化加熱制度，降低氧化燒損。

2.1.1 氧化鐵皮的形成

鋼坯的氧化是由爐氣中的氧元素與鐵元素在相反方向擴(kuò)散的結(jié)果，即爐氣中的氧原子通過(guò)鋼料表面向鋼料內(nèi)部擴(kuò)散，而鐵離子則由鋼料內(nèi)部向外部擴(kuò)散。當(dāng)兩種元素相遇，在一定條件下起化學(xué)反應(yīng)生成氧化物，此氧化物由內(nèi)到外的組成成分為FeO、Fe3O4和Fe2O3。

2.1.2 鋼坯氧化燒損的分析

影響鋼坯的氧化主要因素有：爐內(nèi)氣氛、鋼坯的加熱溫度和鋼坯的加熱時(shí)間。其中爐內(nèi)氣氛和加熱溫度可根據(jù)制度調(diào)整；鋼坯的加熱時(shí)間由軋線上各種規(guī)格的生產(chǎn)節(jié)奏決定。但也可根據(jù)各個(gè)規(guī)格的生產(chǎn)節(jié)奏的快慢來(lái)控制加熱爐的爐溫高低，既保證鋼坯的加熱質(zhì)量又最大限度降低了鋼坯的氧化燒損。

（1）爐內(nèi)氣氛對(duì)氧化燒損的影響。

使用高爐煤氣的加熱爐，爐氣會(huì)含有O2，CO2，CO，N2、H2O，H2，CH4等，這些氣體與鋼坯的化學(xué)反應(yīng)也各有不同。O2在任何溫度、任何濃度下均可以使鋼坯氧化。CO具有還原性。CO燃燒生成CO2，CO2在高溫環(huán)境下可與Fe、FeO反應(yīng)分別生產(chǎn)FeO、CO和Fe3O4、CO，而且此反應(yīng)過(guò)程為可逆反應(yīng)。CO在一定的條件下可發(fā)生逆向反應(yīng)即FeO、Fe3O4被還原的過(guò)程。減少氧化燒損須防止?fàn)t內(nèi)氧氣過(guò)剩，嚴(yán)格控制加熱爐的空燃比，在保證完全燃燒的條件下а減到最小。

（2）爐溫對(duì)氧化燒損的影響。

鋼坯的加熱溫度是指在加熱爐加熱的鋼坯出爐前的表面溫度（即出鋼溫度）。一般加熱溫度越高，金屬的塑性變好，加工時(shí)變形阻力小，軋機(jī)上的下壓力和電耗就小。但溫度過(guò)高，會(huì)使奧氏體晶粒粗大，影響成品的綜合力學(xué)性能，也增加加熱爐的燃料消耗。而且，從氧化鐵皮的產(chǎn)生機(jī)理來(lái)看：溫度升高后，鐵元素和氧原子的擴(kuò)散速度加快，氧化速度也會(huì)加快，如圖1所示。所以鋼坯的出鋼溫度既要滿足鋼坯在軋線上的工藝要求，又不能太高，以盡量減少鋼坯的氧化燒損量。

（3）加熱時(shí)間對(duì)氧化燒損的影響。

鋼坯的加熱時(shí)間一般可分為：實(shí)際加熱時(shí)間和保溫時(shí)間。實(shí)際加熱時(shí)間是指鋼坯從入爐加熱到給定溫度的時(shí)間，加熱爐的給定溫度和鋼坯的入爐溫度越高，鋼坯的實(shí)際加熱時(shí)間越短；保溫時(shí)間是指鋼坯加熱到給定溫度到鋼坯出爐的時(shí)間，軋制節(jié)奏越慢鋼坯的保溫時(shí)間越長(zhǎng)。如圖1，鋼坯在同一溫度下，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，鋼坯的氧化燒損越多。要降低鋼坯的氧化燒損就要縮短鋼坯的實(shí)際加熱時(shí)間和降低鋼坯在保溫時(shí)間內(nèi)的爐溫。爐膛溫度和鋼坯表面溫度差距越大，鋼坯的接收熱流能力越強(qiáng)（即鋼坯的實(shí)際加熱時(shí)間越短），鋼坯的最大接收熱流的能力是在鋼坯開(kāi)始加熱時(shí)，所以應(yīng)在允許的范圍內(nèi)盡量提高加熱爐的預(yù)熱段和加熱段的爐溫。降低鋼坯在保溫時(shí)間內(nèi)的爐溫則應(yīng)降低加熱爐均熱段的爐溫，但也不能太低而應(yīng)略高于鋼坯開(kāi)軋溫度。

2.1.3 熱送熱裝節(jié)能降耗

高棒車間從連鑄熱送入爐的平均溫度可達(dá)500 ℃；從棒、線車間下翻轉(zhuǎn)冷床熱裝入爐平均溫度也可達(dá)到400 ℃。假定在加熱爐中加熱段的最高溫度為1050 ℃，而室溫下的鋼坯表面溫度為20 ℃，經(jīng)理論計(jì)算可得鋼坯從20 ℃加熱到最高溫度1050 ℃所需要的煤氣耗為290.85 m3/t（加熱爐熱效率按60%計(jì)）。連鑄熱送坯所需的煤氣耗為174.76 m3/t（熱效率按60%計(jì)），煤氣節(jié)約率為40%左右。棒、線熱送坯所需的煤氣耗為200.8 m3/t（熱效率按60%計(jì)），煤氣節(jié)約率為30%左右。所以熱送坯的平均入爐溫度若保證在400 ℃，那么熱裝熱送，可縮短加熱周期，也可節(jié)省經(jīng)濟(jì)費(fèi)用。更關(guān)鍵的是縮短加熱周期，就可降低加熱段的溫度，從而進(jìn)一步降低氧化燒損。

