降低軋鋼加熱爐氧化燒損率的工藝實(shí)踐

王 云

(河鋼集團(tuán)邯鋼公司熱軋廠，河北 邯鄲 056015)

鋼坯在加熱爐內(nèi)加熱時(shí)會(huì)受到O2、CO2、H2O和SO2的作用而使鋼坯的表面被氧化而形成氧化鐵皮，大約每塊鋼坯被加熱完成后就約有0.5%～3%的鋼坯被氧化而成為氧化鐵皮(即氧化燒損率)[1]。鋼坯在加熱爐內(nèi)被加熱氧化后，不僅造成產(chǎn)品成材率降低，而且脫落的大量氧化鐵皮堆積到爐底，尤其是均熱段爐底上氧化鐵皮堆積最多最高，均熱段氧化鐵皮堆積到一定高度時(shí)，必須要將加熱爐停爐清理爐內(nèi)氧化鐵皮。如果氧化燒損嚴(yán)重，就會(huì)縮短清渣周期，另外大量氧化鐵皮堆積到均熱段，還會(huì)增加鋼坯噸鋼燃耗和降低鋼坯加熱溫度均勻性。結(jié)合某鋼廠2 250 mm熱連軋加熱爐的實(shí)際生產(chǎn)情況，分析了影響氧化燒損偏高的主要原因，制定和采取了相應(yīng)的控制措施，氧化燒損率得到了降低，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和改善了產(chǎn)品質(zhì)量。

1 加熱爐概況

2 250 mm熱連軋生產(chǎn)線于2008年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為480萬 t。配備了四座步進(jìn)梁式加熱爐，采用空氣單預(yù)熱技術(shù)，助燃空氣預(yù)熱溫度最高為550 ℃。使用燃料為高、焦、轉(zhuǎn)爐混合煤氣，其溫度為常溫，水梁采用汽化冷卻技術(shù)，其燃燒控制方式為脈沖式數(shù)字化燃燒方式。單爐冷裝產(chǎn)量為375 t/h，有效爐長54.85 m，爐子內(nèi)寬為12.1 m。沿爐長方向由熱回收段、預(yù)熱段、一加熱段、二加熱段和均熱段組成，其中熱回收段長度為24 m。燃燒控制段均采用側(cè)向上下加熱，二加熱段和均熱段采用可調(diào)焰燒嘴。

2 鋼坯氧化燒損生成機(jī)理

鋼坯氧化燒損是在加熱爐加熱過程中，氧原子與鐵原子發(fā)生反應(yīng)的結(jié)果。即在加熱過程中，爐氣中的氧原子通過鋼坯表面向鋼坯內(nèi)部擴(kuò)散，而鐵原子則由鋼坯內(nèi)部向外擴(kuò)散，當(dāng)兩種元素相遇時(shí)，在一定條件下就會(huì)起化學(xué)反應(yīng)生成氧化物[2]。鐵的氧化反應(yīng)方程式如下：

O2：

Fe+1/2O2=FeO

(1)

3FeO+1/2O2=Fe3O4

(2)

2Fe3O4+1/2O2=3Fe2O3

(3)

H2O：

Fe+H2O=FeO+H2

(4)

3FeO+H2O=Fe3O4+H2

(5)

3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2

(6)

CO2：

Fe+CO2=FeO+CO

(7)

3FeO+CO2=Fe3O4+CO

(8)

3Fe+4CO2=Fe3O4+4CO

(9)

SO2：

3Fe+SO2=FeS+2FeO

(10)

鋼坯的氧化過程中，鋼坯最外層因氧的質(zhì)量濃度大于鐵的質(zhì)量濃度，因而生成高價(jià)氧化鐵；鋼坯內(nèi)層因鐵的質(zhì)量濃度大于氧的質(zhì)量濃度，因而內(nèi)層生成低價(jià)氧化鐵。氧化層由外到內(nèi)依次為：Fe2O3、Fe3O4、FeO，鋼坯氧化層結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。其中Fe2O3約占氧化層的2%，F(xiàn)e3O4約占氧化層的18%，F(xiàn)eO占比最大，約占80%[3]。

