环形炉坯料氧化烧损的影响及措施范文

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《工业加热杂志》2016年第5期

摘要：

通过对坯料氧化烧损的机理分析，找出影响坯料在环形加热炉内氧化的主要因素，并提出利用控制炉内气氛、缩坯料加热时间和准确控制坯料的加热温度等几种方法来达到减少坯料在环形加热炉内的氧化烧损。应用以上的理论分析，通过坯料加热仿真模拟计算，并结合环形加热炉生产实际情况，采用控制空燃比、实现快速加热、优化加热制度和工艺参数来解决坯料在加热炉内大量氧化烧损的问题。

关键词：

环形炉；氧化烧损；仿真计算；空燃比；加热制度

坯料在环形加热炉内加热过程中表面会产生氧化，氧化铁皮的产生不仅损害了钢的性能，还降低了钢的成材率[1]。氧化铁皮的热导率比金属低很多，降低了坯料的传热效率，从而使产量降低，燃耗增高[2-4]。坯料在出炉后运往轧线的过程中，其表面的氧化铁皮坯料分离，掉落并堆积在相关设备底部，导致清渣周期缩短，增加劳动强度。因此，研究坯料加热时的氧化特性，减少氧化烧损具有非常重要的意义。

1坯料氧化烧损的形成机理

坯料在加热炉中处于加热状态，氧化烧损就是坯料或金属表面的金属元素与炉气中的氧化性气体(氧气、二氧化碳、水蒸气、二氧化硫等)发生反应，使金属表面生成氧化铁皮。氧化过程其实质是一个扩散的过程，即炉气中氧以原子状态吸附到坯料表面后向内扩散，而坯料表层中的铁则以离子状态由内向表面扩散，扩散的结果是使钢的表面变为氧化铁。由于氧化扩散过程从外向内逐渐减弱，故氧化膜是由三层不同的成分组成，在表面由于过剩的氧存在，因而形成含氧较高的氧化铁，而在内层由于多余的金属存在，因而形成含氧较低的氧化亚铁，中层为含氧次之的四氧化三铁，即由外层到内层逐渐降低了氧化程度。由于氧化铁皮的熔融和氧化铁皮与铁的膨胀系数不同会发生氧化铁皮的机械分离，从而加快了金属的氧化。因此钢在加热过程中发生氧化的基本条件是：(1)必须有氧或氧化性介质的存在，如二氧化碳、水蒸气等。(2)氧与铁接触，并进行相互扩散。(3)具有一定的化学反应条件，如温度、化学浓度、时间等。

2氧化铁皮形成影响因素

坯料加热过程产生的氧化铁皮量主要与加热温度、加热时间、炉内气氛以及钢的化学成分有关。式(1)反映了加热温度、加热时间对氧化烧损量的影响。W=at0.5e-bT(1)式中：W为单位面积上生成的氧化铁皮量，g/cm2；t为时间，min；T为温度，K。

2.1加热时间

从式(1)可以看出，氧化铁皮量和加热时间是成正比的。在其他条件相同时，加热时间愈长，尤其是在高温加热段时间越长，扩散进行得愈充分，氧化烧损量愈大。实际生产证明，氧化烧损量随时间的变化曲线近于抛物线分布，即增厚速度随时间延长而减慢。这是因为已生成的氧化铁皮对氧化的进一步进行起阻碍作用。钢的进一步氧化与已生成附着于钢表面的氧化铁皮厚度成反比，如式(2)所示：dδdτ=K1δ(2)式中:δ为氧化铁皮厚度；τ为时间；K为系数。由此不难得出，氧化铁皮厚度δ与时间τ成抛物线关系，如式(3)所示：δ=Kτ0.5(3)其中，系数K决定于其他影响氧化的因素，当坯料表面温度＜650℃时，K=0。在实际生产中氧化铁皮经常在炉内脱落，使这种已生成的氧化铁皮的“保护作用”降低，加热时间的影响将更为显著。坯料在高温段加热时的模拟结果如图1所示。

2.2加热温度

坯料在室温下就开始氧化，但是氧化的速度比较缓慢，随着温度的升高，氧化的速度也在加快。钢在650℃以下时基本上不生成氧化铁皮；当温度超过760℃时氧化铁皮厚度就达到可以测量的程度；当炉内温度超过800℃时，氧化铁皮厚度显著增加，当温度达到1000℃时，开始剧烈氧化；1300～1350℃时，氧化铁皮开始熔化，烧损直线上升，它与温度的关系呈指数关系，如图2所示。

2.3炉内气氛

加热炉炉内气氛决定于燃料成分、空气过剩系数及燃烧完全程度。炉气中一般含有O2、CO2、H2O、SO2、CO、H2、CH4和N2等，它们与钢的化学反应各不相同。其中O2、CO2、H2O、SO2为氧化性气体，氧化性最强的是SO2，其次是O2、CO2和H2O。氧化铁皮的生成过程也就是钢与这些氧化性气体发生反应的过程。

