加热炉氧化烧损原因与对策分析

1、收稿日期:2003-08-18刘占增,工程师; 430080湖北省武汉市。加热炉氧化烧损原因与对策分析刘占增郑兆平丁翠娇曾汉生张道明(武汉钢铁集团公司技术中心摘要就加热炉加热过程中氧化铁皮的形成机理及影响因素进行了论述,并介绍了目前国 内解决氧化烧损所采取的一些有益的方法。 关键词加热炉氧化烧损对策R e a s o n s o f o x i d a t i o n b u r n i n gl o s s t o h e a t i n gf u r n a c e a n d i t s c o u n t e r L e a s u r e s L i u Z h a n z e n

2、g Z h e n g Z h a o p i n g D i n g C u i j i a o Z e n g H a n s h e n g Z h a n g D a o m i n g(W u h a n I r o n a n d S t e e l S r o u p Co . A b s t r a c t T h e f o r m i n g m e c h a n i s mo f s c a l e a n d i n f l u e n c e f a c t o r s o nh e a t i n gf u r n a c e a r e d i s c u s

3、s e d i n t h i s p a p e r , a n d s o m e p r e s e n t l y h e l p f u l m e t h o d s a d o p t e d t o r e d u c e o x i d a t i o n b u r n i n g l o s s a t h o m e a r e i n t r o d u c e d .K e yw o r d s h e a t i n g f u r n a c e o x i d a t i o n b u r n i n g l o s s c o u n t e r m e

4、a s u r e 1前言钢坯在加热炉加热过程中,由于加热介质具 有氧化性,在钢坯表面会产生氧化,这不仅损害 了钢的性能,还导致大量的氧化烧损,并造成巨 大的经济损失。同时钢坯在加热运行中,受炉头 负压温降影响,氧化铁皮收缩后与钢坯分离,掉 入并堆积在均热段炉底,这不仅使炉底耐火材料 受到侵蚀,而且大量的铁皮堆积,迫使操作工人 每隔几小时就得扒渣,甚至被迫停炉扒渣,不仅 增加了劳动强度,也影响了作业率。此外,在轧 制过程中,如果钢坯表面的氧化铁皮未被高压水 除净,而被压入钢坯和钢材,这又直接影响了产 品的质量并降低了成材率。因此,认真研究钢坯 加热时的氧化特性,减少氧化烧损具有非常重要 的意义

5、。2氧化铁皮的形成机理及影响因素钢的氧化是在加热炉加热过程中,氧原子与 铁原子发生反应的结果。即在加热过程中,炉气 中的氧原子通过钢坯表面向钢坯内部扩散,而铁 原子则由钢坯内部向外扩散,当两种元素相遇 时,在一定条件下就会起化学反应生成氧化物, 而且钢坯的外层多为高价氧化物 F e 3O 4。因此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、水蒸气等。(2氧和铁接触,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. 1加热温度的影响钢坯在室温下就开始氧化,它是一个缓慢复 杂的过程,首先是氧向钢坯表面扩散,然后吸附 进行化学反应,生

6、成氧化铁,向钢坯内部扩散, 随着温度的升高,反应速度加快。钢坯加热温度与钢坯氧化烧损铁皮厚度有着3冶金 能 源E N E R G YF O R M E T A L L U R G I C A L I N D U S T R YV o l . 23N o . 2M a r . 2004直接的关系。温度越高,单位时间内生成的氧化 铁皮量就越多。加热温度与钢坯氧化烧损的关系 成指数关系,单位面积上生成的氧化铁皮量 W 与温度 T 有如下关系:W E a 0. 5e -b T (g /c m 2 (1 式中 时间 /m i nT 温度 /K在 6001100 温 度 范 围 内, a E6. 30,

7、b E 9000。由(1式可知,单位面积上生成的氧化铁 皮量 W 与温度 T 呈指数关系。其速率的增加是 非常快的。钢在 650 以下时基本上不生成氧化 铁皮;当其温度超过 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, 氧化铁皮厚度就显著增加。其关系如表 1所示。表 1氧化烧损量与温度的关系t / 200400600800100012001400 T /K 4736738731073127314731673 W / c m -20. 002660. 75916. 26111. 1414. 910832249由表 1可以看出,氧化烧损量随着温度升高 而剧烈增加。设