圖1 鋼坯氧化層結(jié)構(gòu)示意圖

鋼坯表面在加熱爐內(nèi)與氧化性氣體氧化反應(yīng)生成氧化燒損量，還與鋼坯在高溫加熱下的時(shí)間、加熱溫度以及與鋼坯自身成分有著很大關(guān)系。

3 影響加熱爐氧化燒損的原因分析

3.1 加熱溫度的影響

鋼坯并非只有在高溫下才開始氧化的，鋼的氧化在室溫下就在慢慢地進(jìn)行著，只是氧化的速度異常緩慢而已。鋼坯一旦處于760 ℃以上的溫度環(huán)境下，其氧化速度開始增加；超過1 000 ℃時(shí)氧化燒損量成倍增加。在600～1 200 ℃，碳鋼的燒損量溫度、時(shí)間函數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式為[4]

(11)

式中:ω為氧化燒損量，g/m3；τ為加熱時(shí)間，min；e為自然對(duì)數(shù)的底數(shù)，取值2.718 3；T為鋼的表面溫度，K。

由式(11)可知，碳鋼的氧化燒損量與鋼的表面溫度呈指數(shù)關(guān)系，鋼的表面溫度越高，其生成的燒損量越大。在600～1 200 ℃，單位時(shí)間內(nèi)溫度與氧化燒損量關(guān)系見圖2。

由圖2可計(jì)算，假設(shè)單位時(shí)間內(nèi)800 ℃時(shí)的燒損量為1，則1 000 ℃時(shí)為3,1 200 ℃時(shí)為7.5。2 250 mm熱軋加熱爐在加熱鋼坯時(shí)燒嘴控制段爐溫控制非常高，二加熱段基本在1 300 ℃以上，鋼坯加熱平均出爐溫度為1 230 ℃。與同類型產(chǎn)線對(duì)比，平均出爐溫度偏高。因此，加熱溫度高是氧化燒損率高的主要因素之一。造成2 250 mm熱軋加熱爐加熱鋼坯溫度高的主要原因一是鋼坯入爐溫度檢測(cè)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致熱裝鋼坯入爐溫度經(jīng)常偏低失真，從而導(dǎo)致二級(jí)燒鋼模型計(jì)算溫度失真，造成加熱溫度偏高。二是軋線因粗軋電機(jī)電流超值等原因通常使用3+5道次粗軋軋制，軋制過程中鋼坯溫降大，為了保證軋制中間坯溫度能夠達(dá)到開軋溫度，軋線往往要求提高加熱出爐溫度。

圖2 單位時(shí)間內(nèi)溫度與氧化燒損量的關(guān)系

3.2 在爐時(shí)間的影響

由式(11)可知，在溫度相同的條件下，碳鋼的氧化燒損量與在爐時(shí)間成正比關(guān)系。即在相同條件下，在爐時(shí)間越長，氧化生產(chǎn)的鐵皮越厚，鋼坯的氧化燒損率越大。當(dāng)鋼坯在超過1 000 ℃的環(huán)境下停留時(shí)間越長，氧化鐵皮生產(chǎn)量將會(huì)成倍增加。在1 000 ℃時(shí)，不同在爐時(shí)間生成的氧化燒損量見圖3。

圖3 1 000 ℃時(shí)不同在爐時(shí)間生成的氧化燒損量

根據(jù)鋼坯在爐加熱總時(shí)間τ∑的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式[5]：

τ∑=ZS/0.6

(12)

