（热能工程专业论文）csp均热过程钢坯氧化烧损的数值模拟研究.pdf

中南大学硕士论文摘要 摘要 辊底式均热炉是紧凑式带钢生产工艺中关键热工设备，开展降低 该工艺高碳钢坯氧化烧损的研究，对提高热轧板卷表面质量、降低吨 钢成本有重要理论和实际意义。 本文对国内外氧化烧损的研究和数值模拟技术在轧钢加热炉中 的应用现状进行综述，根据c s p 均热工艺对实验炉内氧化烧损量的 定量计算，研究了合理组织辊底式均热炉内燃烧和高温烟气流动的工 况调节方法以优化均热过程降低钢坯氧化烧损。主要研究内容包括： ( 1 ) 通过介绍纯铁在空气中的氧化过程引入钢的氧化机理，对 影响钢坯氧化烧损的主要因素、钢坯氧化烧损量经验计算模型进行综 述，并分析了制定辊底式均热炉高碳钢坯均热工艺的策略。 ( 2 ) 对描述加热炉内流动、传热及燃烧过程的数学理论和钢坯 氧化模型进行系统阐述，根据国内外研究成果和c s p 均热工艺特点， 确定了辊底式均热炉钢坯氧化烧损数学模型，并分别利用实验均热炉 实验数据和文献数据对所建模型钢坯温度和钢坯烧损量计算准确性 进行了验证。 ( 3 ) 在现有加热炉内钢坯氧化机理研究成果的基础上，基于 f l u e n t 软件和氧化烧损子程序，研究加热速率、均热温度和加热气 氛等热工因素对6 5 m n 钢均热过程氧化烧损的影响，结果表明，提高 加热速度可降低钢坯氧化烧损，增大均热温度和空气消耗系数则使钢 坯氧化加剧。 ( 4 ) 根据c s p 均热工艺特点，以实验均热炉为研究对象，研究 空气消耗系数、中心风和二次助燃风量之比以及空气预热温度对实验 炉内流体流动、燃烧及炉气与钢坯间耦合换热的影响，获得了炉内氧 化性气体分布、钢坯温度特性等重要信息，为组织均热炉内高温烟气 流动和燃烧提供了参考。 关键词紧凑式带钢生产，辊底式均热炉，氧化烧损，数值模拟 a b s t r a c t t h er o l l e rh e a r t hr e h e a t i n gf u r n a c ei st h ek e yt h e r m o t e c h i c a lf a c i l i t y o fc o m p a c ts t r i pp r o d u c t i o n ( c s p ) t h es t u d yo fi r o ns c a l em e c h a n i s mo n h i 曲一c a r b o nb i l l e t i nt h es o a k i n gp r o c e s so ft h i st e c h n o l o g yw a sc a r r i e d o u t i tw a sp r o p i t i o u st oa m e l i o r a t et h eq u a l i t yo fh o tr o l l e ds t e e ls h e e t a n dr e d u c et h ec o s t i nt h i st h e s i s ，t h el a t e s tr e s e a r c hr e s u l t so no x i d a t i o no fs t e e la n dt h e a p p l i c a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nr e h e a t i n gf u r n a c ew e r ea n a l y z e d b a s e do nt h ec o m p u t a t i o no fl o s so fi r o ns c a l ei na ne x p e r i m e n t a lf u m a c e a c c o r d i n gt ot h es o a k i n gp r o c e s so fc s pl i n e ，t h em e t h o d so fo r g a n i z i n g c o m b u s t i o na n dh i g ht e m p e r a t u r eg a sf l u i df l o wi nt h er o l l e rh e a r t h r e h e a t i n gf u r n a c ew e r es t u d i e dt oo p t i m i z et h es o a k i n gp r o c e s sa n d r e d u c el o s so fi r o ns c a l e t h ep r i n c i p a lc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) b yi n t r o d u c i n gt h eo x i d a t i o np r o c e s so fp u r ei r o ni na i r , t h e o x i d a t i o nm e c h a n i s mo fs t e e lw