熱軋加熱爐結(jié)瘤問題剖析與治理

田凱

摘 要：通過加熱爐結(jié)瘤成因分析發(fā)現(xiàn)形成結(jié)瘤的主要原因有兩方面，一是加熱爐內(nèi)產(chǎn)生了過量的氧化鐵皮；二是爐內(nèi)氣體成分殘氧量過低的影響。針對氧化鐵皮過多的問題，首先改變加熱爐溫度控制策略，其次從生產(chǎn)計劃和自動化程序兩方面著手進行駐爐時間的優(yōu)化。針對爐內(nèi)氣體成分殘氧量過低過低的問題，引入煙氣分析儀實時檢測值來實時調(diào)節(jié)空燃比，保證爐內(nèi)氣體成分為弱氧化性。經(jīng)過以上措施后，加熱爐爐內(nèi)沒有再次出現(xiàn)水梁結(jié)瘤的情況。

關鍵詞：加熱爐；結(jié)瘤；煙氣分析儀；弱氧化性；還原

中圖分類號：TG338 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0084-02

1 加熱爐結(jié)瘤問題及危害

某鋼廠熱軋廠近段時間頻發(fā)翹皮類缺陷，最多時一個月發(fā)生57起，結(jié)合加熱爐爐內(nèi)板坯跑偏頻發(fā)的現(xiàn)狀，判斷為加熱爐爐內(nèi)問題導致板坯跑偏和成品卷出現(xiàn)翹皮缺陷，經(jīng)檢修停車時檢查爐內(nèi)水梁，發(fā)現(xiàn)加熱爐爐內(nèi)水梁存在結(jié)瘤的情況。

加熱爐水梁一旦結(jié)瘤，當板坯在運動過程中接觸到結(jié)瘤物時，就會影響板坯在加熱爐內(nèi)部的正常運動，使得板坯在在運動過程中會受到縱向阻力，從而導致板坯在加熱爐內(nèi)出現(xiàn)縱向跑偏。板坯縱向跑偏會使板坯在爐內(nèi)歪斜擠堆，一旦爐內(nèi)發(fā)生板坯縱向跑偏，操作工必須將加熱爐模式切換為手動模式進行手動調(diào)整，這樣會嚴重影響加熱爐的正常出鋼。

因加熱爐內(nèi)板坯溫度較高，達到1100℃左右，此時板坯硬度較低，故結(jié)瘤妨礙板坯運動造成縱向跑偏的同時還會在板坯的下表面造成劃傷并嵌入各種雜物。板坯劃傷的地方經(jīng)過后續(xù)粗軋機組和精軋機組的軋制后就會變成嚴重的表面質(zhì)量缺陷，造成直接的經(jīng)濟損失。如圖1所示。

2 加熱爐結(jié)瘤成因分析

2.1 板坯結(jié)瘤情況分析

統(tǒng)計2016年12月份和2017年1月份翹皮缺陷，總數(shù)57卷，按照鋼種分類鍍錫板系列32卷，占比56%。冷軋料18卷，占比32%。其他7卷，占比7%。按照加熱爐分類1#爐27卷，占比47%。2#爐30卷，占比53%。出現(xiàn)翹皮缺陷幾率基本相同。經(jīng)過長期數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析翹皮缺陷位置對應加熱爐內(nèi)所有固定梁和移動梁位置關系，幾乎每根爐內(nèi)水梁上都出現(xiàn)過結(jié)瘤情況。

通過對以上數(shù)據(jù)分析我們得出4點初步結(jié)論：

（1）翹皮缺陷主要出現(xiàn)在低碳冷軋料，主要鋼種為鍍錫板、DD11；（2）從加熱爐號看，兩個爐子所出現(xiàn)比例差不多，沒有太大對應性；（3）從翹皮缺陷位置和爐內(nèi)水梁位置來看，基本每個水梁都有對應位置；（4）成品寬度和厚度沒有太大對應性。

