富氧燃烧加热炉内钢坯氧化烧损影响因素分析.docx

富氧燃烧加热炉内钢坯氧化烧损影响因素分析王乃帅1 ，温治1，2 ，楼国锋1，2 ，刘利军1 ，冯霄红3 ，张道明3( 1北京科技大学 机械工程学院，北京100083; 2北京科技大学 冶金工业节能减排北京市重点实验室，北京100083; 3重庆赛迪工业炉股份有限公司，重庆400013)摘要: 针对富氧燃烧加热炉内钢坯的氧化烧损问题，基于氧化反应动力学，建立钢坯氧化烧损速率模型，通过模拟计算，逐个分析各操作参数对钢坯氧化的影响规律。结果表明，提高钢坯入炉温度，降低加热终了温度，提高表面升温速率，减少均热时间等均可缩 短钢坯在炉时间，降低氧化烧损，提高生产率; 随着空气消耗系数及富氧率的增大，钢坯氧化烧损量增加。在保证燃料完全燃烧情 况下，可采用较小空气消耗系数，以降低烟气含氧浓度，减少钢坯氧化烧损。关键词: 富氧燃烧; 加热炉; 氧化烧损; 数值模拟中图分类号: TG161文献标志码: A文章编号: 0254-6051( 2014) 03-0013-05Analysis of influencing factor on oxidation burning loss of billetin heating furnace with oxygen-enriched combustionWang Naishuai1 ，Wen Zhi1，2 ，Lou Guofeng1，2 ，Liu Lijun1 ，Feng Xiaohong3 ，Zhang Daoming3( 1 School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China;2 Beijing Key Laboratory of Energy Saving and Emission eduction for Metallurgical Industry，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China; 3 CISDI Industrial Furnace Co ，Ltd ，Chongqing 400013，China)Abstract: Oxidation burning loss rate model of billet was set up based on oxidation reaction kinetics for oxidation burning loss of billet inheating furnace with oxygen-enriched combustion Effect of various operating parameters on the oxidation of billet was studied by simulation calculation The results show that those measures，such as increasing the charging temperature and surface heating rate，reducing the discharging temperature and soaking time by cutting down the total time of heating，can reduce the oxidation burning loss and improve productivity With increasing of air consumption coefficient and oxygen enrichment rate，the oxidation burning loss of billet is enlarged Smaller air consumption coefficient can reduce the oxidation burning loss of billet in order to reduce the oxygen concentration of flue gas under the condition of the fuel complete combustionKey words: oxygen-enriched combustion; heating furnace; oxidation burning loss; simulation由于加热气氛的氧化性，钢坯在加热过程中会发生大量的氧化烧损。