a sd e s c r i b e d m a n yi m p o r t a n tt h e o r i e s a b o u ti r o ns c a l ew e r es u m m a r i z e d ，s u c ha s ，t h ep r i n c i p a lf a c t o r so f i n f l u e n c i n g o x i d a t i o no fb i l l e ti n c o m p u t a t i o n a lm o d e l so fl o s so fi r o n s t r a t e g i e so fh i g h - c a r b o ns t e e li nt h e a n a l y z e da sw e l l r e h e a t i n gf u m a c e s ，t h ee m p i r i c a l s c a l e ，e t c w h a t sm o r e ，t h es o a k i n g r o l l e rh e a r t hr e h e a t i n gf u m a c ew e r e ( 2 ) t h em a t h e m a t i c a lt h e o r i e sa b o u tm o d e l i n gf l u i df l o w , h e a t t r a n s f e ra n dc o m b u s t i o ni n r e h e a t i n gf u m a c e sa n dt h ec o m p u t a t i o n a l m o d e lo fl o s so fi r o ns c a l ew e r es u m m a r i z e d a n dt h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fc o m p u t i n gl o s so fi r o ns c a l ei nt h er o ll e rh e a r t hr e h e a t i n g f u m a c ew a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ob o t ht h el a t e s td o m e s t i ca n d o v e r s e a sr e s e a r c hr e s u l t sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es o a k i n gp r o c e s so f c s pl i n e t h em a t h e m a t i c a lm o d e lw a sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l t s o f g a st e m p e r a t u r ea n dt h el i t e r a t u r ed a t ao fl o s so fi r o ns c a l e ( 3 ) b a s e do nt h el a t e s tr e s e a r c hr e s u l t so fi r o ns c a l em e c h a n i s mi n r e h e a t i n gf u m a c e s ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s o f t w a r e f l u e n t6 2i n t e g r a t e dw i t hc o m p u t a t i o n a lp r o g r a mo fl o s so fi r o ns c a l e w a su s e dt or e s e a r c ht h ee f f e c t so fr a t eo f r e h e a t i n g ，s o a k i n gt e m p e r a t u r e a n ds o a k i n g a t m o s p h e r eo nt h es o a k i n gp r o c e s so f6 5 m ns t e e l t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h el o s so fi r o ns c a l er e d u c e s w h i l ei n c r e a s i n gt h er a t eo fr e h e a t i n g ，a n di ti n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt h e s o a k i n gt e m p e r a t u r