加熱鋼坯氧化燒損分析與對(duì)策

趙 鑫， 高 月， 張國(guó)臣

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司， 河北 唐山 063200）

1 熱軋1580產(chǎn)線加熱爐簡(jiǎn)介

1.1 加熱爐爐型

1580產(chǎn)線有三座五段式端進(jìn)端出步進(jìn)梁式加熱爐，每座加熱爐的加熱段分為預(yù)熱段、一加熱段、二加熱段和均熱段。

1.2 加熱爐技術(shù)參數(shù)和性能

有效爐長(zhǎng)×有效爐寬為44.87 m×11.7 m；爐子砌體長(zhǎng)度為46.52 m；標(biāo)準(zhǔn)鋼坯為230 mm×1 250 mm×10 500 mm，質(zhì)量23.6 t；最大鋼坯為230 mm×1 650 mm×9 400 mm，質(zhì)量28 t；冷裝 20℃，占40%；熱裝＞500℃，占60%；鋼坯正常出爐溫度1 250℃±20℃（標(biāo)準(zhǔn)鋼坯）；燃料種類為高、焦、轉(zhuǎn)混合煤氣，熱值8 380 kJ/m3。

2 氧化鐵皮的形成過(guò)程

鋼坯在加熱爐內(nèi)加熱，生成的由氧化鐵組成的層狀物稱為氧化鐵皮[1]。

鋼的氧化鐵皮在生成過(guò)程主要表現(xiàn)爐氣中的氧化性氣體通過(guò)鋼的表面向鋼的內(nèi)部滲透。鋼坯表面的氧化鐵皮共分為三層（見圖1），表層由含氧最多的Fe2O3組成，而內(nèi)層則由含氧量最少的FeO組成，中間層為Fe3O4。

3 影響氧化鐵皮生成的因素

3.1 加熱溫度

在鋼坯的加熱過(guò)程中，如果爐溫越高，那么單位時(shí)間內(nèi)表面產(chǎn)生的氧化鐵皮就越多。這是因?yàn)殡S著鋼坯溫度升高，爐氣中的氧化性氣體和鋼種的鐵元素加快了擴(kuò)散速度，爐氣中的氧元素更容易和鋼中的鐵元素發(fā)生反應(yīng)，使鋼的氧化速度加快。圖2描寫了氧化損失與表面溫度二者的關(guān)系。

圖1 氧化鐵皮的組成

圖2 氧化損失與表面溫度的關(guān)系

如圖2所示，鋼坯表面溫度大于1 000℃時(shí)鋼的氧化速度加快，氧化損失快速增加。

1580產(chǎn)線加熱爐加熱段爐溫控制在1 180～1 300℃的范圍內(nèi)，預(yù)熱段的溫度也在900℃以上，鋼坯在這種溫度條件下氧化速度很快，氧化鐵皮形成的速度很快。為了保證加熱爐出爐鋼坯的溫度，各段溫度也必須在適當(dāng)?shù)膮^(qū)間范圍，采用合理的加熱工藝[2]。

3.2 加熱時(shí)間

鋼坯在相同的爐溫情況下，隨著加熱時(shí)間的增加，氧化層厚度增加，也就增加了鋼坯的氧化燒損。

圖3 鋼坯在高溫段加熱時(shí)間與氧化鐵皮生成量的關(guān)系

根據(jù)下頁(yè)圖3所示，在鋼坯加熱過(guò)程中，要盡量提高加熱速度，縮短鋼坯的加熱時(shí)間，這也可以減少鋼坯氧化鐵皮的生成。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)各種事故停機(jī)，此時(shí)鋼坯在爐內(nèi)處于保溫待軋狀態(tài)，會(huì)加劇氧化鐵皮形成。

3.3 爐內(nèi)氣氛

爐氣中的氧化性氣體有SO2、H2O、O2和CO2。除了助燃空氣中的氧氣增加氧化燒損外，燃燒產(chǎn)物中的CO2也增加氧化燒損，焦?fàn)t煤氣的可燃成分主要是是氫氣與甲烷，燃燒后會(huì)產(chǎn)生成水蒸氣，也加速了爐內(nèi)鋼坯的氧化。SO2是一種有害的成分，會(huì)在煉鐵和煉焦過(guò)程中產(chǎn)生，存在于煤氣之中，因?yàn)镾O2與鋼坯表面的氧化鐵反應(yīng)生成FeS，F(xiàn)eS在較低的爐溫下就會(huì)融化，然后掉落到爐底，造成了鋼的損失。

