環形爐坯料氧化燒損的影響及措施范文

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《工業加熱雜志》2016年第5期

摘要：

通過對坯料氧化燒損的機理分析，找出影響坯料在環形加熱爐內氧化的主要因素，并提出利用控制爐內氣氛、縮坯料加熱時間和準確控制坯料的加熱溫度等幾種方法來達到減少坯料在環形加熱爐內的氧化燒損。應用以上的理論分析，通過坯料加熱仿真模擬計算，并結合環形加熱爐生產實際情況，采用控制空燃比、實現快速加熱、優化加熱制度和工藝參數來解決坯料在加熱爐內大量氧化燒損的問題。

關鍵詞：

環形爐；氧化燒損；仿真計算；空燃比；加熱制度

坯料在環形加熱爐內加熱過程中表面會產生氧化，氧化鐵皮的產生不僅損害了鋼的性能，還降低了鋼的成材率[1]。氧化鐵皮的熱導率比金屬低很多，降低了坯料的傳熱效率，從而使產量降低，燃耗增高[2-4]。坯料在出爐后運往軋線的過程中，其表面的氧化鐵皮坯料分離，掉落并堆積在相關設備底部，導致清渣周期縮短，增加勞動強度。因此，研究坯料加熱時的氧化特性，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理

坯料在加熱爐中處于加熱狀態，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)發生反應，使金屬表面生成氧化鐵皮。氧化過程其實質是一個擴散的過程，即爐氣中氧以原子狀態吸附到坯料表面后向內擴散，而坯料表層中的鐵則以離子狀態由內向表面擴散，擴散的結果是使鋼的表面變為氧化鐵。由于氧化擴散過程從外向內逐漸減弱，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不同會發生氧化鐵皮的機械分離，從而加快了金屬的氧化。因此鋼在加熱過程中發生氧化的基本條件是：(1)必須有氧或氧化性介質的存在，如二氧化碳、水蒸氣等。(2)氧與鐵接觸，并進行相互擴散。(3)具有一定的化學反應條件，如溫度、化學濃度、時間等。

2氧化鐵皮形成影響因素

坯料加熱過程產生的氧化鐵皮量主要與加熱溫度、加熱時間、爐內氣氛以及鋼的化學成分有關。式(1)反映了加熱溫度、加熱時間對氧化燒損量的影響。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為時間，min；T為溫度，K。

2.1加熱時間

從式(1)可以看出，氧化鐵皮量和加熱時間是成正比的。在其他條件相同時，加熱時間愈長，尤其是在高溫加熱段時間越長，擴散進行得愈充分，氧化燒損量愈大。實際生產證明，氧化燒損量隨時間的變化曲線近于拋物線分布，即增厚速度隨時間延長而減慢。這是因為已生成的氧化鐵皮對氧化的進一步進行起阻礙作用。鋼的進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為時間；K為系數。由此不難得出，氧化鐵皮厚度δ與時間τ成拋物線關系，如式(3)所示：δ=Kτ0.5(3)其中，系數K決定于其他影響氧化的因素，當坯料表面溫度＜650℃時，K=0。在實際生產中氧化鐵皮經常在爐內脫落，使這種已生成的氧化鐵皮的“保護作用”降低，加熱時間的影響將更為顯著。坯料在高溫段加熱時的模擬結果如圖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℃以下時基本上不生成氧化鐵皮；當溫度超過760℃時氧化鐵皮厚度就達到可以測量的程度；當爐內溫度超過800℃時，氧化鐵皮厚度顯著增加，當溫度達到1000℃時，開始劇烈氧化；1300～1350℃時，氧化鐵皮開始熔化，燒損直線上升，它與溫度的關系呈指數關系，如圖2所示。

2.3爐內氣氛

加熱爐爐內氣氛決定于燃料成分、空氣過剩系數及燃燒完全程度。爐氣中一般含有O2、CO2、H2O、SO2、CO、H2、CH4和N2等，它們與鋼的化學反應各不相同。其中O2、CO2、H2O、SO2為氧化性氣體，氧化性最強的是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生反應的過程。