氧化皮的产生不仅消耗了能量、 阻碍了传热，而且会增加作业率、降低成材率，造成大 量经济损失。因此，对加热炉内钢坯的氧化烧损过程 进行准确的预测和控制是非常重要的1。目前国内外对于加热炉内钢坯氧化烧损数学模型 的研究主要集中在抛物线性方程，研究方法以利用电 炉模拟实际加热炉的加热环境为主，通过试验数据确 定钢坯激活能，研究炉气温度及加热时间等对钢坯氧 化烧损的影响2-3。由于常规燃烧中二氧化碳及水蒸气浓度比较低，研究烟气成分的影响时也只考虑了氧气对钢坯的氧化作用。应用于实际加热炉的氧化烧损 模型4，虽 根据试验数据对模型中相关参数进行修 正，使其能够准确预测钢坯氧化烧损的产生，然而该模 型无法从机理上揭示各工艺操作参数对钢坯烧损量的 影响规律。富氧燃烧加热炉中，由于氮气量的减少，二 氧化碳及水蒸气浓度较常规燃烧要高得多，而加热炉 炉膛温度一般控制在 1100 1300 之间，在如此高温 环境下，高浓度的二氧化碳及水蒸气与铁的氧化反应 会明显加剧。某气体公司对纯氧燃烧炉内钢坯的氧化 烧损进行了试验研究5，结果表明，富氧燃烧提高了 氧化烧损的速率，生产中通过减少钢坯在炉时间可以 降低氧化烧损量。然而，该研究仅仅是对试验结果进 行了总结，并没有针对富氧燃烧状况下，各个操作参数 对钢坯氧化的影响进行逐个的深入的理论分析。因此 有必要对富氧燃烧加热炉内钢坯的氧化烧损规律进行 理论研究。收稿日期: 2013-09-25基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金( FF-SD-12-013A) 作者简介: 王乃帅( 1986) ，男，博士研究生，主要从事冶金设备热工过 程数值仿真与优化控制工作，发表论文 5 篇，联系电话: E-mail: wangnaishuai 126 com。通讯作者: 楼国锋，E-mail: lgf ustb edu cndoi: 10 13251 / j issn 0254-6051 2014 03 00314第 39 卷本文分析了影响钢坯氧化烧损的主要原因，并基于氧化反应动力学，建立了富氧燃烧气氛钢坯氧化烧 损速率模型，通过模拟计算，逐个分析了各操作参数对 钢坯氧化的影响规律。模型中的线性常数可表示为:( 3)Kl = Kl，O + Kl，CO + Kl，H O222Kl，O 描述的是对氧化层氧的供应，即氧在钢坯边2界层环境里的扩散能力。6DO uDO22 4 模型的建立基本假设条件钢坯的氧化烧损过程包括三种氧化性气体与铁及gassurf11 1槡 ( CO2 CO2 )( 4)Kl，O =MFe23槡L式中，CgassurfO2 和 CO2 分别表示离钢坯远距离处的氧气的浓度和接近钢坯处的氧气的浓度，mol / m3 ; 表示气体的运动粘度，m2 / s; u 是钢坯表面气流流速，m / s; L 是钢铁的氧化物之间的多个反应，氧化速率与氧气在气相边界层的扩散速率、表面反应速率、Fe2 + 在氧化层的扩 散速率等因素相关联，非常复杂。因此，为提高计算效 率，建立数学模型时需要做如下合理的假设和简化:坯的特征尺寸，m; DO 是氧气在钢坯表面气体边界层2里的扩散系数，m2 / s。烟气中的 CO2 和 H2 O 与钢坯发生反应时，表面反 应是反应速度的限速环节。因此影响钢坯氧化的线性 常数可表示为:1)假设加热炉内烟气各成分浓度分布均匀，仅与燃料及助燃气有关。2) 假设在助燃气过剩系数 a1 前提下，燃料完 全燃烧。3 (1 *)PCOaCO2 2Kl，CO = MFe kCO ( aCO*)( 5)222aa a2CO*3)假设钢坯表面温度仅为时间的函数，暂不考虑2() 2炉内传热特性及氧化层导热的影响。4) 忽略 FeO 和 Fe3 O4 及 Fe2 O3 之间转换，仅考虑 铁与 FeO 间氧化反应。5) 忽略加热过程中氧化铁皮的剥离脱落对氧化 烧损量的影响。*H2OKl，H O = MFe kH O ( aH O )( 6)PH O31 2222H2O式中，PCO 、PH O 分别为烟气中 CO2 和 H2 O 的分压力，22atm ( 1 01 105Pa) ; aCO 、aH O 分别为烟气中 CO2 与22CO、H2 O 与 H2 的分压力的比值; aCO 、aH O 分别为 CO222*和 H2 O 与的氧化反应平衡时，烟 气中的与FeCO2氧化动力学模型本文采用氧化层线性和非线性增长的组合模型。 