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《工業(yè)加熱雜志》2016年第5期

摘要：

通過對(duì)坯料氧化燒損的機(jī)理分析，找出影響坯料在環(huán)形加熱爐內(nèi)氧化的主要因素，并提出利用控制爐內(nèi)氣氛、縮坯料加熱時(shí)間和準(zhǔn)確控制坯料的加熱溫度等幾種方法來達(dá)到減少坯料在環(huán)形加熱爐內(nèi)的氧化燒損。應(yīng)用以上的理論分析，通過坯料加熱仿真模擬計(jì)算，并結(jié)合環(huán)形加熱爐生產(chǎn)實(shí)際情況，采用控制空燃比、實(shí)現(xiàn)快速加熱、優(yōu)化加熱制度和工藝參數(shù)來解決坯料在加熱爐內(nèi)大量氧化燒損的問題。

關(guān)鍵詞：

環(huán)形爐；氧化燒損；仿真計(jì)算；空燃比；加熱制度

坯料在環(huán)形加熱爐內(nèi)加熱過程中表面會(huì)產(chǎn)生氧化，氧化鐵皮的產(chǎn)生不僅損害了鋼的性能，還降低了鋼的成材率[1]。氧化鐵皮的熱導(dǎo)率比金屬低很多，降低了坯料的傳熱效率，從而使產(chǎn)量降低，燃耗增高[2-4]。坯料在出爐后運(yùn)往軋線的過程中，其表面的氧化鐵皮坯料分離，掉落并堆積在相關(guān)設(shè)備底部，導(dǎo)致清渣周期縮短，增加勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，研究坯料加熱時(shí)的氧化特性，減少氧化燒損具有非常重要的意義。

1坯料氧化燒損的形成機(jī)理

坯料在加熱爐中處于加熱狀態(tài)，氧化燒損就是坯料或金屬表面的金屬元素與爐氣中的氧化性氣體(氧氣、二氧化碳、水蒸氣、二氧化硫等)發(fā)生反應(yīng)，使金屬表面生成氧化鐵皮。氧化過程其實(shí)質(zhì)是一個(gè)擴(kuò)散的過程，即爐氣中氧以原子狀態(tài)吸附到坯料表面后向內(nèi)擴(kuò)散，而坯料表層中的鐵則以離子狀態(tài)由內(nèi)向表面擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果是使鋼的表面變?yōu)檠趸F。由于氧化擴(kuò)散過程從外向內(nèi)逐漸減弱，故氧化膜是由三層不同的成分組成，在表面由于過剩的氧存在，因而形成含氧較高的氧化鐵，而在內(nèi)層由于多余的金屬存在，因而形成含氧較低的氧化亞鐵，中層為含氧次之的四氧化三鐵，即由外層到內(nèi)層逐漸降低了氧化程度。由于氧化鐵皮的熔融和氧化鐵皮與鐵的膨脹系數(shù)不同會(huì)發(fā)生氧化鐵皮的機(jī)械分離，從而加快了金屬的氧化。因此鋼在加熱過程中發(fā)生氧化的基本條件是：(1)必須有氧或氧化性介質(zhì)的存在，如二氧化碳、水蒸氣等。(2)氧與鐵接觸，并進(jìn)行相互擴(kuò)散。(3)具有一定的化學(xué)反應(yīng)條件，如溫度、化學(xué)濃度、時(shí)間等。

2氧化鐵皮形成影響因素

坯料加熱過程產(chǎn)生的氧化鐵皮量主要與加熱溫度、加熱時(shí)間、爐內(nèi)氣氛以及鋼的化學(xué)成分有關(guān)。式(1)反映了加熱溫度、加熱時(shí)間對(duì)氧化燒損量的影響。W=at0.5e-bT(1)式中：W為單位面積上生成的氧化鐵皮量，g/cm2；t為時(shí)間，min；T為溫度，K。

2.1加熱時(shí)間

從式(1)可以看出，氧化鐵皮量和加熱時(shí)間是成正比的。在其他條件相同時(shí)，加熱時(shí)間愈長(zhǎng)，尤其是在高溫加熱段時(shí)間越長(zhǎng)，擴(kuò)散進(jìn)行得愈充分，氧化燒損量愈大。實(shí)際生產(chǎn)證明，氧化燒損量隨時(shí)間的變化曲線近于拋物線分布，即增厚速度隨時(shí)間延長(zhǎng)而減慢。這是因?yàn)橐焉傻难趸F皮對(duì)氧化的進(jìn)一步進(jìn)行起阻礙作用。鋼的進(jìn)一步氧化與已生成附著于鋼表面的氧化鐵皮厚度成反比，如式(2)所示：dδdτ=K1δ(2)式中:δ為氧化鐵皮厚度；τ為時(shí)間；K為系數(shù)。由此不難得出，氧化鐵皮厚度δ與時(shí)間τ成拋物線關(guān)系，如式(3)所示：δ=Kτ0.5(3)其中，系數(shù)K決定于其他影響氧化的因素，當(dāng)坯料表面溫度＜650℃時(shí)，K=0。在實(shí)際生產(chǎn)中氧化鐵皮經(jīng)常在爐內(nèi)脫落，使這種已生成的氧化鐵皮的“保護(hù)作用”降低，加熱時(shí)間的影響將更為顯著。坯料在高溫段加熱時(shí)的模擬結(jié)果如圖1所示。