ea sw e l la si n c r e a s i n ga i rc o n s u m p t i o nr a t i o ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h et e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h es o a k i n g p r o c e s si nc s pl i n e ，t h ee f f e c t so fa i rc o n s u m p t i o nr a t i o t h er a t i oo ft h e c a p a c i t yo fc o r ea i rt ot h ec a p a c i t yo fs e c o n d a r ya i ra n da i rp r e h e a t i n g t e m p e r a t u r eo nf l u i df l o w , c o m b u s t i o na n dt h eh e a tt r a n s f e rb e t w e e ng a s a n db i l l e tw e r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l y s o m ek e yi n f o r m a t i o n ，s u c ha s ， 中南大学硕十论文a b s t r a c t t h ed i s t r i b u t i o no fo x i d i z i n gg a so ns u r f a c eo fb i l l e t ，t h et e m p e r a t u r eo f b i l l e t ，e t c ，w e r eo b t a i n e d t h o s e a r e i m p o r t a n tr e f e r e n c e d a t af o r o r g a n i z i n gh i g ht e m p e r a t u r eg a sf l u i df l o wa n dc o m b u s t i o ni nt h er o l l e r h e a r t hr e h e a t i n gf u r n a c e k e yw o r d sc s p , r o l l e rh e a r t hr e h e a t i n gf u m a c e ，l o s so fi r o ns c a l e ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：趁迤 日期：4 年毒月卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期： 年三月丝日 中南大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1国内钢铁行业现状 钢铁作为我国国民经济和国防军工发展的重要基础原料和战略物资，已广 泛应用于机械、电子、建材、交通、航天、航空、国防军工等各个行业，在国 民经济发展中具有十分重要的地位。近年来，随着我国经济的强劲增长，钢铁 产量逐年攀升，所占全球总产量比重亦有大幅度增加。如表1 1 所示，2 0 0 7 年， 我国粗钢产量为4 8 9 亿吨，同比增长1 5 7 ；第二为日本，为1 2 亿吨；随后 是美国的9 7 2 0 万吨。我国粗钢产量不仅全球第一，且产量超过第二到第八的总 和，占全球总产量的3 6 4 ，2 0 0 6 年这一比例为3 3 8 ，2 0 0 5 年为31 ，2 0 0 4 年为2 6 2 ，呈现逐年递增趋势【1 ，2 。 表1 12 0 0 7 年全球粗钢产量列前l o 位国家产量及增长率 钢材进出口方面。随着我国钢铁产量的增加，虽然国家出台各项宏观调控 以抑制钢材出口，特别是低附加值钢材，但是2 0 0 7 年，由于国际市场需求强劲 增长、供不应求，致使出口量仍然大幅增加。2 0 0 7 年，我国出口板带材2 8 3 1 8 万吨，同比增长3 9 0 ；出口管材9 3 3 8 万吨，同比增长4 5 8 ；出口棒线材 1 6 2 4 7 万吨，同比增长4 6 8 。由于钢铁产品结构的调整，技术含量较高的板 材出口总量的4 5 2 ，且板管带材合计出口3 7 6 5 6 8 万吨，占总量的6 0 1 ，板 管带材已成为钢材出口的主要品种。这说明我国钢铁行业结构性调整已初见成 效，2 0 0 7 年长材比重降到4 7 1 ，板管带比重达5 0 4 ，高于长材比重3 3 个 百分点。 然而，钢铁产量增加，高附加值产品增加的同时，与国际上发达国家相比， 我国钢铁企业在集中度、质量、成本、效益、品种、环境保护等方面尚存在较 大的差距，这些差距严重威胁到我国钢铁工业的生存和发展，并且近年来铁矿 石到岸价格的大幅度增长，使得依靠大量进口铁矿石的我国的国际市场竞争能 力受至0 削弱1 2 击j 。 