1580產(chǎn)線加熱爐使用的燃料為高、焦、轉(zhuǎn)混合煤氣，煤氣中有大量的焦?fàn)t煤氣，使得鋼坯在加熱過(guò)程中的燒損較為嚴(yán)重。另外，由于蓄熱式燒嘴空氣閥有的關(guān)不嚴(yán)，燒嘴在沒有打開的情況下也有大量空氣進(jìn)入爐膛，加重了鋼坯表面的氧化。

3.4 鋼的化學(xué)成分

鋼的化學(xué)成分在鋼水成為連鑄坯后就無(wú)法改變了，因此加熱爐操作人員在控制鋼坯的氧化燒損時(shí)只能通過(guò)調(diào)整加熱各段溫度、板坯在爐時(shí)間、爐內(nèi)保持還原性氣氛三個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 減少氧化燒損的措施

為了降低加熱鋼坯在加熱爐內(nèi)產(chǎn)生的氧化鐵皮，1580熱軋產(chǎn)線相關(guān)工藝技術(shù)人員對(duì)導(dǎo)致氧化鐵皮產(chǎn)生的因素深入分析，針對(duì)產(chǎn)生鋼坯氧化的因素采取控制措施，降低了鋼坯的氧化燒損率。

4.1 減少加熱爐各段過(guò)?？諝饬?/h3>

助燃空氣供給量大是導(dǎo)致加熱爐氧化燒損嚴(yán)重的一個(gè)重要因素，根據(jù)加熱工藝，為了減少鋼坯氧化燒損，1580產(chǎn)線加熱爐在實(shí)際生產(chǎn)中均熱段保持還原性氣氛，加熱段空氣過(guò)剩系數(shù)則適當(dāng)大些。

這樣加熱爐的均熱段處于還原氣氛中，鋼坯在這個(gè)位置的氧化速度降低，還可使均熱段未完全燃燒的燃料在加熱段與多余的空氣發(fā)生反應(yīng)，加熱段也處于弱還原氣氛中，燃料也做到了充分燃燒。此外1580產(chǎn)線加熱爐在熱回收段有殘氧儀，可以準(zhǔn)確測(cè)量爐內(nèi)殘氧量，根據(jù)殘氧量調(diào)整各段的空氣過(guò)剩系數(shù)（見表1），減少過(guò)?？諝饬俊?/p>

表1 加熱爐各段手動(dòng)設(shè)定空氣過(guò)剩系數(shù)

4.2 使用合理的爐溫控制方法

1580產(chǎn)線加熱爐采用最優(yōu)方法得出加熱爐各段爐溫的控制范圍。在操作上，加熱爐采用緊湊式燒鋼法進(jìn)行加熱，這種方法主要是保證板坯在爐內(nèi)始終處于加熱的狀態(tài)，充分發(fā)揮加熱段和均熱段的加熱能力，降低板坯在預(yù)熱段的溫度。鋼坯在熱回收段和預(yù)熱段緩慢升溫，進(jìn)入一加熱段前鋼坯表面溫度達(dá)到600～700℃，進(jìn)入加熱段后快速加熱，在均熱段鋼坯仍然保持緩慢加熱過(guò)程，直到出鋼前板坯溫度達(dá)到加熱要求。加熱爐各段爐膛溫度要求見表2。

表2 加熱爐各段爐膛溫度要求

對(duì)于加熱爐各段的溫度控制，采用這樣的加熱方法，加熱爐的高溫段集中在爐頭，根據(jù)軋制速度和軋制規(guī)格決定高溫段的長(zhǎng)度，同時(shí)降低下個(gè)軋制輥期的加熱溫度，做到換輥期間仍然對(duì)其進(jìn)行加熱，換輥完成正好達(dá)到出鋼溫度。加熱爐采用緊湊式燒鋼法后，鋼坯產(chǎn)生的氧化鐵皮明顯變薄。

4.3 加強(qiáng)儀表及熱工管理

加熱儀表分為控制類儀表和檢測(cè)類儀表，它們的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系加熱爐的工作是否正常?？刂菩顭崾綗斓碾姶砰y如果損壞，燒嘴則無(wú)法正常燃燒，需要檢修人員及時(shí)更換。加熱爐煤氣熱值分析儀參與空燃比的控制，需要其穩(wěn)定準(zhǔn)確。爐尾煙氣中殘氧測(cè)量?jī)x及時(shí)檢測(cè)爐氣中的氧含量，要保持加熱爐內(nèi)呈還原性氣氛，必須保持殘氧儀正常。這些儀表是保證加熱爐運(yùn)行正常的基礎(chǔ)，有利于準(zhǔn)確執(zhí)行設(shè)定的加熱過(guò)程數(shù)據(jù)，為操作工控制爐內(nèi)氣氛提供保證。蓄熱式燒嘴示意圖見圖4。