2.2加熱溫度

坯料在室溫下就開始氧化，但是氧化的速度比較緩慢，隨著溫度的升高，氧化的速度也在加快。鋼在650℃以下時(shí)基本上不生成氧化鐵皮；當(dāng)溫度超過760℃時(shí)氧化鐵皮厚度就達(dá)到可以測(cè)量的程度；當(dāng)爐內(nèi)溫度超過800℃時(shí)，氧化鐵皮厚度顯著增加，當(dāng)溫度達(dá)到1000℃時(shí)，開始劇烈氧化；1300～1350℃時(shí)，氧化鐵皮開始熔化，燒損直線上升，它與溫度的關(guān)系呈指數(shù)關(guān)系，如圖2所示。

2.3爐內(nèi)氣氛

加熱爐爐內(nèi)氣氛決定于燃料成分、空氣過剩系數(shù)及燃燒完全程度。爐氣中一般含有O2、CO2、H2O、SO2、CO、H2、CH4和N2等，它們與鋼的化學(xué)反應(yīng)各不相同。其中O2、CO2、H2O、SO2為氧化性氣體，氧化性最強(qiáng)的是SO2，其次是O2、CO2和H2O。氧化鐵皮的生成過程也就是鋼與這些氧化性氣體發(fā)生反應(yīng)的過程。

1)SO2的影響S與Fe生成FeS的比例在氧化鐵皮中的含量較低，但S的存在對(duì)坯料的加熱質(zhì)量和成品鋼材的質(zhì)量影響最大，含有SO2的氧化鐵皮熔點(diǎn)顯著降低。當(dāng)溫度高于1150℃時(shí)，硫化鐵皮為液態(tài)化合物，其滲入鐵碳組織晶格間，不僅增加鐵的燒損而且表面含硫量增加，對(duì)鋼材機(jī)械性能尤其對(duì)合金鋼危害更大。SO2主要來源于燃料中的H2S，使用低硫燃料對(duì)控制坯料加熱質(zhì)量，減少坯料氧化燒損的作用非常明顯。

2)O2的影響鋼在加熱的情況下，O2即使?jié)舛群苄。材苁逛撗趸浞磻?yīng)式為2Fe+O2==2FeO(4)Fe+2O2==Fe3O4(5)4Fe+3O2==2Fe2O3(6)氧氣與鐵的反應(yīng)在任何溫度和氧含量下均是不可逆的，鐵在爐內(nèi)的氧化是必然的。氧氣與鐵生成的氧化物在所有氧化劑中所占的比例最大，如何控制爐氣中的氧含量及爐氣溫度，縮短加熱時(shí)間顯得尤為重要。控制燃料燃燒時(shí)的空氣過剩系數(shù)a是減少氧化燒損的重要途徑。實(shí)踐表明，當(dāng)a從1.3降至1.05時(shí)，a每降低0.5可減少20%的氧化鐵皮生成量。

3)CO和CO2CO2對(duì)高溫加熱的坯料起氧化作用，而CO則起還原作用，其反應(yīng)式為Fe+CO2←→FeO+CO(7)3FeO+CO2←→Fe3O4+CO(8)上述反應(yīng)決定于CO及CO2濃度，若增大CO濃度，在一定條件下可使反應(yīng)向左進(jìn)行，即能避免鋼的氧化；但在高溫和空氣過剩系數(shù)大于1.0的情況下，一般CO的含量會(huì)很低。

4)H2O和H2的影響H2O和H2與鋼的反應(yīng)如下：Fe+H2O←→FeO+H2(9)3FeO+H2O←→Fe3O4+H2(10)2Fe3O4+H2O←→3Fe2O3+H2(11)3Fe+4H2O←→Fe3O4+4H2(12)可見水蒸氣對(duì)鋼有氧化作用，為了防止水蒸氣對(duì)鋼的氧化，爐氣中應(yīng)有足夠的H2含量。