1)SO2的影响S与Fe生成FeS的比例在氧化铁皮中的含量较低，但S的存在对坯料的加热质量和成品钢材的质量影响最大，含有SO2的氧化铁皮熔点显著降低。当温度高于1150℃时，硫化铁皮为液态化合物，其渗入铁碳组织晶格间，不仅增加铁的烧损而且表面含硫量增加，对钢材机械性能尤其对合金钢危害更大。SO2主要来源于燃料中的H2S，使用低硫燃料对控制坯料加热质量，减少坯料氧化烧损的作用非常明显。

2)O2的影响钢在加热的情况下，O2即使浓度很小，也能使钢氧化，其反应式为2Fe+O2==2FeO(4)Fe+2O2==Fe3O4(5)4Fe+3O2==2Fe2O3(6)氧气与铁的反应在任何温度和氧含量下均是不可逆的，铁在炉内的氧化是必然的。氧气与铁生成的氧化物在所有氧化剂中所占的比例最大，如何控制炉气中的氧含量及炉气温度，缩短加热时间显得尤为重要。控制燃料燃烧时的空气过剩系数a是减少氧化烧损的重要途径。实践表明，当a从1.3降至1.05时，a每降低0.5可减少20%的氧化铁皮生成量。

3)CO和CO2CO2对高温加热的坯料起氧化作用，而CO则起还原作用，其反应式为Fe+CO2←→FeO+CO(7)3FeO+CO2←→Fe3O4+CO(8)上述反应决定于CO及CO2浓度，若增大CO浓度，在一定条件下可使反应向左进行，即能避免钢的氧化；但在高温和空气过剩系数大于1.0的情况下，一般CO的含量会很低。

4)H2O和H2的影响H2O和H2与钢的反应如下：Fe+H2O←→FeO+H2(9)3FeO+H2O←→Fe3O4+H2(10)2Fe3O4+H2O←→3Fe2O3+H2(11)3Fe+4H2O←→Fe3O4+4H2(12)可见水蒸气对钢有氧化作用，为了防止水蒸气对钢的氧化，炉气中应有足够的H2含量。

2.4操作因素的影响

在轧线故障时，对故障时间的估计若欠准确，加热炉各段温度未能及时调整，会使坯料长期处于高温状态，氧化加剧。同时，在生产过程中，操作工如果未按实际情况及时调整炉温、炉压、空燃比等设定值，会造成炉内局部温度过高、空气量过大、出炉坯料温度过高、甚至氧化铁皮融化等问题，使坯料的氧化烧损加大。

3降低坯料氧化烧损的措施

3.1控制加热炉空燃比

环形炉实际生产中，坯料装炉温度20℃，出炉温度1250℃，加热炉各段炉温设定值，见表1。在此加热制度下，经仿真模拟计算，坯料在炉内的温度曲线见图3。由图3可以看出，坯料到达第一加热段中部时的表面温度为760℃左右，此时坯料开始形成一定的氧化铁皮。在此之后，坯料表面温度继续升高，氧化加剧，因此控制第一加热段中部之后的炉内气氛极为重要，通过控制空气系数可以达到控制炉内气氛的目的。在实际生产操作中，应尽量降低空气消耗系数，降低炉内自由氧浓度，保持炉内高温区的微正压操作，以防止冷空气吸入。碳钢加热到1250℃时氧化烧损与空气消耗系数之间的关系如图4所示。由图4可以看出，只有在空气消耗系数＜(0.5～0.55)时才有可能得到无氧化加热，空气消耗系数0.5～0.7区间曲线变化很陡；空气消耗系数0.7～1.1之间曲线变化平缓。在实际生产中，当空气消耗系数为0.7～1.0时将造成不完全燃烧，虽得到了较弱的氧化性气氛，但却浪费了燃料。因此，建议将第一加热段的空气系数控制在0.85，第二、第三加热段的空气系数控制在0.95，这样在加热炉内产生不完全燃烧产物CO及H2，使炉气中CO及H2的浓度增大，抑制H2O及CO2对坯料的氧化，同时避免炉气中存在自由氧离子，使炉内气氛为弱氧化气氛，在坯料表面形成以FeO为主的氧化铁皮。由于FeO与钢有较强的结合力，不易去除，这样坯料在加热段时不致于大量脱落，可减少新的氧化铁皮生成。为了保证坯料的加热质量，使加热后的氧化铁皮容易去除，必须将FeO转化成以Fe2O3为主，结构较疏松的氧化铁皮。因此在第一、二均热段的空气系数应保持在1.1左右，保证均热段处于氧化性气氛，使炉气中的O2、CO2、H2O对FeO进行强氧化，使Fe2+转化成Fe3+氧化物，形成容易去除的以Fe2O3为主的氧化铁皮，不致于造成铁皮去除不良，而影响后续轧管质量。为了保证燃料的完全燃烧，预热段空气过剩系数控制在1.2左右，使第一加热段、第二加热段及第三加热段所造成的不完全燃烧产物CO及H2在预热段能够完全燃烧，以达到节约能源的目的，由于这一段的坯料表面温度较低，故炉内气氛对坯料的氧化影响不大，不会造成坯料大量氧化，而又能保证燃料完全燃烧。

