爐內(nèi)氣氛對鋼坯氧化燒損影響的試驗研究

劉占增 宋中華 丁翠嬌

（1.武鋼研究院 湖北 武漢：430080；2.武漢科技大學(xué) 湖北 武漢：430081）

鋼鐵材料加工和生產(chǎn)過程中，無時無刻不在發(fā)生著氧化反應(yīng)，其中以加熱爐內(nèi)的氧化尤為嚴(yán)重。加熱爐加熱是現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)過程中的重要工序，鋼坯在加熱爐內(nèi)加熱過程中，鋼坯表面會發(fā)生氧化反應(yīng)并形成一層氧化鐵皮，從而會造成鋼坯的氧化燒損和產(chǎn)品質(zhì)量問題［1－2］，影響了鋼坯的成材率。

加熱爐內(nèi)發(fā)生氧化的基本條件是：（1）有氧氣或氧化性介質(zhì)的存在；（2）氧氣和鐵接觸，并進行相互擴散；（3）具有一定的化學(xué)反應(yīng)條件，如溫度、化學(xué)濃度、時間等。要減少鋼坯在加熱爐內(nèi)的氧化燒損，就要合適的控制加熱溫度、加熱時間以及爐內(nèi)的化學(xué)氣氛。鋼坯在加熱爐內(nèi)的加熱溫度和時間是和不同鋼種的生產(chǎn)工藝相結(jié)合的，一般不宜變動；而對爐內(nèi)氣氛的試驗研究僅停留在利用可控氣氛爐上進行試驗，很難實現(xiàn)對加熱爐內(nèi)氣氛的真實模擬。本文利用熱態(tài)試驗爐，模擬加熱爐內(nèi)的真實氣氛，開展了不同爐內(nèi)氣氛對鋼坯的氧化燒損研究，并根據(jù)試驗結(jié)果給出了擬合經(jīng)驗公式，對指導(dǎo)加熱爐控制爐內(nèi)氣氛、減少氧化燒損提供了重要依據(jù)。

1 試驗裝置和方法

在武鋼熱態(tài)實驗室進行了爐內(nèi)氣氛對鋼坯氧化燒損影響的試驗研究。武鋼熱態(tài)實驗室有大中小3座試驗爐，有高、焦、轉(zhuǎn)及高焦混合煤氣等燃?xì)饨橘|(zhì)并具有可對以上煤氣進行配比的煤氣混合裝置。實驗室具有45kW和50kW風(fēng)機兩臺，可用于提供燃燒用風(fēng)。

1.1 試驗裝置

氧化燒損試驗在熱態(tài)實驗室2號試驗爐（見圖1）進行，圖2為試驗裝置示意圖。在2號爐長度一側(cè)裝有加熱爐用高速低NOx型燃燒器，燃燒器加熱能力為525kW，燃燒介質(zhì)為混合煤氣（煤氣成分見表1），混合煤氣發(fā)熱值約8550kJ／m3，額定流量250m3／h。在試驗爐側(cè)面均勻的留有一排窺視孔，可以對爐內(nèi)燃燒情況進行觀察。在窺視孔處插入鋼管抽取爐內(nèi)氣氛，并用煙氣分析儀對爐內(nèi)氣氛進行監(jiān)測。

圖1 試驗爐

圖2 試驗裝置系統(tǒng)示意圖

1.2 試驗方法

從表1給出的混合煤氣成分，可以計算出燃燒1m3混合煤氣所需要的理論空氣量為1.94m3。知道了理論空氣量，則可以根據(jù)需要的空氣系數(shù)來計算出空燃比，反過來根據(jù)實際空燃比的設(shè)定來達(dá)到控制爐內(nèi)燃燒氣氛的目的。表2給出了不同的空氣系數(shù)下的空燃比，根據(jù)燃燒器額定煤氣流量分別按表2配置不同的空氣流量來控制爐內(nèi)氣氛。試驗時選取空氣系數(shù)0.95、1.00、1.05、1.10、1.15、1.20進行試驗，使用煙氣分析儀進行爐內(nèi)氣氛監(jiān)測。

表1 試驗用混合煤氣成分

表2 不同空氣系數(shù)下的空燃比

根據(jù)實際加熱爐內(nèi)鋼坯與火焰的位置關(guān)系，選擇試樣放置在燃燒器火焰中心下方500mm處，并在試樣放置處用熱電偶監(jiān)測爐內(nèi)綜合溫度。根據(jù)空氣系數(shù)調(diào)整燃燒器空燃比，當(dāng)監(jiān)測熱電偶達(dá)到1000℃時，將切割好的試樣放入試驗爐內(nèi)固定位置，繼續(xù)試驗半小時后關(guān)閉燃燒器，待室溫后取出試樣。