2.4操作因素的影響

在軋線故障時(shí)，對(duì)故障時(shí)間的估計(jì)若欠準(zhǔn)確，加熱爐各段溫度未能及時(shí)調(diào)整，會(huì)使坯料長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)，氧化加劇。同時(shí)，在生產(chǎn)過程中，操作工如果未按實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整爐溫、爐壓、空燃比等設(shè)定值，會(huì)造成爐內(nèi)局部溫度過高、空氣量過大、出爐坯料溫度過高、甚至氧化鐵皮融化等問題，使坯料的氧化燒損加大。

3降低坯料氧化燒損的措施

3.1控制加熱爐空燃比

環(huán)形爐實(shí)際生產(chǎn)中，坯料裝爐溫度20℃，出爐溫度1250℃，加熱爐各段爐溫設(shè)定值，見表1。在此加熱制度下，經(jīng)仿真模擬計(jì)算，坯料在爐內(nèi)的溫度曲線見圖3。由圖3可以看出，坯料到達(dá)第一加熱段中部時(shí)的表面溫度為760℃左右，此時(shí)坯料開始形成一定的氧化鐵皮。在此之后，坯料表面溫度繼續(xù)升高，氧化加劇，因此控制第一加熱段中部之后的爐內(nèi)氣氛極為重要，通過控制空氣系數(shù)可以達(dá)到控制爐內(nèi)氣氛的目的。在實(shí)際生產(chǎn)操作中，應(yīng)盡量降低空氣消耗系數(shù)，降低爐內(nèi)自由氧濃度，保持爐內(nèi)高溫區(qū)的微正壓操作，以防止冷空氣吸入。碳鋼加熱到1250℃時(shí)氧化燒損與空氣消耗系數(shù)之間的關(guān)系如圖4所示。由圖4可以看出，只有在空氣消耗系數(shù)＜(0.5～0.55)時(shí)才有可能得到無氧化加熱，空氣消耗系數(shù)0.5～0.7區(qū)間曲線變化很陡；空氣消耗系數(shù)0.7～1.1之間曲線變化平緩。在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)空氣消耗系數(shù)為0.7～1.0時(shí)將造成不完全燃燒，雖得到了較弱的氧化性氣氛，但卻浪費(fèi)了燃料。因此，建議將第一加熱段的空氣系數(shù)控制在0.85，第二、第三加熱段的空氣系數(shù)控制在0.95，這樣在加熱爐內(nèi)產(chǎn)生不完全燃燒產(chǎn)物CO及H2，使?fàn)t氣中CO及H2的濃度增大，抑制H2O及CO2對(duì)坯料的氧化，同時(shí)避免爐氣中存在自由氧離子，使?fàn)t內(nèi)氣氛為弱氧化氣氛，在坯料表面形成以FeO為主的氧化鐵皮。由于FeO與鋼有較強(qiáng)的結(jié)合力，不易去除，這樣坯料在加熱段時(shí)不致于大量脫落，可減少新的氧化鐵皮生成。為了保證坯料的加熱質(zhì)量，使加熱后的氧化鐵皮容易去除，必須將FeO轉(zhuǎn)化成以Fe2O3為主，結(jié)構(gòu)較疏松的氧化鐵皮。因此在第一、二均熱段的空氣系數(shù)應(yīng)保持在1.1左右，保證均熱段處于氧化性氣氛，使?fàn)t氣中的O2、CO2、H2O對(duì)FeO進(jìn)行強(qiáng)氧化，使Fe2+轉(zhuǎn)化成Fe3+氧化物，形成容易去除的以Fe2O3為主的氧化鐵皮，不致于造成鐵皮去除不良，而影響后續(xù)軋管質(zhì)量。為了保證燃料的完全燃燒，預(yù)熱段空氣過剩系數(shù)控制在1.2左右，使第一加熱段、第二加熱段及第三加熱段所造成的不完全燃燒產(chǎn)物CO及H2在預(yù)熱段能夠完全燃燒，以達(dá)到節(jié)約能源的目的，由于這一段的坯料表面溫度較低，故爐內(nèi)氣氛對(duì)坯料的氧化影響不大，不會(huì)造成坯料大量氧化，而又能保證燃料完全燃燒。

