加熱爐供熱方式對鋼坯氧化燒損的影響及控制措施分析

秦 潔 包薪群 李 里 齊建玲 李占軍 劉功國 樊河雲(yún) 王海波

(1.釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室 攀鋼集團研究院有限公司,2.攀鋼集團西昌鋼釩有限公司板材廠)

作為一個有著熱慣性和熱滯后性的工藝設備，軋鋼加熱爐中氧化燒損的產(chǎn)生是不可避免的，降低氧化燒損可提高鋼坯成材率，節(jié)能增效效果顯著。文章對某廠軋鋼加熱爐進行氧化燒損測試試驗，對比蓄熱式燃燒加熱爐和常規(guī)脈沖燃燒加熱爐在鋼坯氧化燒損率方面的特點，并提出了降低氧化燒損率的有效措施。

氧化鐵皮是加熱爐內(nèi)的氧化性氣體與鋼中鐵元素發(fā)生氧化反應生成的[1-4]，同時伴隨氧元素由鋼表面向鋼內(nèi)部的擴散過程。隨著擴散深度不同，生成的產(chǎn)物也有所不同，表層氧元素濃度高生成Fe2O3，內(nèi)層氧元素濃度低生成Fe3O4和FeO[5]。其中FeO較為松散，而Fe3O4和Fe2O3較為致密，加熱爐內(nèi)主要含氧物質與鐵元素可能發(fā)生的化學反應如表1所示[6-10]。

從表1可以看出，在加熱爐溫度范圍內(nèi)極易發(fā)生鐵元素的氧化。由于鋼坯表面生成的氧化鐵皮的導熱系數(shù)比鋼坯基體的導熱系數(shù)低得多，加之其覆蓋在鋼坯表面阻礙了爐氣與基體之間的熱交換，惡化了傳熱條件，加熱爐的熱效率降低，單耗增大。氧化鐵皮需要在軋制前去除，否則在軋制過程中對產(chǎn)品表面質量不利。因此，降低鋼坯在加熱爐內(nèi)的氧化燒損率既符合節(jié)能減排的需要，也為產(chǎn)品表面質量提供了一定的保障。

1 氧化燒損的影響因素

1.1 加熱溫度

加熱溫度是鋼坯表面氧化的主要影響因素，隨著加熱溫度升高，鋼坯表面氧化速度加快。碳鋼氧化燒損變化曲線呈現(xiàn)拋物線變化規(guī)律，當溫度低于300 ℃時，碳鋼氧化燒損量很少，一般可以忽略不計；當溫度升至300～500 ℃時，碳鋼氧化燒損量較小；當溫度達到500～1 000 ℃時，氧化燒損量緩慢增大；當溫度達到1 000～1 300 ℃時，各組分的擴散加快，氧化燒損量快速增大；當溫度超過1 300 ℃時，碳鋼表面氧化鐵皮開始熔化，氧化燒損量急劇增加[11]。

1.2 加熱時間

1.3 爐內(nèi)氣氛

空氣過剩容易形成氧化性氣氛，鋼坯在氧化性氣氛條件下氧化燒損最嚴重。爐氣中一般含有CO2、H2O、O2、CO、H2、CH4和N2，與鋼坯的反應各不相同，其中CO2、H2O、O2為氧化性氣體，O2的氧化性最強，需要控制空氣量，避免過多的O2殘留在爐內(nèi)，降低氧化燒損[13]。

1.4 鋼中化學成分

影響鋼坯氧化燒損的主要元素包括：C、Si、Al、Cu、Mn和V等。隨著鋼中C、Si和Al含量的增加，鋼坯的氧化燒損率有所降低[14]。Cr、Ni、Mn、V和Cu等都是化學性質比鐵活潑的元素，比鐵更容易氧化，當其含量較高時，都會被氧化，生成保護膜，提高鋼的抗氧化性。

1.5 供熱方式

加熱爐常見的供熱方式為常規(guī)脈沖燃燒供熱和蓄熱式燃燒供熱，二者燃燒原理不盡相同，因而氧化燒損率亦有所差別，較為普遍的觀點是蓄熱式燃燒鋼坯的氧化燒損率低于常規(guī)脈沖燃燒鋼坯的氧化燒損率。文章通過現(xiàn)場試驗測試，對比兩種供熱方式條件下鋼坯的氧化燒損率，并提出了降低燒損的具體措施。