实际上，在当前世界钢铁生产能力增加、区域市场趋于饱和的形势下，各 国钢厂纷纷采取提高产品附加值的生产策略。近年来高速发展的薄板坯连铸连 中南大学硕+ 论文第一章绪论 轧t s c r ( t h i ns l a bc a s t i n ga n dr o l l i n g ) 为我国提高产品附加值，开发冷轧薄 板、涂层板、电工钢等高端产品提供了出路。 1 2 c s p 工艺简介 t s c r 是2 0 世纪末世界钢铁行业的最新成就，是当代冶金领域前沿、变革 性技术，是钢铁工业近年来最重要的技术进步之一。与传统的生产工艺相比， 直接将连铸和轧制工艺紧密结合可显著提高企业经济效益，从原材料至最终产 品，吨钢投资能够下降1 9 - - - 3 4 ，吨材成本能够降低6 0 0 - 8 0 0 元人民币，厂房 面积、金属消耗、热能消耗和电耗分别是常规流程2 4 、6 6 7 、4 0 和8 0 t 7 。l o 】。 目前工业性生产的典型薄板坯连铸连轧技术有德国西马克( s m s ) 公司的 c s p 技术和i s p ( i n l i n es t r i pp r o d u c t i o n ) 技术、意大利d a n i e l i 公司的f t s r ( f l e x i b l et h i ns 1 a br o l l i n g ) 技术、奥钢联v a i 的c o n r o l l 技术以及美国蒂 金斯( t i p p i n s ) 公司的t s p ( t i p p i n s s a m s t m gp r o c e s s ) 技术等1 7 ，1 1 1 4 】。 截至2 0 0 7 年l o 月，世界上已建成投产的和部分在建的各种不同类型的薄 板坯连铸连轧生产线共计5 4 条、铸机8 6 流，总的生产能力约为9 2 0 0 万t ，统 计数据如表1 2 ，其中c s p 线2 9 条、铸机4 7 流，占薄板坯连铸机总产能的5 0 以上【1 5 1 。可见c s p 工艺是一种目前应用最为广泛的薄板坯连铸连轧技术。 表1 2 世界各种薄板坯连铸连轧生产线统计 c s p 工艺是由s m s 公司推出的，是世界上第一条薄板坯连铸连轧生产线 所采用的工艺。典型c s p 工艺流程如图1 1 所示。c s p 工艺的主要特点是，采 用立弯式铸机、漏斗型结晶器，连铸机后设辊底式均热炉作为铸坯的加热、均 热及缓冲装置，采用5 “架精轧机，成品带钢最薄为l 2 m m 。随着第2 代c s p 工厂的开发，产品配置和产品质量得到进一步改善，所生产的钢种数量不断增 加，如生产奥氏体、铁素体不锈钢以及电工钢【1 6 1 。 2 中南大学硕十论文第一章绪论 1 一中间包；2 一结晶器；3 切断剪；4 辊底式均热炉；5 事故剪；6 高压水除磷机； 7 精轧机；8 输出辊道和层流冷却装置；9 常规地下誊取机 图1 1 典型c s p 工艺流程 辊底式均热炉是连接连铸机和连轧机的重要热工设备，对连铸机和轧机的 工况变化的适应能力是该炉型的关键。板坯以连铸速度入炉，并保持这个速度 运行，在运行过程中补热和均热，然后加速至炉子出料端。接近轧机后开始减 速，使运行速度和轧机速度相同。为了充分发挥缓冲作用，炉子的长度必须保 证可以储存4 块板坯以上，在待轧时间不超过3 0 r a i n 时避免连铸机停烧。该炉 体为直通隧道式，内装耐热辊道，是连铸坯和轧机之间输送辊道和均热炉的集 成体。为适应二流连铸机向轧机输送板坯的需求，设有旋转摆动段或平行移动 段，如图1 2 所示。沿炉长设有数百个炉底辊，辊距1 0 0 0 , - 一1 2 0 0 m m ，近百个 炉底渣门，间距约2 4 m ，上百套烧嘴，大多数为侧面上加热，烧嘴数量、大小 和布置根据温度控制区段的要求确定i l7 ，博j 。 广1 i _ j 一画母一目隳 一一画日一e 一 - 徊廿e 三三国一画日一一土一 连铸机剪子 加热炉 摆动段轧机连铸机剪子 加热炉平移段轧机 图1 - 2 辊底炉均热炉示意图 辊底式均热炉按照功能可分加热段、运输缓冲段、旋转摆动( 平移) 段和 出料存储保温段等四段。 a 加热段 加热段主要是完成入炉高温铸坯的补充加热与均热，以达到轧制温度要求， 这是完成连铸连轧加热工艺的部分。该炉段的长度要求是根据板坯厚度、拉铸 3 中南人学硕士论文 第一章绪论 速度及其条件下的板坯入炉温度等因素经计算机计算而自动变化的，l - - - v r 。随 着连铸技术的日益提高和成熟，势必要增加拉速1 ，若增加铸坯的厚度，也相 应增成了加热时间百，也就是增长了加热炉段的长度上。目前总炉长已经不存在 延长的可能性，若增加加热炉段的长度，势必要减小输送缓冲段的长度，除了 造成减少缓冲时间外，更为严重的是影响两线之间板坯的摆渡，若缩短或保持 加热炉段的长度就需减少铸坯加热时间，这是摆在我们面前的难题，需要认真 研究【7 ，1 7 1 。 b 运输缓冲段 该段主要起到保温、缓冲及快速输送的作用，其炉长也是变化的，若加热 段缩，则该段相应增长。