8、800 时的氧化烧损量为 1,则 1000 时氧化烧损量为其 4倍, 1200 时约为 10倍, 1400 时增加到 20倍。一般情况下,加热炉加热段和均热段炉温控 制在 12001300 ,钢坯正好处在氧化烧损量 生成很高的温度段。可见,温度是影响氧化铁皮 生成的主要因素。2. 2加热时间的影响由(1式也可以看出,加热时间与氧化烧 损成正比,即在相同的条件下,加热时间越长, 氧化生成的铁皮越厚,钢的氧化烧损越多。尤其 是钢在高温条件下,停留时间越长,氧化铁皮生 成量就越大。以含碳量 0. 3%的碳钢为例,来看在不同温 度下烧损量与时间的关系。开始时随时间的增长 氧化较快,而后逐渐减慢,这是因

9、为开始形成氧 化铁皮后,阻碍了扩散。实测发现当钢坯在炉内 时间为 120140m i n 时,氧化铁皮厚度为 2. 3 2. 8m m ; 180240m i n 时,氧 化 铁 皮 厚 度 均 在 4. 0m m 以上。由此可见,加热时间越长,氧化烧损量就越多。2. 3炉内气氛的影响加热炉炉内气氛决定于燃料成分、空气消耗 系数 及 燃 烧 完 全 程 度。炉 气 中 一 般 含 有 C O 2、 H 2O 、 O 2、 S O 2、 C O 、 H 2、 C H 4和 N 2,它们与钢的化学反应各有不同。其中 O2、 C O2、 H 2 O 、 S O 2等为氧化性气体,氧化性最强的是 O

10、2,其次是 S O2、 H2O 和 C O 2。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。一 般认为,还原性气氛能有效地抑制钢坯脱碳过 高,但具体情况还有待进一步研究。(1 O2,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:2F e +O2E 2F e O ,3F e +2O 2E F e 3O 4,4F e +3O 2E 2F e 2O 3。这些反应是不可逆的,所以炉气中尽可能除去自 由氧离子,以减少钢坯氧化。(2 C O 和 C O2, C O2对高温加热的板坯起 氧化作用,而 C O 则起还原作用。其反应式为:F e +C O2! F e O +

11、C O ,3F e O +C O 2! F e 3O 4+C O 。上述反应决定于 C O 及 C O2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。(3 H2O 和 H 2, H 2O 和 H 2与钢的反应如 下:F e +H2O ! F e O +H2,3F e O +H2O ! F e 3O 4+H2,2F e 3O 4+H2O ! 3F e 2O 3+H2, 3F e +4H 2O ! F e 3O 4+4H 2。可见水蒸气对钢有氧化作用,为防止水蒸气对钢的氧化,炉气中应有足够的 H2含量。(4

12、S O2,炉气中的 S O2可大大增加钢的氧化程度,因为 S O2与氧化铁反应生成 F e S 而使 氧化铁皮熔点降低(1190 加剧铁皮熔化,使 得氧化深入进行。总而言之,加热炉炉内温度、加热时间,及 炉内气氛等都是造成钢坯氧化烧损过高的主要原 因,也是解决问题的关键所在。1 3V o l . 23N o . 2 M a r . 2004冶 金 能 源E N E R G YF O R M E T A L L U R G I C A L I N D U S T R Y3国内现状及采取的措施在钢材的生产过程中,需要对坯料进行多次 加热,而每次加热坯料表面都会生成氧化铁皮而 造成钢的损耗。一般情况

13、下,钢在整个轧制成材 过程中其总氧化率可达 4%5%。钢在加热过 程中的氧化,不仅增加了金属的损耗,而且还会 引起一系列的不良后果,因此引起了国内外许多 钢材生产厂家的关注。降低钢坯在加热过程中的氧化烧损,提高钢 材的成材率和成品率,一直是国内外钢铁企业追 求的目标。在钢坯氧化烧损方面,根据不同的钢 材品种和炉型结构,随着加热工艺的变化,氧化 烧损可能会有所差别,但国外轧钢加热炉的氧化 烧损一般都控制在 0. 5%以下。国内同类加热炉 氧化烧损率一般都在 1. 0%左右。武钢大型厂 1号加热炉氧化烧损率为 1. 5%, 3号加热 炉 为 2. 3%,氧化烧损比较严重。宝钢热轧厂氧化烧 损最严重