式中：S為鋼坯厚度，m；Z為單位加熱時(shí)間，min/cm。對(duì)于雙面加熱0.15～0.25 m厚度低碳鋼的步進(jìn)梁式加熱爐，Z一般為6.6 min/cm。2 250 mm熱軋加熱爐通常加熱的鋼坯厚度為0.24 m，通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算可得，加熱0.24 m厚度的低碳鋼的最短加熱時(shí)間需要158 min。而目前，2 250 mm熱軋加熱爐平均在爐時(shí)間為210 min，寬度小于1 500 mm的鋼坯平均在爐時(shí)間高達(dá)220 min(見表1)。因此，2 250 mm熱軋加熱爐在爐時(shí)間偏長同樣是造成氧化燒損率偏高的主要因素。而導(dǎo)致在爐時(shí)間偏長的主要原因是用三座加熱爐生產(chǎn)窄斷面鋼坯時(shí)，軋線生產(chǎn)節(jié)奏慢，鋼坯往往到達(dá)出鋼位后不能及時(shí)出爐而等待，從而增加了鋼坯在高溫爐溫下的時(shí)間，增加了氧化燒損。

表1 改進(jìn)前不同板坯寬度的平均在爐時(shí)間 min

3.3 爐氣成分的影響

爐氣成分對(duì)鋼坯氧化的影響是很大的，爐氣成分決定于燃料成分、空氣消耗系數(shù)、完全燃燒程度等。2 250 mm熱軋加熱爐是脈沖燃燒方式，其燃燒器是否完全燃燒主要受煤氣主管壓力、空氣主管壓力的匹配設(shè)定和穩(wěn)定性，以及各燒嘴的空煤氣量的匹配。目前，2 250 mm熱軋加熱爐已投產(chǎn)運(yùn)行13年，各燒嘴煤氣手閥和ON/OFF閥精度已下降，通過測(cè)量很多燒嘴煤氣支管差壓達(dá)不到要求，從而導(dǎo)致助燃空氣過剩，使鋼坯氧化更加嚴(yán)重。

4 控制措施及效果

4.1 降低加熱溫度

4.1.1 提高鋼坯裝爐溫度采集準(zhǔn)確性

在每座加熱爐裝鋼機(jī)旁邊安裝了專用高溫計(jì)，高溫計(jì)檢測(cè)點(diǎn)統(tǒng)一調(diào)整到爐前輥道的中點(diǎn)。當(dāng)鋼坯達(dá)到需要裝爐的爐前輥道而被該輥道檢測(cè)光柵檢測(cè)到后，該爐前高溫計(jì)開始檢測(cè)采集鋼坯入爐溫度，直到該鋼坯不被光柵檢測(cè)到的瞬間，一級(jí)系統(tǒng)程序就將此時(shí)檢測(cè)的鋼坯表面溫度鎖定，從而在鋼坯被裝入爐內(nèi)時(shí)發(fā)送到加熱爐二級(jí)系統(tǒng)。通過該措施的實(shí)施，使鋼坯裝爐溫度采集的準(zhǔn)確性達(dá)到了100%。解決了因裝爐溫度采集偏低，造成鋼坯加熱溫度超高，氧化燒損率偏高的問題。

4.1.2 控制低碳鋼加熱溫度

根據(jù)低碳鋼軋制不同厚度、寬度，將其R2Dt(2號(hào)粗軋機(jī)最后一道次中間坯上表溫度)從之前設(shè)定的目標(biāo)值基礎(chǔ)上降低20 ℃進(jìn)行控制，從而降低出爐溫度20 ℃左右，減少氧化燒損量。

4.1.3 提高3+3道次軋制比例

軋線粗軋使用3+5道次軋制，鋼坯從加熱爐出爐到粗軋軋制完成，其軋制過程溫降達(dá)到180 ℃以上，因此3+5道次軋制需要的出爐溫度比較高。如果粗軋使用3+3道次，其軋制過程溫降在150 ℃左右，比使用3+5道次軋制溫降減少近30 ℃。因此，3+3道次可以將鋼坯出爐溫度降低控制，也能達(dá)到精軋前開軋溫度要求，既能減少氧化燒損，還可以減少燃料消耗，是降本增效的有效措施。

通過軋線攻關(guān)，3+3道次比例達(dá)到了84.2%(見圖4)。出爐溫度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(見圖5)。