各c s p 厂的长短差别，除了板坯的长短因素外，主要 在于输送缓冲炉段的长度，该炉段愈长，双线炉操作愈灵活。 c 旋转摆渡( 平移) 段 该段长度可装一块最长的板坯，并留出摆渡期间板坯自身前后摆动的安全 距离。这是一个固定长度的特殊炉段，具有旋转摆动( 平移) 功能用于运料、 保温和缓冲。 d 出料存储保温段 该段长度与摆动炉段相同，用于保温和下道工序设备故障时储料，一般旋 转摆动式的加热炉才配置有该炉段。 1 3国内外关于加热炉内钢坯氧化烧损研究 钢材在高温热过程中，其表面与氧化性气氛接触均会发生氧化反应。钢坯 氧化烧损是金属高温氧化的一种，早在1 9 3 3 年，马普学会物理化学研究所 w a g n e r 提出带电物质以化学梯度和电位梯度为驱动力，经氧化膜缺陷扩散传质 的模型，从理论推导求出金属高温氧化抛物线规律【旧j 。t o m i n a g a 等 2 0 - 2 3 l 认为氧 化层可大致为三种分层结构f e o 、f e 3 0 4 和f e 2 0 3 ，所含比例随温度的变化而变 化，f e o 在较低温度时所占比例最大，超过8 0 ，当温度升高时，f e o 逐渐减 少，而f e 3 0 4 和f e 2 0 3 逐渐增多，当温度超过1 0 0 0 4 c 时，f e 3 0 4 成分超过5 0 。 1 3 1氧化层的形成机理 1 3 1 1 铁的高温氧化 人们对纯铁氧化过程的认识己较为完善【2 4 1 ，在引入钢的氧化机理以前，特 别的对铁的高温氧化过程加以概述，这对认识钢的氧化过程有益，因为钢的氧 化本质上跟纯铁一样是铁元素与氧元素之间的化学反应的结果，只是钢含有其 他元素，而使得氧化过程更为复杂。 4 中南大学硕十论文第一章绪论 李铁藩等1 1 明认为铁高温( 6 0 0 。c 以上) 氧化机理由如下过程组成，如图1 3 所示，在f e f e o 相界面，铁丢失电子离化。 f e = f e 2 + + 2 e ( 1 1 ) f e 2 + 与e 分别经铁离子空位与电子空穴向外扩散，到达f e o f e 3 0 4 界面， f e 3 0 4 被f e 2 + 与电子还原生成f e o 。 f e 2 + + 2 e f e 3 0 4 = 4 f e o( 1 2 ) f e f e o f e 3 0 4f e 2 0 30 2 f e “ 。 f e 2 +f e 3 + l r r f e 3 + 。 r e l e l r r el r 0 2 。 ii ii 图1 3 铁在6 0 0 。c 以上氧化机理 v 并不断提供f e 2 + 与e 。f e 2 + 与f e 3 + 经f e 3 0 4 层四面与八面空位扩散，电子经 空穴迁移，在f e 3 0 4 f e 2 0 3 界面形成f e 3 0 4 。 f e 叶+ n e + 4 f e 2 0 a = f e 3 0 4 ( 1 3 ) 这里行值为2 或3 ，即对应f e 2 + 或f e 3 + 。在f e 2 0 3 层中，如果f e 3 + 离子经曜及 电子经空穴向外扩散，在f e 2 0 3 0 2 界面而生成新的f e 2 0 3 。 2 f e 3 + + 6 时0 2 = f e 2 0 3 ( 1 - 4 ) 同时在此相界面发生氧的离化。 三0 2 + 2 e = 0 2 ( 1 - 5 ) 如果氧离子在f e 2 0 3 层中自外向里扩散，在f e 3 0 4 f e 2 0 3 界面生成f e 2 0 3 ： 2 f e 3 + + 3 0 知= f e 2 0 3 ( 1 6 ) 同时向外迁移的电子使得f e 2 0 3 0 2 界面的氧离子化。 氧在铁中溶解度很小，而扩散很快。在浮氏体( f e o ) 相中铁的扩散系数 远远大于在f e 3 0 4 与f e 2 0 3 相中，所以f e o 层的生长速度快于f e 3 0 4 与f e 2 0 3 层。在f e 3 0 4 中，铁的自扩散系数远远大于氧，这说明f e 3 0 4 的生长是铁向外 扩散传质完成的。当氧化温度较低时，在f e 2 0 3 层中氧的自扩散系数大于铁， 中南大学硕士论文 第一章绪论 故氧离子向里扩散占优势。高温则相反，故图2 1 给出了f e 2 0 3 膜的两种生长 机制，即低温时新的f e 2 0 3 在f e 3 0 4 f e 2 0 3 相界面生成，而高温时则在f e 2 0 3 0 2 界面生成。 1 3 1 2 钢的氧化机理 一般认为钢的氧化过程首先是在表面形成离子性氧化物，而氧化膜的生长 是通过膜中氧和铁离子的扩散来进行的。气氛中的氧分子吸附在膜表面上后， 获得电子而离解成氧离子，并向钢铁表面扩散，而铁离子和电子从钢表面释放 并向膜表面扩散，一旦氧离子和铁离子相遇便生成新的氧化物【2 5 1 。 钢铁在常温下也会产生氧化，在干燥条件下，这一氧化过程是缓慢的。到 了2 0 0 3 0 0 c ，表面会生成氧化膜，但如果湿度不大，这时氧化还是比较慢的。 温度继续升高，氧化的速度也随之加快，到了1 0 0 0 以上，氧化过程开始激烈 进行。当温度超过1 3 0 0 以后，氧化铁皮开始融化。 