线性模型同时考虑氧气穿过边界气层到达氧化物的扩 散过程及二氧化碳 / 水蒸气与铁的表面反应过程，非线 性模型考虑 Fe2 + 在铁酸盐层里的扩散过程6，具体见 公式( 1) 。1 2CO、H2 O 与 H2 的分压力的比值; kCO 、kH O 分别为 CO222和 H2 O 与 Fe 的氧化反应的表面速率常数，与表面层 中 Fe2 + 浓度有关，kg / ( m2 satm) 。1 3模型的验证Poirier 等人8在小型试验炉内对不同成分钢坯在 1 W + 1 ( W) 2 = 不同富氧率、不同烟气含氧浓度组合工况下的氧化烧损情况进行了试验研究。本文以普通结构钢的试验数据 对模型进行验证。模拟时取与试验一样的炉气温度和 气氛。燃料为天然气，试验中保持炉温在 1100 ，模拟 时认为钢坯在均热炉内加热过程中表面温度不变，均( 1)KlKp式中，W 表示金属质量的损失，kg / m2 ; 表示时间，s。KP 描述的是 Fe在铁酸盐层里的扩散能力，它是温 度、钢铁等级和炉气气氛的函数。2 +22FeO MFe热时间取与试验相同的 240min。*( 2)M2DFe2 + ( yFeO/ Fe3O4 yFeO/ Fe )Kp = 6以烟气含氧量 1 7% 、富氧率 75% 和含氧量 4 3% 、富氧率 0% 两组试验数据与模型计算值进行对比分 析，如图 1 所示。由图 1 可见，氧化烧损量的模拟值和 试验值吻合较好。含氧量 1 7% 工况下，前 3 个测量 点试验值低于模拟值，这是由于试验中钢坯是冷态入 炉，在加热初期有一个升温过程，模拟时忽略了钢坯的 升温过程，因此模拟值要相对高一些。含氧量 4 3% 工况下所有试验值均高于模拟值，这是因为该工况下， 烟气中氧势高，在钢坯表面气相边界层扩散迅速，钢坯 被氧化成高价氧化铁的比例增加，模型中假设氧化皮FeO式中，MFe 和 MFeO 分别是铁和氧化亚铁的分子量，kg /mol; 是氧化亚铁密度，kg / m3 ; y 是铁离子的摩尔FeO比，yFeO / Fe 和 yFeO/ Fe O 分别表示氧化亚铁与铁或与四氧3 4化三铁反应平衡时的铁离子的摩尔浓度比; D*Fe2 + 是铁离子在氧化亚铁中的扩散系数，m2 / s。试验研究表明7，在钢坯加热初期，加 热气氛中 的氧化性气体成分( O2 、CO2 、H2 O) 对钢坯的氧化作用 与氧化速率成线性比例关系。氧化性气体对钢坯氧化 烧损的综合影响为单一气体作用的线性叠加，即氧化王乃帅，等: 富氧燃烧加热炉内钢坯氧化烧损影响因素分析第 3 期15均为氧化亚铁，氧化铁摩尔质量大于氧化亚铁，因此该工况下试验值高于模拟值。各测量点试验值与模拟值 相对误差均在 8% 以内，由此可以说明，用所建立的数 学模型和计算方法对钢坯在加热炉内的氧化烧损过程 进行数学模拟是适用的。图 2 试验钢坯入炉温度对氧化烧损量的影响Fig 2 Influence of charging temperature on the oxidation burning loss of the tested billet关。对不同加热终了温度下钢坯的氧化烧损量进行模拟，其结果如图 3 所示。在钢坯加热初期，氧化烧损速 率基本一致; 加热一定时间后，随着加热终了温度的提 高，烧损量急剧增加，加热终了温度 1250 时，钢坯烧 损量是加热终了温度 1100 工况下的 1 8 倍。这是 由于随着钢坯加热温度的升高，氧气、铁离子等成分的 扩散加速，氧化性气体和钢的化学反应平衡常数也有 变化，为加速氧化创造了条件，使钢的氧化加剧，同时由 于钢坯在高温区停留时间延长，致使最终烧损量大幅增 加。因此在实际生产中应控制钢坯出炉时的最佳温度， 钢坯温度过低达不到轧制工艺的质量要求，温度过高不 仅浪费了能源，而且会使氧化烧损量增加，降低产品质 量。采用计算机二级数学模型，优化一级燃控系统，实 现加热温度的准确控制，使钢坯以轧制质量所要求的最 低温度出炉，以降低氧化烧损，提高产品质量。图 1 炉温 1100 普通结构钢氧化皮生成量模拟值与试验值对比Fig 1 Simulated value vs test value of the amount of general structural steel oxide skin at 1100 2模拟结果与分析钢坯加热过程相关工艺参数有钢坯入炉温度、加热终了温度、加热时间、空气消耗系数以及助燃气富氧率等，这些工艺参数直接关系到钢坯表面温度、炉内气 氛的变化，进而影响到钢坯氧化烧损的产生。