圖4 1580作業(yè)區(qū)加熱爐蓄熱式燒嘴示意圖

在實(shí)際生產(chǎn)中，蓄熱式燒嘴排煙溫度200～230℃為最優(yōu)。當(dāng)排煙溫度超出240℃時(shí)，蓄熱式燒嘴就會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成冷卻吹掃狀態(tài)，因此要及時(shí)調(diào)整煙風(fēng)比，及時(shí)處理故障換向閥，從而減少由于燒嘴工作模式的變化而向爐內(nèi)吹入的大量空氣。

1580加熱爐操作工在加熱過(guò)程中，對(duì)于影響加熱操作與檢測(cè)的儀表要經(jīng)常進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)聯(lián)系自動(dòng)化處理，保證熱值儀、加熱爐各段流量調(diào)節(jié)閥和燒嘴換向閥靈活可靠。同時(shí)自動(dòng)化定期對(duì)加熱儀表進(jìn)行檢測(cè)，保證其正常運(yùn)行。

4.4 推行低溫出鋼

降低板坯的出鋼溫度可以顯著減少鋼坯的氧化燒損。因此在保證加熱質(zhì)量、軋機(jī)穩(wěn)定性的前提下，應(yīng)盡量降低加熱爐的出鋼溫度。通過(guò)不斷總結(jié)優(yōu)化，1580產(chǎn)線加熱爐鋼坯的平均出鋼溫度已經(jīng)從最高的1 250℃下降到1 221℃，且后續(xù)仍在不斷摸索優(yōu)化。1580產(chǎn)線出鋼溫度趨勢(shì)見圖5。

圖5 1580產(chǎn)線出鋼溫度趨勢(shì)圖

4.5 減少鋼坯的在爐時(shí)間

為縮短鋼坯在爐時(shí)間，1580產(chǎn)線制定了根據(jù)不同板坯寬度設(shè)定不同裝鋼間距的措施（見表3），通過(guò)這種方法，減少了等待上料時(shí)間，板坯在加熱爐內(nèi)的時(shí)間也得到減少。此外，通過(guò)相鄰軋制輥期之間拉2 m左右空步的方法，最終使鋼坯的平均在爐時(shí)間由230 min下降到210 min。

表3 裝鋼間距表

4.6 提高板坯熱裝率

熱裝鋼坯是指將大于500℃的鋼坯入爐，在加熱工藝上可以降低加熱爐各段的溫度，也就可以減少鋼坯產(chǎn)生的氧化鐵皮。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，入爐板坯溫度如果提高100℃，鋼坯的氧化燒損比原來(lái)可降低0.05%～0.07%，這對(duì)提高成材率非常有利。1580產(chǎn)線通過(guò)與計(jì)劃及煉鋼部門協(xié)調(diào)配合，推進(jìn)一體化排程，提高鋼坯熱裝率，使加熱爐平均裝爐溫度從280℃提高到360℃，大大減少了氧化燒損。

4.7 嚴(yán)格執(zhí)行加熱爐保溫期間的規(guī)定

在后道工序出現(xiàn)問(wèn)題需停軋時(shí)，加熱爐應(yīng)勤與事故區(qū)域溝通，盡可能明確停軋時(shí)間，根據(jù)保溫待軋制度及時(shí)降低爐溫尤其是加熱段的溫度，在后道工序恢復(fù)前提溫，保證產(chǎn)線恢復(fù)正常時(shí)板坯溫度具備出鋼要求，達(dá)到加熱的合理化。

表4 1580加熱爐保溫期間的溫度控制要求

5 結(jié)語(yǔ)

首鋼京唐公司1580熱軋加熱爐在實(shí)施了上述控制措施后，加熱板坯產(chǎn)生的氧化鐵皮有了明顯的減少。由統(tǒng)計(jì)氧化燒損數(shù)據(jù)得出2016年下半年氧化燒損率平均高達(dá)1.6%，2017年上半年平均氧化燒損降低到1.2%。

[1] 蔡喬方.加熱爐[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1983.

[2] 張茂杰，蔡新.加熱工[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

（編輯：王瑾）