钢在高温炉内加热时，由于炉气内含有大量氧化性气体成分，随着加热温 度的升高氧化速度加快，在炉气的作用下进行强烈的氧化而生成氧化铁皮。加 热炉内氧化铁皮形成过程，即是氧和铁2 种元素的扩散过程，氧由表面向铁的 内部扩散，而铁则向外部扩散。外层氧的质量浓度大，铁的质量浓度小，生成 铁的高价氧化物；内层铁的质量浓度大，而氧的质量浓度小，生成氧的低价氧 化物。加热炉内氧化性气体主要有s 0 2 、0 2 、c 0 2 、h 2 0 。根据氧化程度的不同， 生成几种不同的铁的氧化物f e o 、f e 3 0 4 、f e 2 0 3 。 刘占增等【2 6 】认为加热炉内钢坯的氧化烧损主要包括以下氧化性气体成分 与铁元素间的化学反应。 0 2 ，钢在加热的情况下，0 2 即使浓度很小，也能使钢氧化，其反应式为： 2 f e + 0 2 = f e o( 1 7 ) f e o + 0 2 = f e 3 0 4( 1 - 8 ) 4 f e 3 0 4 + 2 0 互= 6 f e 2 0 3( 1 - 9 ) c 0 2 和c o ，c 0 2 对高温加热的板坯起到氧化作用，而c o 则起到还原的作 用，其反应式为： f e + c 0 2 = f e o + c o( 1 - 1 0 ) 3 f e + 4 c o l 2 = f e 3 0 4 + 4 c o( 1 - 1 1 ) 3 f e o + c o l 2 = f e 3 0 4 + c o( 1 - 12 ) 上述反应式决定于c 0 2 及c o 的化学浓度，若增大c o 的浓度，在一定条 件下可使反应向左进行，即能避免钢的氧化，但在高温的情况下，一般c o 的 含量会很低。 h 2 0 和h 2 与钢的反应如下： 6 中南人学硕士论文第一章绪论 f e + h 2 0 = f e o + h 2( 1 13 ) 3 f e + 4 h 2 0 = f e 3 0 4 + 4 h 2 ( 1 - 14 ) 3 f e o + h 2 0 = f e 3 0 4 + h 2( 1 15 ) 钢铁企业中加热炉多为燃用高炉、焦炉混合煤气，如脱硫不完全，煤气中 中的s 0 2 将加剧钢的氧化。炉气中的s 0 2 可大大增加钢的氧化程度，因为s 0 2 与氧化铁反应生成f e s ( 熔点为1 1 8 0 ) 而使氧化铁皮熔点降低，加剧氧化铁 皮融化，使得氧化深入进行。其反应式为： 3 f e + s 0 2 = f e s + 2 f e o ( 1 - 16 ) 事实上，由于不同钢的化学成分不同，氧离子和铁离子的扩散规律具有差 异，表现出不同的氧化特性和氧化产物，由此可见，应对不同钢种进行系统的 氧化特性和加热工艺研究，以达到减少氧化烧损的目的。 根据国内外不同钢种氧化特性的研究结果，不同试验温度下的氧化动力学 满足如下抛物线规律，b p ( a g s ) 2 = 岛+ c 。随着加热温度的提高，饰值迅速增 大，其增长规律满足a r r h e n i u s 定律，计算公式为1 1 9 1 ： 一介 k e 7 = a o e x p ( - - 青t ) ( 1 一1 7 ) 、上 式中：缸7 为抛物线氧化速率常数，d ( m 4 s ) ；q 为各钢种的激活能，j m o l ； 丁为温度，k 。 由上式不难发现，温度越高，反应速度越快，生成的氧化膜越厚。由此可 见，钢在加热过程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、氧气、二氧化 硫等； 2 ) 氧和铁接触，并进行相互扩散； 3 ) 具有一定的反应条件，如温度、化学浓度及时间等因素。 1 3 2 影n l 甸：j n 热炉内钢坯氧化的因素 从钢坯或钢锭到成品材往往加工多次，每加热一次，大约0 5 3 的钢被氧 化烧损而产生氧化铁皮，造成成材率指标下降。在加热炉中，钢坯的氧化烧损 主要与加热温度、加热时间及炉内气氛有关【1 l 1 2 ，2 6 之9 1 。 1 3 2 1 加热温度的影响 l a s a b e 等【3 2 l 研究钢坯加热温度对钢的氧化的影响，国内众多工程技术人 员【3 3 3 4 l 证实在加热炉实际运行中，钢坯氧化烧损量随加热温度的升高而增加。 在8 5 0 9 0 0 。c 以下，铁的氧化速度很小，1 0 0 0 以上则急剧上升，因为随着加 热温度的升高各成分扩散将加快。超过1 3 0 0 ( 2 以后，表面的氧化铁皮融化，扩 7 中南大学硕士论文第章绪论 散阻力变小，氧化速度大大增加。在6 0 0 1 2 0 0 。c 的范围内，碳钢氧化烧损量与 温度及时间的函数关系，有如下的经验式【3 2 j ： 9 0 0 0 w = 6 3 x1 0 4 厄一下 ( 1 1 8 ) 式中：w 为氧化烧损量，g m 2 ；f 为加热时间，m i n ；e 自然对数的底数，2 7 1 8 3 ； 丁为钢的表面温度，k 。 1 3 2 2 加热时间的影响 分析式( 1 1 8 ) 不难发现，在加热温度不变的情况下，加热时间越长，钢 的氧化烧损量越多。开始时氧化铁皮增长比较快，然后逐渐减缓，这是因为开 始形成氧化铁皮后，阻碍了扩散。