3.2縮短坯料在爐時(shí)間

由于坯料的氧化燒損量主要是在高溫段產(chǎn)生的，因此，縮短坯料在高溫段的停留時(shí)間，是減少氧化燒損的重要措施。普碳鋼坯料在爐內(nèi)的加熱時(shí)間，通常按下式進(jìn)行計(jì)算：加熱時(shí)間(min)=加熱速率(min/cm)×管坯直徑(cm)其中：加熱速率(min/cm)=0.04616D/10+5.60246(D為坯料直徑，單位mm)由此可以得出，對(duì)于直徑200mm的普碳鋼坯料，加熱速率為6.5min/cm，加熱時(shí)間為130min左右。合金鋼坯料的加熱時(shí)間則需要乘以相應(yīng)的系數(shù)，如表3所示。同時(shí)，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，減少故障時(shí)間，減少坯料停軋保溫時(shí)間，控制加熱爐出鋼節(jié)奏使加熱爐處于較大負(fù)荷生產(chǎn)，防止加熱爐處于大馬拉小車狀態(tài)，這樣可以有效地縮短坯料在爐時(shí)間，減少坯料的氧化燒損。實(shí)際生產(chǎn)證實(shí)，只要生產(chǎn)正常，加熱爐較大負(fù)荷生產(chǎn)，坯料所形成的氧化鐵皮就會(huì)明顯減少。

3.3優(yōu)化加熱制度和工藝參數(shù)

進(jìn)一步優(yōu)化和完善熱工制度，合理控制爐溫、空燃比、煙氣中的含氧量、熱負(fù)荷分配、以及合理的停、降溫制度，以達(dá)到控制爐內(nèi)氣氛的目的，在滿足軋制工藝要求的前提下，盡可能降低各爐段的溫度和坯料的出爐溫度，減少坯料長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)下的燒損。從圖3可以看出，基于表1設(shè)定的各段爐溫制度，在出鋼節(jié)奏較慢(40s)的情況下，坯料處于高溫狀態(tài)下的時(shí)間過長(zhǎng)，勢(shì)必會(huì)造成過多的燒損。因此，按坯料裝爐溫度20℃，出爐溫度1250℃考慮，加熱爐各段爐溫設(shè)定值按表4進(jìn)行調(diào)整。在此加熱制度下，經(jīng)仿真模擬計(jì)算，坯料在爐內(nèi)的溫度曲線見圖5。可以看出，在出鋼節(jié)奏較慢(40s)的情況下，加熱爐各段溫度設(shè)定調(diào)整后，理論上的坯料出爐溫度能滿足軋制要求。同時(shí)，坯料到達(dá)第二加熱段時(shí)的表面溫度為700℃左右，而在表1的加熱制度下，坯料到達(dá)第二加熱段時(shí)的表面溫度為940℃左右(見圖5)，調(diào)整后的加熱制度，明顯的縮短了坯料處于劇烈氧化階段的時(shí)間，有利于降低坯料的氧化燒損。

3.4加強(qiáng)儀表及熱工設(shè)備管理

儀表是操作工的眼睛及控制爐內(nèi)氣氛的手段，儀表不正常也就達(dá)不到控制爐內(nèi)氣氛的目的，特別是加熱，儀表測(cè)量值顯示不準(zhǔn)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整修理，定期測(cè)定天然氣熱值、及時(shí)校正空燃比設(shè)定儀表、爐溫檢測(cè)熱電偶、各流量孔板及流量控制閥等熱工儀表及熱工設(shè)備，使檢測(cè)值與實(shí)際值盡可能一致，有利于操作工的設(shè)定和操作，從而達(dá)到控制爐內(nèi)氣氛的目的。保證加熱爐內(nèi)的爐膛壓力為微正壓，防止?fàn)t門吸入冷風(fēng)破壞爐內(nèi)氣氛，盡量降低天然氣的含硫量，防止?fàn)t內(nèi)存在SO2而生成低熔點(diǎn)的FeS。

3.5提高操作工的責(zé)任

心加強(qiáng)操作工的責(zé)任心，及時(shí)調(diào)整爐溫、爐壓、空燃比、熱負(fù)荷分配，防止出現(xiàn)局部過熱熔化的現(xiàn)象，防止?fàn)t內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)氧化氣氛，可有效防止坯料的氧化。

4結(jié)語

坯料在爐內(nèi)加熱出現(xiàn)氧化燒損是不可避免的，但準(zhǔn)確控制爐內(nèi)氣氛、準(zhǔn)確控制坯料的加熱溫度、合理縮短坯料在爐時(shí)間和加強(qiáng)儀表及熱工設(shè)備管理等措施，可以有效降低坯料氧化燒損率。具體做法就是在環(huán)形加熱爐的生產(chǎn)過程中，優(yōu)化燃燒控制模型、合理控制空燃比、優(yōu)化加熱制度和和工藝參數(shù)、實(shí)現(xiàn)合理快速加熱和提高操作工的責(zé)任心等，可以把加熱爐目前的燒損率從2.3%降低到1.5%以下，每年可節(jié)約鋼材約4000t(按50萬t/a計(jì)算)，將創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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作者:肖海東 單位:重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司