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的存在對坯料的加熱質量和成品鋼材的質量影響最大，含有SO2的氧化鐵皮熔點顯著降低。當溫度高于1150℃時，硫化鐵皮為液態化合物，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，對鋼材機械性能尤其對合金鋼危害更大。SO2主要來源于燃料中的H2S，使用低硫燃料對控制坯料加熱質量，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即使濃度很小，也能使鋼氧化，其反應式為2Fe+O2==2FeO(4)Fe+2O2==Fe3O4(5)4Fe+3O2==2Fe2O3(6)氧氣與鐵的反應在任何溫度和氧含量下均是不可逆的，鐵在爐內的氧化是必然的。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，縮短加熱時間顯得尤為重要。控制燃料燃燒時的空氣過剩系數a是減少氧化燒損的重要途徑。實踐表明，當a從1.3降至1.05時，a每降低0.5可減少20%的氧化鐵皮生成量。

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

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

2.4操作因素的影響

在軋線故障時，對故障時間的估計若欠準確，加熱爐各段溫度未能及時調整，會使坯料長期處于高溫狀態，氧化加劇。同時，在生產過程中，操作工如果未按實際情況及時調整爐溫、爐壓、空燃比等設定值，會造成爐內局部溫度過高、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

環形爐實際生產中，坯料裝爐溫度20℃，出爐溫度1250℃，加熱爐各段爐溫設定值，見表1。在此加熱制度下，經仿真模擬計算，坯料在爐內的溫度曲線見圖3。由圖3可以看出，坯料到達第一加熱段中部時的表面溫度為760℃左右，此時坯料開始形成一定的氧化鐵皮。在此之后，坯料表面溫度繼續升高，氧化加劇，因此控制第一加熱段中部之后的爐內氣氛極為重要，通過控制空氣系數可以達到控制爐內氣氛的目的。在實際生產操作中，應盡量降低空氣消耗系數，降低爐內自由氧濃度，保持爐內高溫區的微正壓操作，以防止冷空氣吸入。碳鋼加熱到1250℃時氧化燒損與空氣消耗系數之間的關系如圖4所示。由圖4可以看出，只有在空氣消耗系數＜(0.5～0.55)時才有可能得到無氧化加熱，空氣消耗系數0.5～0.7區間曲線變化很陡；空氣消耗系數0.7～1.1之間曲線變化平緩。在實際生產中，當空氣消耗系數為0.7～1.0時將造成不完全燃燒，雖得到了較弱的氧化性氣氛，但卻浪費了燃料。因此，建議將第一加熱段的空氣系數控制在0.85，第二、第三加熱段的空氣系數控制在0.95，這樣在加熱爐內產生不完全燃燒產物CO及H2，使爐氣中CO及H2的濃度增大，抑制H2O及CO2對坯料的氧化，同時避免爐氣中存在自由氧離子，使爐內氣氛為弱氧化氣氛，在坯料表面形成以FeO為主的氧化鐵皮。由于FeO與鋼有較強的結合力，不易去除，這樣坯料在加熱段時不致于大量脫落，可減少新的氧化鐵皮生成。為了保證坯料的加熱質量，使加熱后的氧化鐵皮容易去除，必須將FeO轉化成以Fe2O3為主，結構較疏松的氧化鐵皮。因此在第一、二均熱段的空氣系數應保持在1.1左右，保證均熱段處于氧化性氣氛，使爐氣中的O2、CO2、H2O對FeO進行強氧化，使Fe2+轉化成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，而影響后續軋管質量。為了保證燃料的完全燃燒，預熱段空氣過剩系數控制在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物CO及H2在預熱段能夠完全燃燒，以達到節約能源的目的，由于這一段的坯料表面溫度較低，故爐內氣氛對坯料的氧化影響不大，不會造成坯料大量氧化，而又能保證燃料完全燃燒。