但是氧化铁皮并不是很致密，不能完全防止 继续氧化，所以应当尽可能缩短加热时问。提高炉温可能会使氧化增加，但如 果能实现快速加热，反而由于加热时间的缩短而减少氧化烧损。 通过对加热温度与加热时间的讨论不难发现，要减少氧化烧损可以实施快 速加热，减少钢在高温区停留的时间，应当使加热炉的生产能力与轧机的能力 相适应。钢坯在炉温较高的炉内快速加热，达到出炉温度后，马上出炉开轧， 避免长时间停留炉内待轧。 1 3 2 3 炉内气氛的影响 炉气成分对于氧化的影响很大，根据对于金属氧化程度的影响，炉气可以 分为：氧化性气氛、中性气氛和还原性气氛。韩仁志等【3 5 】对加热炉的检测结果 显示，炉气中一般含有0 2 、c 0 2 、h 2 0 及s 0 2 等氧化性气体，氧化性最强的是 s 0 2 ，依次是0 2 、h 2 0 和c 0 2 。火焰加热炉的炉气成分决定于燃料成分、空气 消耗系数以及完全燃烧与否。邓伟等【2 8 1 的研究表明空气系数越高，氧化烧损越 重。因此，在加热炉高温段，应严格控制炉内气氛，注意适当调节炉膛内的压 力，保持微正压操作，尤其出料口附近应采取相应措施，避免吸入大量冷空气。 1 3 2 4 钢的成分的影响 t a n i g u c h i 等【3 6 1 研究结果表明s i 对高温下钢坯表面氧化层的结构有重要影 响，多位研究学者【3 2 , 3 7 1 研究结果证实多种合金元素有降低钢坯氧化的作用，如 c r 、n i 、s i 、a i 、m n 、v 等，都能够提高钢的抗氧化性能，这些元素也能被氧 化，而且比铁的氧化倾向还大，它们在钢的表面生成一层非常薄而致密的氧化 膜。这层合金成分氧化物构成的膜成了钢的保护膜，使钢的氧化速度大为降低， 外部氧化性介质不易透入。随着钢中碳含量的增加，钢的烧损率有所下降，可 能是因为钢中的碳氧化，部分生成c o ，它阻碍了氧化性气体的作用。 8 中南大学硕十论文第一章绪论 1 3 3 钢坯氧化烧损计算模型 1 3 3 1 氧化动力学计算模型 于洋等1 3 8 】将氧化动力学与现场实际相结合建立氧化动力学模型，氧化铁皮 的生长符合抛物线方程： aw2=k,*l(1-19) 将墨计算公式( 1 1 7 ) 代入上式，并对等号两边取对数，整理得下式： i n k p , 7 , l l l k + 鲁号( 1 - 2 0 ) 式中：a w 为氧化铁皮的增重，g m 2 ；k p 为抛物线氧化速率常数，9 2 ( m 4 s ) ； 丁为钢坯加热温度，k ；t 为钢坯在温度丁下的加热时间，s ；q 为各钢种的激活 能，j m o l ；k p ，7 为丁温度下的抛物线氧化速率常数，9 2 ( m 4 s ) 。 根据上述公式可绘出不同温度下的l n k p ，丁与1 t 的关系曲线。由于该曲线 为直线，则根据直线的斜率( 一q r ) 便得到不同钢种的激活能( q ) 。利用q 值可计 算出各钢种在特定温度下、不同氧化时间的氧化增重( x 聊。 1 3 3 2 宝钢热轧加热炉氧化烧损计算模型 在实际工业加热炉中，由钢坯的运动而引起的震动会使部分钢坯氧化层脱 落，以致钢坯失去氧化层的保护作用，这将进一步加剧钢坯的氧化；与此同时， 燃烧工况随生产节奏的变化而变化，即炉内热状况并不是稳定不变的，可见， 钢坯的实际氧化物理过程十分复杂，这给建立钢坯加热过程中氧化烧损计算模 型带来了很大困难。张正言等【川将加热炉内钢坯氧化反应进行简化，建立了部 分氧化层脱落条件下的氧化烧损模型，然后考虑实际因素，对模型作了进一步 的修正。 首先考虑实验炉燃烧工况稳定时，有部分钢坯氧化层脱落情况下的钢坯氧 化烧损情况，其氧化烧损量满足下列微分方程： i d w ：粤 ( 1 - 2 1 ) 衍舻 r 一7 w k = w o ( 1 2 2 ) 式中，w 为钢坯氧化烧损量；w o 为初始氧化烧损量，g m 2 ；t o 为钢坯开始加热 时刻，r a i n ；a l 和尸l 为常数，其中0 5 p l 1 。 对式( 1 2 1 ) 两边同时积分，利用式( 1 - 2 2 ) 定解条件，并令a = ( p i + 1 i ， 仁( p l + 1 ) ，可得： 9 中南大学硕士论文 第一章绪论 f ， 土丫 w - - la ( ，一f o ) + w o l ( 1 - 2 3 ) l 在实际钢坯加热过程中，实验炉内是动态升温过程，炉内气氛也处于变化 的环境，因此，需对式( 1 2 3 ) 进行修正，系数a 和p 的修正计算公式如下： a = k ( r - r o ) 匕( k 口+ 1 一 毛) ( 1 - 2 4 ) p = k ，( 丁一t o ) 咋+ 0 5( 1 - 2 5 ) 式中，丁为钢坯温度：死为钢坯入炉温度，k ；x 和r 为常数，为平滑系数， a 为空气消耗系数，0 忆 0 ，k 、r 、k e 及p p 均由实验数据回归得 出，并且对于不同的钢种稍有不同。 通过以上分析可知，目前国内外对于加热炉内氧化烧损的研究内容多集中 在反应机理、影响氧化层生成的主要因素方面；研究方法以利用电炉模拟实际 加热炉的加热环境为主。