降低加熱爐連鑄坯氧化燒損的控制方法

王 崇

（鞍鋼集團本鋼板材股份有限公司特殊鋼事業(yè)部，遼寧 本溪 117000）

降低氧化燒損作為成本指標中的重要一環(huán)，一直是特鋼事業(yè)部的工作重心之一，有效地降低加熱爐氧化燒損對提高成材率、節(jié)能降耗等方面起到關(guān)鍵性作用。本文對氧化鐵皮的形成原理進行了研究，并且提出了改進措施，有效地降低了氧化鐵皮生成量，取得了較好的經(jīng)濟效益。

1 加熱爐簡介及氧化燒損現(xiàn)狀

1.1 加熱爐簡介

鞍鋼集團本鋼板材特殊鋼事業(yè)部大棒作業(yè)區(qū)兩臺步進梁式加熱爐由北京神霧公司設(shè)計制造，是一座“三段步進式蓄熱加熱爐”，沿爐長分為預熱段、加熱段、均熱段。該加熱爐燃料為高、焦混合煤氣，采用空氣單蓄熱與對側(cè)換向燃燒技術(shù)，能夠通過對空、燃比的精準控制來調(diào)整爐內(nèi)氣氛及溫度。采用汽化冷卻的方式對步進梁進行冷卻，能將其過程產(chǎn)生的蒸汽有效地回收和利用，降低了能源消耗。該加熱爐的有效長度為29700mm、有效寬度為9100mm；爐子采用端進端出的裝出料方式以及單、雙排的爐內(nèi)布料方式；爐內(nèi)鋼坯的最高加熱溫度為1250℃，燒損量≤0.8%，單臺加熱爐的加熱能力為120t/h（冷坯）。

我廠生產(chǎn)的主要品種包括八大類：碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、彈簧鋼、不銹鋼、滾珠鋼、模具鋼類鋼材和鋼坯，主要用于軍工、汽車、石油、機械、煤氣、鐵路等行業(yè)。

1.2 氧化鐵皮產(chǎn)生原理及氧化燒損現(xiàn)狀

1.2.1 氧化鐵皮產(chǎn)生原理

氧化鐵皮形成的過程主要是氧和鐵這兩種元素高溫擴散的過程，氧原子由外部向內(nèi)部擴散，而鐵原子則相反的向外部擴散。最外層的氧濃度較大，鐵的濃度較小，易產(chǎn)生鐵的高價氧化物——Fe2O3；內(nèi)層的氧濃度較小，鐵的濃度較大，易產(chǎn)生低價氧化物—FeO。Fe2O3、Fe3O4及FeO 的熔點分別為1565℃、1594℃、1369℃[1]。

1.2.2 氧化燒損現(xiàn)狀

特鋼事業(yè)部大棒作業(yè)區(qū)加熱爐連鑄坯氧化燒損為1.8%～2.0%，與最初設(shè)計的0.8%相差較大。

2 影響連鑄坯氧化燒損的因素

影響連鑄坯氧化燒損的主要因素為爐內(nèi)氣氛、加熱溫度及在爐時間等。以下將分別從這幾方面進行分析。

2.1 爐內(nèi)氣氛

加熱爐的爐內(nèi)氣氛主要取決于燃料的成分、空氣的過剩系數(shù)以及燃燒是否完全。爐內(nèi)氣體中一般含有O2、CO2、H2、SO2等氧化性氣體，其中SO2與Fe2O3反應(yīng)而產(chǎn)生的FeS 使得氧化鐵皮的熔點降低，加劇熔化，使得氧化得更加深入。而爐內(nèi)氣氛呈氧化性的主要原因是空氣過剩系數(shù)過大。

根據(jù)特鋼事業(yè)部大棒作業(yè)區(qū)使用的高、焦混合煤氣成分的分析與計算，空燃比最佳比例為2.0：1～2.5：1（空氣過剩系數(shù)取1.05～1.10）。但是在實際生產(chǎn)過程中，由于加熱爐設(shè)備及操作的原因，空燃比遠高于此比例。