2 氧化燒損的現(xiàn)場測試

2.1 測試原理

采用單位重量比表面積相似法進行測試試驗。設試樣和鋼坯表面積分別為As、Ag，加熱前后試樣的質量分別為Gs1、Gs2，鋼坯的質量分別為Gg1、Gg2，則加熱前后試樣和鋼坯的氧化燒損率βs、βg分別為：

(1)

二者的單位重量比表面積Ss、Sg分別為：

(2)

則二者單位比表面積燒損量Qs、Qg分別為：

甘薯淀粉與魔芋膠按比例混合（質量比 10：0，9.5：0.5，9.0：1.0，8.5：1.5，8.0：2.0）得到淀粉、魔芋膠的混合粉，按照以下制作工藝制備粉條。

(3)

因為Qs=Qg，則有：

(4)

對式(4)進行變形，得到：

進而得到

(5)

綜上，已知試樣和鋼坯的質量、表面積，利用試驗所得的試樣燒損率可以計算得到鋼坯的氧化燒損率。

2.2 測試方法

試驗在1號、3號和4號加熱爐上進行。1號和3號加熱爐為蓄熱式燒嘴與常規(guī)燒嘴的組合式步進梁加熱爐，即均熱段采用常規(guī)燒嘴，以混合煤氣為燃料，其余加熱段采用雙蓄熱燒嘴，以高爐煤氣為燃料。4號加熱爐采用常規(guī)脈沖燃燒的方式，以高爐、焦爐混合煤氣為燃料。

試驗時，在一塊試驗坯上沿長度方向均勻放置若干塊試樣，試樣品質相同，均為Q235鋼種。幾塊試樣同步在爐內(nèi)加熱升溫，最終隨試驗坯出爐。通過精確測量試樣受熱氧化表面積和加熱前后試樣的重量，計算試樣的燒損率進而計算得到板坯氧化燒損率。

進行三輪試驗，第一輪在4號加熱爐，第二輪在3號加熱爐，第三輪在1號加熱爐。

前兩輪試驗沿坯長方向均勻放置5塊試樣，試樣大小為100 mm×100 mm×20 mm，質量約為1.59 kg，試樣安放在一專門加工的底座上，兩者放置在鋼坯上表面，試樣和底座的接觸面經(jīng)過打磨，接觸緊密，忽略該表面的氧化燒損量，故試樣的氧化加熱表面為5個面，即1個上表面和4個側面。試樣出爐后從試驗坯上取下迅速水冷，干燥后去除氧化鐵皮并進行稱重。

第三輪試驗對氧化燒損測試方法進行了改進，參考黑色冶金行業(yè)標準《鋼坯氧化燒損的測定和計算方法》中規(guī)定的單位重量比表面積相似法開展測試工作。沿鋼坯長度方向均勻放置3塊試樣，試樣尺寸增大至150 mm×150 mm×35 mm，質量約為6.18 kg，試樣由100 mm長的10號槽鋼反扣托起，如此一來，受熱面與試驗坯相似，即6個面受熱，而并非是前兩輪試驗中的5個面受熱，減小了測量誤差。同時，加工了3塊與前兩輪試驗相同尺寸相同安放方法的小試樣，放置在大試樣相同的位置，以對前兩輪小試樣的測定結果進行修正。

3 試驗結果分析

三輪試驗的測試結果如表2所示。第一輪試驗鋼坯在爐時間229 min，第二輪試驗鋼坯在爐時間217 min，第三輪試驗鋼坯在爐時間216 min。第三輪試驗在前期試驗基礎上進行了改進，采用了較大尺寸的試樣，并且采用3塊大試樣(新加工)和3塊小試樣(與第一、二輪試驗相同)同時測試，大試樣用槽鋼托起6面受熱，與前兩輪試驗相比，測試結果相對準確。