2.1.4 高棒車間加熱制度的優(yōu)化

根據(jù)以上的理論分析我們可以得到結(jié)論是以下幾點(diǎn)。

（1）嚴(yán)格控制加熱爐的爐內(nèi)氣氛，爐內(nèi)均熱段的空氣過(guò)量系數(shù)а應(yīng)控制在0.95～1.0之間，保證均熱段的爐內(nèi)氣氛為微還原氣氛。而加熱段和預(yù)熱段的空氣過(guò)量系數(shù)在1.0～1.1之間，使?fàn)t內(nèi)煤氣和均熱段剩余的煤氣充分燃燒得到最大熱量。

（2）嚴(yán)格控制加熱爐各段爐溫，均熱段爐溫應(yīng)控制在略高于軋線工藝要求的開(kāi)軋溫度1000 ℃±20 ℃，加熱段應(yīng)高于均熱段溫度，便于鋼坯更好更快的加熱到工藝要求的鋼溫。

（3）根據(jù)不同的軋制速度，應(yīng)設(shè)定不同加熱段的溫度，以減少鋼坯在高溫區(qū)域停留的時(shí)間。

（4）盡量提高鋼坯的熱裝率，以減少鋼坯的實(shí)際加熱時(shí)間和降低煤氣消耗。

根據(jù)以上結(jié)論結(jié)合高棒車間各個(gè)規(guī)格的軋制節(jié)奏，對(duì)高棒車間加熱爐的爐溫進(jìn)行優(yōu)化如表1、表2。

由以上表格可以看出，高棒車間的加熱制度根據(jù)軋制節(jié)奏的不同，參照原來(lái)的加熱制度對(duì)加熱爐各段爐溫進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)軋制節(jié)奏的快慢，對(duì)加熱爐三段爐溫進(jìn)行下調(diào)10℃～20℃。對(duì)于冷熱坯，均熱段爐溫不做下調(diào)處理，相應(yīng)提高了預(yù)熱段的爐溫和降低加熱段爐溫。并且為降低氧化燒損規(guī)定了各段的空氣過(guò)量系數(shù)，保證鋼坯在出爐前處于還原氣氛的爐氣當(dāng)中。

2.1.5 制度優(yōu)化后的效果

從2013年1月高棒車間嚴(yán)格執(zhí)行優(yōu)化后加熱制度，對(duì)降低氧化燒損起到一定的成效。如表3加熱制度優(yōu)化前的平均燒損率為1.1%。優(yōu)化后的平均燒損率為0.95%。氧化燒損降低量近0.15%。理論上可提高高棒車間近0.15%的成材率。按高棒車間的設(shè)計(jì)能力年生產(chǎn)鋼材70萬(wàn)噸來(lái)計(jì)算，每噸按2000元計(jì)算，一年減少氧化燒損的效益2000×70×0.15%=210（萬(wàn)元），具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 HRB500E加V鋼種加熱制度的制定

2.2.1 加釩鋼筋對(duì)溫度的需求

發(fā)展高強(qiáng)度級(jí)別的熱軋帶肋鋼筋已是大勢(shì)所趨。我司目前也開(kāi)始著手開(kāi)發(fā)HRB500E牌號(hào)的熱軋帶肋鋼筋。金屬釩元素既有細(xì)化晶粒作用強(qiáng)的特點(diǎn)，可提高鋼的強(qiáng)度和韌性，減少過(guò)熱敏感性，提高鋼的熱穩(wěn)定性。并且釩元素對(duì)碳、氮具有很強(qiáng)的親和力，所形成碳氮化合物在冷卻過(guò)程中析出，產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化作用，提升鋼的強(qiáng)度。但是為保證釩的碳氮化合物固溶于奧氏體，就必須控制HRB500E熱軋鋼坯的開(kāi)軋溫度≥1050℃。所以，在HRB500E的加熱過(guò)程中，相應(yīng)提高了加熱爐均熱段和加熱段的爐溫。并在Ф12螺HRB500E的試軋中得到驗(yàn)證。提高后的爐溫如表4：

2.2.2 HRB500E鋼筋加熱溫度提高后的效果

由表格5可以看出，HRB500E鋼種在爐溫提高前的各項(xiàng)性能指標(biāo)波動(dòng)范圍較大，甚至出現(xiàn)屈服強(qiáng)度520 MPa和強(qiáng)屈比1.22均小于廠控范圍的現(xiàn)象。在參考釩元素的化學(xué)性能和查閱資料之后，較大范圍的提高了加熱段和均熱段的爐溫。在提升加熱溫度后，HRB500E加釩鋼種的各項(xiàng)性能指標(biāo)趨于穩(wěn)定，并且在所試軋的Ф12HRB500E加釩鋼種中，屈服強(qiáng)度最小值535MPa和強(qiáng)屈比最小值1.27均達(dá)到國(guó)標(biāo)、廠控標(biāo)準(zhǔn)。說(shuō)明在提高爐溫后，釩的碳氮化合物起到穩(wěn)定HRB500E鋼種性能的作用。

3 結(jié)論

優(yōu)化后的加熱制度對(duì)鋼坯的氧化燒損的降低效果明顯，可降低近0.15%的氧化燒損量。通過(guò)控制加熱溫度、爐內(nèi)氣氛對(duì)降低鋼坯的氧化燒損的辦法確實(shí)有效。提高加熱溫度，能有效穩(wěn)定HRB500E加釩鋼種的性能。