在設(shè)備方面，特鋼事業(yè)部大棒作業(yè)區(qū)加熱爐采用對側(cè)換向的方式進行燒鋼，即一側(cè)進行燃燒時，另一側(cè)排出廢氣。由于加熱爐密封性較差，空、廢氣管線腐蝕嚴重，換向時，有大量冷空氣進入爐內(nèi)，使爐內(nèi)有較強的氧化性氣氛。

在操作方面，由于實際生產(chǎn)過程中，高、焦爐煤氣配比不穩(wěn)定，并且無熱值儀，操作工只能憑借經(jīng)驗操作，導致空燃比與理論計算的相差甚遠。

2.2 加熱溫度

連鑄坯在加熱過程中，隨著加熱時間與加熱溫度的增加，氧化鐵皮量就增多。在600℃～1200℃的范圍內(nèi)，碳鋼氧化燒損與溫度及時間的關(guān)系，有如下經(jīng)驗公式[2]：

式中：

τ——加熱時間，min。

e——自然對數(shù)的底。

T——鋼坯表面溫度，K。

由式（1）可知，氧化燒損與加熱溫度及加熱時間的關(guān)系如圖1、圖2 所示。

圖1 燒損率與加熱溫度的關(guān)系

圖2 燒損率與加熱時間的關(guān)系

由圖1 可以看出，當加熱溫度大于800℃開始，單位時間內(nèi)氧化燒損量隨著溫度的增加呈指數(shù)狀態(tài)增加。同時受軋線或加熱爐故障影響，故障時間判斷不準確，加熱爐實際也會有反復升降溫的情況，從而加劇氧化燒損。

由此可見，加熱溫度是影響氧化燒損的主要因素之一。

2.3 在爐時間

由式（1）可知，在相同溫度下加熱時間越長，連鑄坯的氧化燒損量越多。通過實際測量發(fā)現(xiàn)，鋼坯在爐時間300～500min 時，氧化鐵皮厚度為1.78～2.9mm。當在爐時間大于500min 時，氧化鐵皮厚度在3.0mm 以上。但實際生產(chǎn)過程中受軋線不順行等因素影響，在爐時間通常為420～540min，因此氧化燒損量大大增加。

3 降低加熱爐連鑄坯氧化燒損的控制措施

3.1 爐內(nèi)氣氛的合理控制

通過合理調(diào)整空燃比控制爐內(nèi)氣氛。若空氣過剩系數(shù)過大，連鑄坯在加熱過程中，爐內(nèi)會呈現(xiàn)氧化性氣氛而產(chǎn)生較多的氧化鐵皮，影響產(chǎn)材表面質(zhì)量以及成材率。因此，要嚴格控制高溫段的空氣過剩系數(shù)，高溫段的空氣過剩系數(shù)如表1 所示。

表1 各段空氣過剩系數(shù)

合理地控制爐膛壓力，使爐內(nèi)呈微正壓，防止冷空氣進入爐內(nèi)，降低氧化燒損。根據(jù)實際生產(chǎn)情況，爐內(nèi)壓力控制在10～20Pa。同時熱值儀、殘氧儀等計量儀表是不可或缺的，換句話說，它們是實現(xiàn)爐內(nèi)氣氛合理的一個前提。加強空、煤氣閥門、翻板的維修與保養(yǎng)，使其儀表控制與實際開度一致，防止誤操作。

通過近三個月的實踐表明，爐內(nèi)的氣氛得到了大大的改善，進而降低了連鑄坯在高溫段所產(chǎn)生的氧化燒損。優(yōu)化前后的空燃比與殘氧值對比如表2 所示。

表2 優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對比

3.2 加熱溫度的優(yōu)化

合理地控制爐內(nèi)各段的加熱溫度。對現(xiàn)有的加熱工藝溫度進行優(yōu)化，減少溫度波動的范圍。從原始的各段溫度區(qū)間±40℃，降低至各段溫度區(qū)間為±30℃，目標控制在±20℃，即降低各段加熱溫度上限10℃～20℃。實踐表明，優(yōu)化加熱溫度后，氧化燒損顯著降低，清渣時加一段及均熱段的氧化鐵皮量明顯減少。

3.3 控制在爐時間

合理地控制連鑄坯的在爐時間。兩臺加熱爐投產(chǎn)時，加熱能力大于軋制能力，導致連鑄坯的在爐時間大大增加，氧化燒損加劇。目前結(jié)合軋制能力，對加熱爐內(nèi)的連鑄坯采取合理調(diào)整坯間距和換輥空步距的措施，減少了連鑄坯的在爐時間。