实际中加热炉多采用火焰加热方式，炉内气流和燃烧 火焰的组织对于钢坯加热均热过程中氧化层的生成有直接影响。这是因为炉内 气流的流动直接影响导致钢坯氧化反应的氧化性气体的在钢坯周围的分布；炉 内钢坯温度分布实际上是不均匀的，这与燃烧的组织是否合理有重要联系，然 而，目前针对如何合理组织加热炉内燃烧和高温烟气的流动以降低钢坯的氧化 烧损研究较少。 1 4国内外关于辊底式均热炉内高碳钢氧化烧损优化策略探讨 由于辊底式均热炉内炉气温度较高，钢坯表面产生氧化在所难免。钢坯表 面的氧化层如在高速轧制过程中压入板坯，将使最终热轧钢卷的表面质量恶化， 因此在热轧之前，钢坯表面的氧化层必须清除，即需设置除鳞工序。从连铸机 到除鳞设备的整个过程中，由于板坯始终处于很高的温度，没有传统板坯的温 度下降到室温的过程，加热的时间很短，氧化层虽然很薄，但是却很黏，氧化 铁皮很难清除，同时提高除鳞水压并不能解决问题f 1 0 1 。这要求辊底式均热炉氧 化烧损的优化需包括两个方面，其一为降低辊底式均热炉的氧化烧损率；其二 为优化氧化层的组织结构，以降低后序除鳞工艺的难度。 1 4 1 加热制度的制定 加热炉的加热制度包括炉压制度、炉温制度。炉膛压力的分布对辊底式均 热炉的影响很大，直接关系炉膛温度分布、钢的加热速度和加热质量。由气体 静力学原理可知，如果炉膛内保持正压，炉气充满炉膛，对传热有利，但炉气 由炉膛端口等处逸出，不仅恶化了操作环境，并造成热能的损失。反之，如果 l o 中南大学硕+ 论文第一章绪论 炉膛内为负压，冷空气将由炉门被吸入炉内，降低了炉温，对传热不利，并增 加了炉气中的氧含量，加剧了钢的氧化烧损。综合考虑以上因素，辊底式均热 炉的炉压控制应当保持炉内压力为微正压。辊底式均热炉为连续式加热炉的一 种，其炉压调节方法可以参照连续式加热炉。 辊底式均热炉的炉温制度。辊底式均热炉的功能主要有两部分：第一，衔 接工艺速度不同的连铸机和连轧机，即缓冲、储存连铸坯的作用；第二，补( 加) 热和均热钢坯，由于连铸坯中心温度高、表面温度低，为达到轧制工艺的要求， 必须进行均热。从辊底式均热炉的第二个功能来看，该炉型其实是二段式加热 炉，分为加热段和均热段，这是由于连铸坯的入炉温度大约为8 0 0 ，不需要 传统加热炉的预热段。辊底式均热炉又与普通二段式加热炉不同。传统意义上 的二段式加热制度是由加热段和均热段组成的，是把钢坯或锭直接装入高温炉 膛进行加热，加热速度快，这时钢坯表面温度上升快，而中心温度上升慢，金 属断面上的温差大。进入均热段以后，金属表面温度基本保持一定，而中心温 度不断上升，使表面与中心的温差逐渐缩小而趋于均匀。辊底式均热炉，虽然 符合二段式加热炉的一般特点，亦由加热段和均热段组成，但又呈现出新的特 点。连铸坯进入辊底式均热炉，其中心温度要高于表面温度，开始加热时，热 量由炉气和钢坯中心向钢坯外侧部位传递；当钢坯表面温度达到工艺要求时， 炉气温度迅速降低，并保持表面温度恒定，钢坯温度主要靠自身的导热达到均 匀状态。可见，在加热段，辊底式均热炉的加( 补) 热时间比传统二段式加热 炉要短。 辊底式均热炉均热后的钢坯要最终轧制为热轧板卷，因此其加热制度的制 订需考虑后序连轧工艺对板坯的要求。在c s p 热连轧过程中，高速运转的轧辊 对钢坯的加热质量有严格的要求，诸如：开轧温度、温度均匀性等。特别地对 于本文研究的内容，即钢坯表面氧化铁皮而言，则其要求更为严格。未完全清 除的氧化铁皮会在第一道次轧制工序从板坯上剥离，一些氧化铁皮微粒可能从 轧辊飞出，但是大部分会进入辊缝，被轻度延伸并压进钢坯表面。因为氧化皮 微粒的延伸率不完全等于板坯的延伸率，所以氧化铁皮微粒间会形成小的空间。 当板坯进入第二道次时，碎成小块的氧化铁皮塑性很差，这些碎片间的缝隙的 加大会更深入地嵌入板坯表耐3 9 】。氧化颗粒在轧制过程中被压入板坯表面是形 成c s p 热轧板卷的表面质量问题的一个重要原因，必须将在加热炉中形成中的 一次氧化铁皮完全清耐4 0 。 在c s p 工艺中，一次氧化铁皮厚度较常规均热工艺薄，但与钢坯基体粘结 力较刮1 0 1 ，因此对于优化辊底式均热炉中钢坯的氧化烧损问题，应当综合考虑 氧化烧损量和氧化铁皮结构的控制。辊底式均热炉内钢坯是经炉辊高速运输加 中南人学硕十论文第一章绪论 热的，钢坯表面氧化铁皮会因振动等原因而容易脱落，使钢坯暴露在高温烟气 中而加剧氧化烧损，因此钢坯加热温度的制订应当在辊底式均热炉的不同功能 段采取不同的策略。 在辊底式均热炉的加热段，炉气温度较高，为减少钢坯的氧化，应减少在 加热段的时间，这与辊底式均热炉实现其衔接缓冲的作用一致，钢坯在加热段 的时间越少，均热缓冲的时间相应越多，相对较好的实现其均热和缓冲，为生 产节奏的调整提供便利。因此，在辊底式均热炉的加热段应当使用快速加热技 术，钢坯在炉温较高的炉内快速加热，钢坯表面温度达到工艺要求后，快速调 整炉内工况以进行均热，并同时调整燃烧工况以降低炉气温度。当轧机出现故 障待轧时，可以根据待轧时间的长短，适当降低炉内温度，以减少烧损量。对 于炉内气氛的控制，在保证完全燃烧的前提下，应控制适当的空气消耗系数， 不应使炉气中有大量过剩空气。 1 4 2 钢坯温度分布及烟气流动的组织 对于加