試樣采用Q345B鋼，尺寸為100mm×50mm×19mm。試驗前先稱取試樣重量，試驗后取出試樣并去掉氧化鐵皮后重新稱重，根據(jù)試驗前后試樣重量的變化計算氧化燒損率。氧化燒損率計算公式為：（試驗前試樣重量－試驗后試樣重量）／試驗前試樣重量。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 試驗結(jié)果

按照以上試驗方法進行了不同空氣系數(shù)下的氧化燒損試驗。不同空氣系數(shù)下測得的爐內(nèi)氣氛見表3，不同空氣系數(shù)下的氧化燒損率見表4、圖3。

2.2 結(jié)果分析

（1）根據(jù)試驗結(jié)果，可以通過回歸法得到不同空氣系數(shù)下的氧化燒損率經(jīng)驗公式為：y＝－23x2＋60.05x－35.98。公式表明，隨著空氣系數(shù)的增加，鋼坯的氧化燒損率也隨之增大；當(dāng)空氣系數(shù)增加到1.30時，氧化燒損達(dá)到最大，這時的氧化燒損為3.215%；當(dāng)空氣系數(shù)大于1.3時，氧化燒損不在增加，這是因為鋼坯表面已經(jīng)形成了一層較厚的氧化鐵皮，阻止了氧化的進一步發(fā)生；同樣當(dāng)空氣系數(shù)為0.93時，氧化燒損基本為0，這是因為爐內(nèi)主要以還原性氣氛為主。因此該經(jīng)驗公式適用的空氣系數(shù)范圍是0.93～1.30。

表3 不同空氣系數(shù)下的爐內(nèi)氣氛

表4 不同空氣系數(shù)下的氧化燒損率

圖3 不同空氣系數(shù)下的氧化燒損關(guān)系圖

（2）在已知加熱爐內(nèi)空煤氣流量的情況下，可以計算出空氣系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗公式可以得到氧化燒損率；同樣通過控制空氣系數(shù)則可以適當(dāng)控制鋼坯的氧化燒損。

（3）試驗過程未考慮加熱時間、加熱溫度的影響。試驗過程中不同空氣系數(shù)下的加熱時間一致，不同空氣系數(shù)下的最終加熱溫度稍有波動。爐氣中影響鋼坯氧化燒損的氣體很多，試驗是利用武鋼混合煤氣進行的，對于其他廠家或其他種類煤氣需要重新進行試驗。

（4）鋼坯在實際加熱爐內(nèi)加熱過程中，由于爐內(nèi)壓力變化、流場變化以及煤氣熱值的波動，爐內(nèi)氣氛處于動態(tài)平衡狀態(tài)。因此實際生產(chǎn)過程中還要根據(jù)爐內(nèi)的實際氣氛情況對空氣系數(shù)進行修正，以達(dá)到表3對應(yīng)的爐內(nèi)氣氛。

（5）根據(jù)試驗結(jié)果，并考慮到軋鋼加熱爐的實際情況，建議軋鋼加熱爐空氣系數(shù)控制在1.05～1.10較為合適。對武鋼某廠加熱爐內(nèi)氣氛進行了測試和調(diào)整，使加熱爐內(nèi)氧化燒損率得到了有效控制。

3 結(jié)論

通過利用武鋼的混合煤氣，模擬加熱爐內(nèi)的真實氣氛，在熱態(tài)試驗室開展了爐內(nèi)氣氛對鋼坯氧化燒損影響的試驗研究，得到了爐內(nèi)氣氛對鋼坯氧化燒損影響的經(jīng)驗公式。研究表明，當(dāng)空氣系數(shù)達(dá)到1.30時，氧化燒損率達(dá)到最大3.215%；當(dāng)空氣系數(shù)為0.93時，氧化燒損率基本為0。不同空氣系數(shù)下鋼坯氧化燒損率的試驗研究，對指導(dǎo)加熱爐控制爐內(nèi)氣氛、減少氧化燒損提供了重要依據(jù)。

［1］劉占增，鄭兆平，丁翠嬌，等.加熱爐氧化燒損原因與對策分析［J］.冶金能源，2004，23（2）：30－32、42.

［2］劉占增，劉靜，劉文清，等.CSP均熱爐帶鋼表面缺陷分析及控制［J］.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2011，（3）：15－17.