由钢坯 氧化烧损模型对不同的工艺参数进行模拟，所得结果 为指导实际生产，减少钢坯氧化烧损程度奠定基础。 2 1钢坯入炉及出炉温度的影响对不同入炉温度下钢坯的氧化烧损量进行模拟， 其结果如图 2 所示。随着入炉温度的增加，钢坯加热 初期氧化烧损速度明显加快，在加热 15 min 内，400 入炉的钢坯烧损量几乎没有增加，而 700 入炉的钢坯烧损量达到 0 3 kg / m2 ，这是由于 CO 和 H O 只有22在高温条件下才对钢坯起氧化作用，温度较低时，氧气扩散速率较小，因此 600 以下时钢坯表面基本上不 生成氧化铁皮。不同入炉温度下，钢坯烧损量基本相 同，但是高入炉温度可以减少加热时间，缩短钢坯在炉 时间，提高生产率，因此生产中大力发展钢坯热送热装 技术，以提高产量，降低能耗。在钢坯冷态入炉时，一 般采取“延长预热段，高温快速加热，均热段少加热” 的原则，设计加热炉9。因为延长预热段，既 可以降 低排烟温度，提高热效率，同时钢坯在预热段预热到图 3 试验钢坯加热终了温度对氧化烧损量的影响Fig 3 Influence of discharging temperature on the oxidation burning loss of the tested billet2 2钢坯加热及均热时间的影响钢坯表面升温速率与炉气温度、炉气辐射能力以 及钢坯导热能力、透热深度等相关。对不同升温速率 下钢坯的氧化烧损量进行模拟，其结果如图 4 所示。 随钢坯表面升温速率的提高，钢坯加热时间缩短，在短 ，提高钢 坯的热含量，为高温快速加热创造条 800件，而且在低温条件下，钢坯氧化烧损量较低，再加上快速通过高温段，可以降低整体氧化烧损量。 钢坯加热终了温度与钢坯成分及后续轧制工艺有16第 39 卷时间内即可达到出炉轧制要求，同时钢坯氧化烧损量明显降低。图 5 试验钢坯均热时间对氧化烧损量的影响Fig 5 Influence of soaking time on theoxidation burning loss of the tested billet图 4 试验钢坯表面升温速率对氧化烧损量的影响Fig 4 Influence of surface heating rate on the oxidation burning loss of the tested billet1 1、1 2 和 1 3 的气氛中均热保温 40 min 时，钢坯的氧化烧损量随空气消耗系数的增加而增加。空气消耗 系数为 1 0 时，烧损量为 2 01 kg / m2 ; 空气消耗系数为 1 3 时，烧损量则增加到 2 54 kg / m2 ，增加了 26 6% 。 在实际燃烧工况的调节过程中，采用较大的空气消耗 系数时，未参与燃料燃烧的助燃剂增多，均热炉内含有 大量的残留氧气，加剧了钢坯的氧化。因此，在满足燃 料充分燃烧的前提下，应使用较小的空气消耗系数，减 小炉内烟气含氧量。由图 6 还可以看出，当空气消耗 系数为 1 0 时，在钢坯加热前 20 min 几乎没有发生氧 化烧损，30 min 后氧化烧损量随加热时间近似成抛物 线性增加。这是因为空气消耗系数为 1 0 时，烟气中 残留氧气极少，而钢坯在加热初期的氧化速率取决于 氧气的扩散，因此开始阶段没有氧化铁皮的产生; 随着 钢坯表面温度的升高，二氧化碳和水蒸气的氧化作用 逐渐加强，铁离子的扩散速度也随温度加快，因此在均 热段钢坯烧损量急剧增加。钢坯升温速率决定于两方面因素10。首先是供给的热流量，它决定于炉气温度、炉气辐射能力和钢坯 表面温度; 其次是被加热钢坯接收热流的能力，它决定 于被加热板坯的原始温度，导热能力，透热深度和给定 的加热温度。加热炉在加热钢坯过程中，炉膛温度和 钢坯表面温度差距越大，提供给钢坯的热量越多，钢坯 表面升温速率就越快。但如果一味提高炉气温度，虽 然供入了大量热量，但钢坯吸热能力不足，辐射热流大 于钢坯的吸热能力，钢坯表面就极易发生化钢等加热 质量缺陷，而 一旦化钢，将加大板坯的氧化烧 损11。 在加热炉实际生产中，尤其是富氧燃烧加热炉，炉气温 度及炉气辐射能力均较常规燃烧加热炉有一定程度的 提高，因此应根据钢坯吸热能力，优化加热制度，在保 证不发生化钢等加热质量缺陷的前提下，尽可能提高 钢坯表面升温速率，以缩短在炉时间，提高产量，降低 钢坯氧化烧损量。