14、的 2号加热炉,其烧损率为 1. 43%。 国内许多钢铁企业及大专院校,如攀枝花钢铁研 究院、北京科技大学、马鞍山钢铁公司等,在减 少加热炉内钢坯氧化铁皮方面开展了大量具有较 高水平的工作,也提出了许多有效可行的措施, 并且取得了一定的效果,这对我们研究降低加热 炉内钢坯氧化烧损很有借鉴意义。3. 1合理的工业炉型天津第二轧钢厂提出,要从设计思路上遵循 延长预热段,高温快速加热,均热段少加热的原 则,来设计加热炉。他们提出预热段应占有效炉长的 50%以上, 这样即可降低了排烟温度,提高了热效率,同时 钢坯在预热段预热到 800 ,提高了钢坯的热含 量,为高温快速加热创造了条件。均热段采用耐 热

15、滑轨,重视炉管绝热效果,不仅缩短了均热时 间,提 高 了 加 热 质 量,氧 化 层 厚 度 也 降 低 到 0. 15m m ,氧化烧损较以前减少了 25%。3. 2减少钢坯的保温待轧时间东北大学的有关专家认为,应该加强加热炉 与轧机的协调管理,减少钢坯的保温待轧时间。 他们在工厂调研时发现,由于轧机与加热炉未能 协调配合,经常出现钢坯空烧待轧现象。这样其 氧化率就很高,而且也增加了燃料消耗。为避免这样的情况,就需要加强轧机与加热炉的协调化 操作管理,最好能采用微机控制,使轧机轧制速 度与加热炉的加热速度相适应,这样就可以减少 钢的氧化烧损。3. 3控制空燃比,从而控制加热炉炉内气氛 攀钢提

16、出要认真控制加热炉各段的空燃比。 根据加热工艺,均热段空燃比适当取小些,以 1. 9:1为宜,减少了板坯氧化烧损;加热段则适 当取大些,以 2. 1:1为宜,这样即有利于降低氧 化烧损,又降低了燃料消耗。武钢大型厂根据自身情况,在保持加热炉各 段煤气供入量不变的情况下,将各段空气供入量 分别按照 5%10%逐步递减,以寻求最优空燃 比。经过调试后,氧化烧损也从 2. 3%降到了 1. 4%。3. 4采用合理的钢坯加热升温曲线东北大学的老师通过理论分析计算,采用最 优方法,得出了减少钢坯氧化量的最佳加热升温 曲线。首先缓慢升温,在钢坯表面温度达到 600 700 时迅速加热,在加热后期继续升高钢

17、坯 表面温度并使之均热,直至达到出炉温度要求。 实验结果表明,钢坯在其氧化加速点温度(约 600700 以下时氧化量很少,而超过此温度 则氧化量急剧升高,因此此时就应该快速加热, 以减少钢坯的高温停留时间,降低其氧化率。 3. 5加强仪表及热工管理宝钢同时还提出,仪表的认真管理和准确计 量也是降低氧化烧损的关键。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。及时校正煤气热值 分析仪、空燃比设定仪表、烟气中含氧量分析 仪、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

18、,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。防止炉门吸入冷风破坏炉 内气氛,尽可能提高重油的品质,降低重油的含 硫量,防 止 炉 内 存 在 的 S O2而 生 成 低 熔 点 的 F e S 2。3. 6推行热送热装制度热装 板 坯 具 有 较 高 的 入 炉 温 度 (500 (下转第 42页23E N E R G YF O R M E T A L L U R G I C A L I N D U S T R Y V o l . 23N o . 2 M a r . 2004图 1工作原理1 热管 2 套管 3 下降管 4 外连管 5 汽 包 6 蒸汽主管道 7 过热器合物上升,

19、而下降管中的软水下降,构成一个循 环回路。汽液混合物被源源不断地经外连管 4送 到汽包 5中,并在汽包中进行汽液分离,经过分 离后的干蒸汽从汽包的主蒸汽管道 6进入过热器 7,被加热成过热蒸汽,最后送到二混加热混合 料。2. 2设计特点换热器是余热回收装置的关键设备,笔者采 用了气 -汽式热管换热器和内外翅片管过热器, 现将它们的特点分别叙述如下:在气 -汽式热管换热器的热管加热段采用环 形翅片以强化传热,而在热管的冷却段采用套管联箱结构。在热管换热器和壳体之间采用了特殊 自密封结构,密封可靠,安装和检修十分方便。 在过热器的设计中,采用了管式换热器,因 为蒸汽在管内传热热阻已成为主要热阻,所以在 管内采用了内翅片结构,而在管外则采用了环形 翅片以强化管内外的传热过程,实践表明,本过 热器结构紧凑,传热效率高。2. 3运行情况该钢铁厂 36m 2平烧余热利用回收装置实际 运行技术参数如下:烟气入口温度 210烟气流量 3500m 3/m i n烟气允许阻力