表2 三輪試驗測試結果

鑒于大試樣的體積較大，且在爐內(nèi)加熱方式(6個面均受熱)更為接近實際，因此，對比第三輪試驗的大試樣和小試樣的數(shù)據(jù)，對第一輪和第二輪試驗中的氧化燒損率數(shù)據(jù)進行修正。以小試樣燒損率計算的鋼坯燒損率為橫坐標，以大試樣燒損率計算的鋼坯燒損率為縱坐標，二者關系如圖1所示。

從圖1可以看出，根據(jù)大、小試樣數(shù)據(jù)計算得到的鋼坯氧化燒損率基本上呈線性關系。根據(jù)擬合公式對第一輪和第二輪試驗的氧化燒損率結果進行修正，修正值列于表3。

圖1 大、小試樣氧化燒損率關系

表3 第一輪(4號爐)、第二輪(3號爐)試驗氧化燒損率修正值 %

綜上可知，1號、3號、4號加熱爐的鋼坯氧化燒損率修正值分別為0.473%、0.479%和0.621%，1號、3號加熱爐的燒損水平相當，均低于4號加熱爐。主要是因為1號和3號加熱爐為空氣、煤氣雙蓄熱式燃燒方式，4號加熱爐為常規(guī)脈沖加熱方式，而蓄熱燃燒依靠預熱后空氣和煤氣射流的高速卷吸，使爐內(nèi)產(chǎn)生大量煙氣回流，射流的速度越大，爐內(nèi)的卷吸和回流作用越強烈，越有利于降低燃燒區(qū)的燃燒溫度和氧化性氣氛，從而抑制鋼坯的氧化燒損。另一方面，1號、3號蓄熱式加熱爐每個加熱段都設有燒嘴，加熱曲線平緩，4號脈沖加熱爐有13 m的熱回收段，在二加熱段和均熱段進行強化加熱會加重氧化燒損。第三，蓄熱式加熱爐沿爐寬方向排煙，排煙行程短，縮短了煙氣殘氧與板坯接觸時間，降低了氧化燒損。

針對單座加熱爐，3座加熱爐的氧化燒損率沿坯長方向具有中間低、其余部位偏高的特征，尤其是3號和4號加熱爐，沿坯長方向均勻放置了5塊試樣，顯示氧化燒損率在爐寬2/6處(2號、7號試樣)和4/6處(4號、9號試樣)最大，而3/6處(3號、8號試樣)最小，說明對應的爐溫沿爐寬方向近似呈“M”型分布，這主要與燒嘴的布置以及氣體介質的射流速度相關。

從氧化燒損上反映出1號、3號加熱爐在爐寬方向上溫度較為均勻，而4號加熱爐一側爐溫偏高需要進行適當調(diào)整。

針對試驗測試結果，采取如下途徑降低鋼坯的氧化燒損：

(1)推廣蓄熱式燃燒技術。蓄熱式燃燒技術采用大空間擴散燃燒的方式，大大提高了溫度場的均勻性，避免了溫度過于集中而產(chǎn)生較高氧化燒損的情況；

(2)提高設備自動化水平，精細化操作。加強對爐溫的控制，提高響應速度和控制精度，合理控制爐內(nèi)溫度。精確調(diào)控空燃比等參數(shù)，避免氧化性氣體的積累和聚集；

(3)合理選擇爐內(nèi)保溫層材料。保溫層能減少爐子熱量散失，有助于加熱爐保持均勻持續(xù)的爐溫，減少為提升爐溫而調(diào)高煤氣量等操作，有助于減少氧化燒損。

4 結論

文章對鋼坯在加熱爐內(nèi)的氧化燒損率進行現(xiàn)場測試，對比了蓄熱式燃燒和常規(guī)脈沖燃燒條件下的鋼坯氧化燒損特點，總結如下：

(1)蓄熱燃燒在燃燒區(qū)通過射流卷吸煙氣進入體系混合實現(xiàn)低氧燃燒，有利于降低燃燒溫度和氧化性氣氛，降低氧化燒損率；

(2)加熱爐的氧化燒損率近似呈“M”型分布，即中部低、端部次之，中部和端頭之間的位置最高，這主要與燒嘴的布置以及氣體介質的射流速度相關；

(3)氧化燒損率高低間接反映出爐溫的高低，對于爐膛溫度不均的加熱爐可采取措施進行調(diào)整，促進爐溫均勻以保證加熱質量。