对不同均热时间下钢坯的氧化烧损量进行模拟， 其结果如图 5 所示。均热段钢坯表面温度约为其加热 终了温度 1150 1250 ，正是氧化铁皮快速增长的温 度区间，随均热时间的增加，氧化烧损量线性增加。因 此，在实际生产中，应加强加热炉与轧机的协调管理， 减少钢坯的保温待轧时间。2 3空气消耗系数及富氧率的影响空气消耗系数决定了烟气中各组分浓度，尤其是图 6 空气消耗系数对试验钢坯氧化烧损量的影响Fig 6 Influence of air consumption coefficient on the oxidation burning loss of the tested billet烟气含氧量。对不同空气消耗系数下钢坯的氧化烧损量进行模拟，其结果如图 6 所示。空气消耗系数是燃 烧过程中实际供给氧气量与理论上燃料完全燃烧所需 要氧气量之比，空气消耗系数越大，炉内残留的氧气含 量越大。当钢坯入炉温度为 600 ，以 20 / min 加 热速度到 1200 ，并在空气消耗系 数 分 别 为 1 0、一般采用往空气中兑纯氧的方式来实现助燃气富氧，因此富氧率是一个非常重要的工艺参数。富氧率 是指纯氧流量占总体氧气流量的百分比。富氧率越王乃帅，等: 富氧燃烧加热炉内钢坯氧化烧损影响因素分析第 3 期17高，助燃气体中氮气的比值越少，因此燃烧生成的烟气中氧化性气体浓度越高。对不同富氧率下钢坯的氧化 烧损量进行模拟，其结果如图 7 所示。随着富氧率的增大，钢坯氧化烧损量增多。当富氧率 0% 时，钢坯烧 损量为 2 41 kg / m2 ; 富氧率 100% 时，烧 损量增加到高温氧化气氛环境中的停留时间，在提高生产率的同时可以降低氧化烧损。2)烟气中的过剩氧气是钢坯发生氧化烧损的主要氧化剂，但在高温条件下，烟气中二氧化碳及水蒸气的氧化作用几乎与烟气含氧量等同，随着空气消耗系kg / m2 ，增长了 8 7% 。这主要是因为随着富氧 数及富氧率的增大，烟气中 OO 等氧化性气2 62、CO 、H222率的增大，烟气中氧浓度增加，二氧化碳和水蒸气的分压力增大，使氧气的扩散速率及 CO2 、H2 O 与铁的反应 速率增大，加剧了钢坯的氧化。图 7 还表明，在钢坯表 面温度较低时，助燃气氧浓度对氧化烧损影响很小，随 着钢坯温度的上升，氧化烧损量随氧浓度的增加变化 幅度增大，这是因为低温下氧化速率主要受温 度的 限制。氛浓度增大，钢坯氧化烧损量增加。在保证燃料完全燃烧情况下，可采用较小空气消耗系数，以降低烟气含 氧浓度，减少钢坯氧化烧损。参考文献:1洪 流，齐丽英，苍大强，等 富氧技术在轧钢加热炉中氧化烧损 和节能的试验研究J 工业炉，2012，34( 6) : 1-42贾丽娣，刘常鹏，张 宇，等 高碳钢加热过程脱碳特性分析J 冶金能源，2004，23( 2) : 11-143陈 永，孙 浩，薛念福，等 重轨钢坯加热工艺优化研究J 钢铁，2005，37( 9) : 52-554张正言 宝钢热轧加热炉氧化烧损计算数模的建立和实施J 宝 钢技术，2003( 4) : 30-325Adolfi J，Ekman T，von Schele J，et al Scale formation and surface quality of carbon steel at oxyfuel heatingC/ / The 9th International Conference on Steel olling Paris，2006: 1-76Marston H F，Bolt P H，Leprince G，et al Challenges in the modeling of scale formation and decarburi-sation of high carbon，special and general steelsJ Ironmaking and Steelmaking，2004，31( 1) : 57-657Abuluwefa H T Characterization of oxides ( scale) growth of low carbon steel during reheatingD McGill University，Canada，19968Poirier D，Grandmaison