3.2縮短坯料在爐時間

由于坯料的氧化燒損量主要是在高溫段產生的，因此，縮短坯料在高溫段的停留時間，是減少氧化燒損的重要措施。普碳鋼坯料在爐內的加熱時間，通常按下式進行計算：加熱時間(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，對于直徑200mm的普碳鋼坯料，加熱速率為6.5min/cm，加熱時間為130min左右。合金鋼坯料的加熱時間則需要乘以相應的系數，如表3所示。同時，保證設備正常運轉，減少故障時間，減少坯料停軋保溫時間，控制加熱爐出鋼節奏使加熱爐處于較大負荷生產，防止加熱爐處于大馬拉小車狀態，這樣可以有效地縮短坯料在爐時間，減少坯料的氧化燒損。實際生產證實，只要生產正常，加熱爐較大負荷生產，坯料所形成的氧化鐵皮就會明顯減少。

3.3優化加熱制度和工藝參數

進一步優化和完善熱工制度，合理控制爐溫、空燃比、煙氣中的含氧量、熱負荷分配、以及合理的停、降溫制度，以達到控制爐內氣氛的目的，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，減少坯料長期處于高溫狀態下的燒損。從圖3可以看出，基于表1設定的各段爐溫制度，在出鋼節奏較慢(40s)的情況下，坯料處于高溫狀態下的時間過長，勢必會造成過多的燒損。因此，按坯料裝爐溫度20℃，出爐溫度1250℃考慮，加熱爐各段爐溫設定值按表4進行調整。在此加熱制度下，經仿真模擬計算，坯料在爐內的溫度曲線見圖5。可以看出，在出鋼節奏較慢(40s)的情況下，加熱爐各段溫度設定調整后，理論上的坯料出爐溫度能滿足軋制要求。同時，坯料到達第二加熱段時的表面溫度為700℃左右，而在表1的加熱制度下，坯料到達第二加熱段時的表面溫度為940℃左右(見圖5)，調整后的加熱制度，明顯的縮短了坯料處于劇烈氧化階段的時間，有利于降低坯料的氧化燒損。

3.4加強儀表及熱工設備管理

儀表是操作工的眼睛及控制爐內氣氛的手段，儀表不正常也就達不到控制爐內氣氛的目的，特別是加熱，儀表測量值顯示不準，應及時調整修理，定期測定天然氣熱值、及時校正空燃比設定儀表、爐溫檢測熱電偶、各流量孔板及流量控制閥等熱工儀表及熱工設備，使檢測值與實際值盡可能一致，有利于操作工的設定和操作，從而達到控制爐內氣氛的目的。保證加熱爐內的爐膛壓力為微正壓，防止爐門吸入冷風破壞爐內氣氛，盡量降低天然氣的含硫量，防止爐內存在SO2而生成低熔點的FeS。

3.5提高操作工的責任

心加強操作工的責任心，及時調整爐溫、爐壓、空燃比、熱負荷分配，防止出現局部過熱熔化的現象，防止爐內出現強氧化氣氛，可有效防止坯料的氧化。

4結語

坯料在爐內加熱出現氧化燒損是不可避免的，但準確控制爐內氣氛、準確控制坯料的加熱溫度、合理縮短坯料在爐時間和加強儀表及熱工設備管理等措施，可以有效降低坯料氧化燒損率。具體做法就是在環形加熱爐的生產過程中，優化燃燒控制模型、合理控制空燃比、優化加熱制度和和工藝參數、實現合理快速加熱和提高操作工的責任心等，可以把加熱爐目前的燒損率從2.3%降低到1.5%以下，每年可節約鋼材約4000t(按50萬t/a計算)，將創造顯著的經濟效益。

參考文獻：

[1]陸鐘武.火焰爐[M].北京：冶金工業出版社，1995.

[2]寧寶林，陳海耿.爐子熱過程數學模型[D].沈陽:東北大學，1990.

[3]寧寶林，陳海耿，楊澤寬.加熱爐控制數學模型[J].冶金能源，1989，8(5)：17-19.

[4]東北工學院冶金爐教研室.冶金爐理論基礎[M].北京：冶金工業出版社，1959.

作者:肖海東 單位:重慶賽迪熱工環保工程技術有限公司