3.2缩短坯料在炉时间

由于坯料的氧化烧损量主要是在高温段产生的，因此，缩短坯料在高温段的停留时间，是减少氧化烧损的重要措施。普碳钢坯料在炉内的加热时间，通常按下式进行计算：加热时间(min)=加热速率(min/cm)×管坯直径(cm)其中：加热速率(min/cm)=0.04616D/10+5.60246(D为坯料直径，单位mm)由此可以得出，对于直径200mm的普碳钢坯料，加热速率为6.5min/cm，加热时间为130min左右。合金钢坯料的加热时间则需要乘以相应的系数，如表3所示。同时，保证设备正常运转，减少故障时间，减少坯料停轧保温时间，控制加热炉出钢节奏使加热炉处于较大负荷生产，防止加热炉处于大马拉小车状态，这样可以有效地缩短坯料在炉时间，减少坯料的氧化烧损。实际生产证实，只要生产正常，加热炉较大负荷生产，坯料所形成的氧化铁皮就会明显减少。

3.3优化加热制度和工艺参数

进一步优化和完善热工制度，合理控制炉温、空燃比、烟气中的含氧量、热负荷分配、以及合理的停、降温制度，以达到控制炉内气氛的目的，在满足轧制工艺要求的前提下，尽可能降低各炉段的温度和坯料的出炉温度，减少坯料长期处于高温状态下的烧损。从图3可以看出，基于表1设定的各段炉温制度，在出钢节奏较慢(40s)的情况下，坯料处于高温状态下的时间过长，势必会造成过多的烧损。因此，按坯料装炉温度20℃，出炉温度1250℃考虑，加热炉各段炉温设定值按表4进行调整。在此加热制度下，经仿真模拟计算，坯料在炉内的温度曲线见图5。可以看出，在出钢节奏较慢(40s)的情况下，加热炉各段温度设定调整后，理论上的坯料出炉温度能满足轧制要求。同时，坯料到达第二加热段时的表面温度为700℃左右，而在表1的加热制度下，坯料到达第二加热段时的表面温度为940℃左右(见图5)，调整后的加热制度，明显的缩短了坯料处于剧烈氧化阶段的时间，有利于降低坯料的氧化烧损。

3.4加强仪表及热工设备管理

仪表是操作工的眼睛及控制炉内气氛的手段，仪表不正常也就达不到控制炉内气氛的目的，特别是加热，仪表测量值显示不准，应及时调整修理，定期测定天然气热值、及时校正空燃比设定仪表、炉温检测热电偶、各流量孔板及流量控制阀等热工仪表及热工设备，使检测值与实际值尽可能一致，有利于操作工的设定和操作，从而达到控制炉内气氛的目的。保证加热炉内的炉膛压力为微正压，防止炉门吸入冷风破坏炉内气氛，尽量降低天然气的含硫量，防止炉内存在SO2而生成低熔点的FeS。

3.5提高操作工的责任

心加强操作工的责任心，及时调整炉温、炉压、空燃比、热负荷分配，防止出现局部过热熔化的现象，防止炉内出现强氧化气氛，可有效防止坯料的氧化。

4结语

坯料在炉内加热出现氧化烧损是不可避免的，但准确控制炉内气氛、准确控制坯料的加热温度、合理缩短坯料在炉时间和加强仪表及热工设备管理等措施，可以有效降低坯料氧化烧损率。具体做法就是在环形加热炉的生产过程中，优化燃烧控制模型、合理控制空燃比、优化加热制度和和工艺参数、实现合理快速加热和提高操作工的责任心等，可以把加热炉目前的烧损率从2.3%降低到1.5%以下，每年可节约钢材约4000t(按50万t/a计算)，将创造显著的经济效益。

参考文献：

[1]陆钟武.火焰炉[M].北京：冶金工业出版社，1995.

[2]宁宝林，陈海耿.炉子热过程数学模型[D].沈阳:东北大学，1990.

[3]宁宝林，陈海耿，杨泽宽.加热炉控制数学模型[J].冶金能源，1989，8(5)：17-19.

[4]东北工学院冶金炉教研室.冶金炉理论基础[M].北京：冶金工业出版社，1959.

作者:肖海东 单位:重庆赛迪热工环保工程技术有限公司