2.2 結(jié)瘤物成因分析

2.2.1 結(jié)瘤物成分分析

通過對加熱爐水梁上剝離下來的大量結(jié)瘤物觀察發(fā)現(xiàn)，爐底有堆積狀的氧化鐵皮，而剝離下來的結(jié)瘤物本身則是層狀堆積的，最多可達到幾十層。委托化學實驗室對結(jié)瘤物進行成分分析，其主要成分為Fe2O3，占比為92.89wt%，其中還包含F(xiàn)e3O4，達到89.64wt%（見表1）。通過巖相檢驗分析發(fā)現(xiàn)結(jié)瘤物表層主要為顆粒狀混合的磁鐵礦和赤鐵礦。因此按照鐵氧平衡和鋼板表面氧化膜層的結(jié)構(gòu)及高溫條件下膜層之間電粒子擴散遷移成長機理，我們可以推斷，爐底表面結(jié)瘤是由局部小片氧化鐵皮粘附在加熱爐水梁上，隨著板坯在加熱爐中加熱板坯表面不斷產(chǎn)生氧化鐵皮且板坯不斷移動，使得之前粘附的氧化鐵皮不斷積累疊加，并且由于爐內(nèi)溫度較高，使得累積疊加的氧化鐵皮幾乎在熱熔的柔軟狀態(tài)下粘合而逐步增大。

2.2.2 氧化鐵皮來源分析

板坯在加熱爐加熱的過程中，會不可避免的出現(xiàn)氧化鐵皮，但是氧化鐵皮的多少主要由以下因素決定：

（1）加熱溫度的影響。鋼坯的加熱溫度主要根據(jù)Fe-C相圖中組織轉(zhuǎn)變溫度來確定，同時滿足熱軋工藝要求。加熱溫度越高，其它加熱條件相同的情況下，產(chǎn)生的氧化鐵皮量越大。通過對標兄弟單位，我們發(fā)現(xiàn)板坯出爐溫度較兄弟單位普遍高10℃-30℃。

（2）駐爐時間的影響。加熱時間與氧化燒損成正比，駐爐時間越長，其它加熱條件相同的情況下，氧化生產(chǎn)的氧化鐵皮就越多，尤其是在高溫條件下，鋼坯駐爐時間越長，氧化鐵皮產(chǎn)生的量就越大。因本廠加熱爐長度較長，而出現(xiàn)結(jié)瘤問題時主要生產(chǎn)的鍍錫板、DD11等鋼種表面質(zhì)量要求較高，同一套輥安排根數(shù)較少，雙爐生產(chǎn)時會造成爐內(nèi)同時出現(xiàn)3套輥料的情況，駐爐時間過長，導致板坯氧化鐵皮生成量增加，堆積在水梁上形成結(jié)瘤。統(tǒng)計3天鍍錫板生產(chǎn)駐爐時間，170min以上的達到79.30%，180min以上的達到62.24%200min以上的達到37.76%。

2.2.3 爐內(nèi)氣體成分

發(fā)生加熱爐結(jié)瘤問題后，我們引入加熱爐煙氣分析儀來檢測加熱爐爐內(nèi)氣體成分，通過分析該測量參數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)在出現(xiàn)結(jié)瘤問題時間段，煙氣分析儀檢測的加熱爐尾氣中殘氧含量過低，甚至低于1%。殘氧含量過低會使得煤氣燃燒不充分，導致煙氣中殘余CO含量增大，進而我們推斷殘存CO會將極小部分氧化鐵皮還原成鐵，還原出的鐵在高溫下依附在氧化鐵皮上，大大增加了氧化鐵皮間的粘性，使得氧化鐵皮之間更容易結(jié)瘤成塊。同時化學成分化驗表中顯示，氧化鐵皮中相當一部分為Fe3O4，由于Fe3O4具有一定的磁性，當氧化鐵皮中含有Fe3O4，這就導致各氧化鐵皮之間更加容易粘附在一起，最終形成加熱爐水梁結(jié)瘤物。