3.3.1 坯間距

由于生產(chǎn)不同組距時的機時產(chǎn)量不同，通過合理的調(diào)整爐內(nèi)每支連鑄坯間的距離，來控制爐內(nèi)連鑄坯的總數(shù)量，再根據(jù)相應(yīng)的工藝時間來計算出加熱爐的加熱能力（小時出鋼量），以達到加熱爐的加熱能力與軋機的軋制能力相匹配為原則，來控制坯料的在爐時間，進而降低氧化燒損。例如：中方坯生產(chǎn)φ80 時，加熱爐的加熱能力=[加熱爐有效長度/（中方坯截面長邊+坯間距）]/工藝在爐時間。中方坯生產(chǎn)φ80 的機時產(chǎn)量為100-130/t·h-1，故坯間距采用150mm，這樣加熱爐的加熱能力與軋機的軋制能力可以高度吻合。實踐表明，通過此方法氧化燒損得到了降低，進而提高了成材率。

根據(jù)生產(chǎn)不同規(guī)格時，機時產(chǎn)量的不同，投產(chǎn)的坯料大小不同，大致分為三類：

第一類生產(chǎn)規(guī)格≥φ210mm 時，機時產(chǎn)量為130t/h，這時坯間距可調(diào)整為300mm。

第二類生產(chǎn)規(guī)格φ200～φ85mm 時，機時產(chǎn)量為120-150t/h，矩形坯的坯間距可調(diào)整為200mm、中方坯的坯間距可調(diào)整為100mm。

第三類生產(chǎn)規(guī)格≤φ80mm 時，矩形坯的坯間距可調(diào)整為200mm、中方坯的坯間距可調(diào)整為150mm。

3.3.2 換輥空步距

為進一步降低連鑄坯的在爐時間，可根據(jù)軋線定額換輥的時間來對加熱爐內(nèi)的連鑄坯進行空步距的調(diào)整，即根據(jù)生產(chǎn)計劃得知換輥時間后，在連鑄坯入爐階段空出相應(yīng)步距，當軋線換輥時，加熱爐按正常出鋼速度向前步進。通過此方案能夠大大地降低連鑄坯的在爐時間，同時縮短其在高溫段停留的時間，從而降低氧化燒損，進而提高成材率。具體調(diào)整換輥空步距的方案如下：

軋線定額換輥時間為10min 時，加熱爐裝鋼階段空出3 步的步距；隨著定額換輥時間的增加，加熱爐裝鋼時空出的步距也要增加；根據(jù)理論計算，定額換輥時間每增加10min，加熱爐裝鋼時多空出3 步。

由于矩形坯軸承鋼的加熱工藝時間較長，受加熱爐設(shè)計影響（有效長度為29700mm），當爐內(nèi)含有矩形坯軸承鋼時，不執(zhí)行此方案。

通過近三個月的調(diào)整可以看出，連鑄坯的在爐時間由7～9h 降低至5～7h，同時其在高溫段停留的時間也與工藝時間相契合，氧化燒損得到了有效的控制。

4 經(jīng)濟效益

經(jīng)過近三個月對爐內(nèi)氣氛、加熱溫度及在爐時間的有效控制，目前連鑄坯的氧化燒損降低至1.6%～1.8%。預計年效益=（當前水平-擬定目標）*年產(chǎn)量*（噸鋼成本-廢鋼價格）=（2.0%-1.8%）*60000*12*（5000-732）=614 萬元。

5 結(jié)論

1.特鋼事業(yè)部大棒作業(yè)區(qū)加熱爐氧化燒損是多方面作用結(jié)果，直接影響因素有爐內(nèi)氣氛、加熱溫度及加熱時間等。

2.有效地降低加熱爐氧化燒損，首先要制定合理的加熱工藝，防止加熱溫度過高和高溫下停留時間過長；其次要保證均熱段為微還原性氣氛，從根源上降低燒損。

3.通過采取控制爐內(nèi)氣氛、加熱溫度及在爐時間等措施，有效降低連鑄坯的氧化燒損，極大地降低了成本，預計可獲得年效益614 萬元。