經(jīng)過以上分析，我們得出以下結(jié)論：

（1）加熱爐結(jié)瘤物的主要成分為氧化鐵皮，F(xiàn)e2O3含量為92.89wt%，F(xiàn)e3O4含量為89.64wt%；（2）加熱爐板坯加熱溫度偏高和駐爐時間偏長導致板坯表面氧化鐵皮量大大增多；（3）加熱爐爐內(nèi)由于空燃比控制不合適導致煙氣殘氧含量過低，使得CO含量增大，存在將氧化鐵皮還原的情況，通過結(jié)瘤物成分分析，部分還原成Fe3O4，極少部分甚至還原成單質(zhì)鐵。

據(jù)此，我們可以推斷，加熱爐水梁結(jié)瘤成因為：加熱爐因空燃比控制失當導致CO含量增大，使得少部分氧化鐵皮被還原成熔融狀Fe3O4甚至是單質(zhì)鐵附著在氧化鐵皮上，大大增大了氧化鐵皮的粘附力，當水梁局部粘附上此類氧化鐵皮時，它會不斷粘附隨后在加熱爐中加熱板坯上的氧化鐵皮，最終形成結(jié)瘤。同時由于加熱爐加熱溫度偏高、駐爐時間偏長，導致產(chǎn)生更多的氧化鐵皮，使得更容易產(chǎn)生結(jié)瘤。

3 控制與減少加熱爐結(jié)瘤

同過以上分析，我們針對性的從加熱爐溫度控制、加熱爐駐爐時間控制和加熱爐爐內(nèi)氣體成分控制三個方面著手進行處理加熱爐爐內(nèi)水梁結(jié)瘤的問題。

3.1 加熱爐降爐溫

針對經(jīng)常發(fā)生結(jié)瘤的鋼種進行降溫實驗，結(jié)合現(xiàn)場技術人員編制技術通知單，用鍍錫基板進行降溫試驗，涉及鋼種有SPHC-S、SPHC-SBA、SPHC-SCA、MRT-2.5BA，以精軋入口溫度1060±15℃為控制目標進行控制，跟蹤加熱爐水梁結(jié)瘤情況。

加熱爐溫度控制策略優(yōu)化后，跟進加熱爐內(nèi)氧化鐵皮的生成量，發(fā)現(xiàn)氧化鐵皮的生成量有一定的減少，據(jù)此判斷該加熱爐溫度控制策略有效，能夠在一定程度上減少氧化鐵皮的生成量，并降低加熱爐水梁結(jié)瘤生成的概率。

3.2 減少駐爐時間

針對加熱爐爐內(nèi)板坯駐爐時間過長的問題，我們從生產(chǎn)計劃和自動化程序兩方面著手進行優(yōu)化。生產(chǎn)計劃方面，結(jié)合生產(chǎn)廠工藝人員，制定裝爐時不同寬度板坯間距的規(guī)定，以減少板坯駐爐時間。自動化程序方面，優(yōu)化程序中速度和溫度模型相關參數(shù)，減少板坯駐爐時間，并優(yōu)化加熱爐爐內(nèi)溫度模型，在保證出爐溫度的前提下，減少板坯駐爐時間。

3.3 精確控制爐內(nèi)氣體成分

針對加熱爐內(nèi)煤氣燃燒不充分且殘氧量低的問題，重新制定加熱爐各段空燃比和殘氧含量要求，通過煙氣分析儀實時檢測加熱爐尾氣氣體成分，實時調(diào)節(jié)空燃比，保證加熱爐尾氣殘氧量控制在1.5-3%以內(nèi)，以保證加熱爐內(nèi)一直為弱氧化性氣氛，避免存在未完全燃燒的CO還原性氣體將氧化鐵皮還原為熔融狀鐵和帶磁性的Fe3O4，以避免氧化鐵皮不斷粘連形成結(jié)瘤物。

經(jīng)過以上三項措施后，爐內(nèi)溫度得到了有效的降低、板坯駐爐時間明顯減小、爐內(nèi)氣體成分為弱氧化性，均達到了預期目標。經(jīng)過長時間的觀察，加熱爐爐內(nèi)沒有再次出現(xiàn)結(jié)瘤的情況，氧化鐵皮量大大減少，且提升了煤氣的利用率。