圖4 粗軋R2軋制道次柏拉圖

圖5 鋼坯出爐溫度的趨勢(shì)分析圖

4.2 減少在爐時(shí)間

4.2.1 優(yōu)化鋼坯裝鋼間隙控制

將鋼坯寬度小于1 500 mm的裝鋼間隙(加熱爐內(nèi)前后兩塊鋼坯之間的距離)根據(jù)加熱爐有效長度、小時(shí)出鋼塊數(shù)和在爐時(shí)間在程序中通過計(jì)算自動(dòng)給定，打破了所有鋼坯寬度裝鋼間隙都為50 mm的最初設(shè)計(jì)值。優(yōu)化后比如鋼坯寬度為1 200 mm的裝鋼間隙可以設(shè)定到400 mm，從而減少了窄斷面鋼坯在加熱爐內(nèi)的在爐時(shí)間。

4.2.2 提高生產(chǎn)節(jié)奏

提高鋼坯在整個(gè)加熱爐內(nèi)的移動(dòng)速度，可以有效減少鋼坯在爐時(shí)間。為了提高鋼坯移動(dòng)速度，提高生產(chǎn)節(jié)奏，一是提高了裝/出鋼輥道速度(見表2)。二是改進(jìn)了步進(jìn)梁動(dòng)作時(shí)序，將步進(jìn)梁在裝鋼機(jī)裝完鋼坯后完全退至安全位后開始運(yùn)行，改進(jìn)為裝鋼機(jī)下降至下位后步進(jìn)梁就開始運(yùn)行。該動(dòng)作時(shí)序的優(yōu)化可使步進(jìn)梁提前抬升15 s，使板坯到達(dá)出鋼位。三是三座加熱爐出鋼時(shí)序的優(yōu)化，具體優(yōu)化內(nèi)容有兩項(xiàng)：①離軋線較遠(yuǎn)的2#、3#、4#加熱爐出鋼機(jī)出鋼觸發(fā)條件由前一塊鋼坯過了B8輥道后觸發(fā)優(yōu)化為鋼坯過了B7輥道即可觸發(fā)，出鋼觸發(fā)條件提前了6 s。②鋼坯過了B8輥道后下一個(gè)加熱爐才可觸發(fā)出鋼條件改進(jìn)為出鋼信號(hào)slab on生成后即可觸發(fā)下個(gè)加熱爐出鋼。使出鋼間隔時(shí)間縮短了近20 s。

表2 裝出鋼輥道速度改進(jìn)

通過以上措施的實(shí)施，鋼坯寬度小于1 500 mm以下的平均在爐時(shí)間減少為190 min，雖然比理想達(dá)到的最短在爐時(shí)間還有一定的差距，但現(xiàn)在已經(jīng)比之前減少了30 min的在爐時(shí)間，有效降低了氧化燒損率。

4.3 爐氣成分的控制

4.3.1 標(biāo)定燒嘴參數(shù)

開發(fā)了燒嘴燃燒參數(shù)標(biāo)定軟件(見圖6)。輸入空氣壓力、煤氣壓力、溫度參數(shù)和空氣過剩系數(shù)，自動(dòng)計(jì)算出每個(gè)燒嘴需要標(biāo)定嘴前空氣和煤氣差壓值，對(duì)加熱爐每個(gè)燒嘴進(jìn)行標(biāo)定差壓，使每個(gè)燒嘴達(dá)到最優(yōu)燃燒狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)完全燃燒。

圖6 燒嘴參數(shù)標(biāo)定軟件

4.3.2 燒嘴前手動(dòng)閥門和ON/OFF閥精度提升

在加熱爐爐役停爐前，測(cè)量每個(gè)燒嘴前燒嘴在打開和關(guān)閉狀態(tài)下的空氣、煤氣壓力。通過測(cè)量的空氣壓力、煤氣壓力判斷出燒嘴的工作狀態(tài)，排查出存在泄漏或者達(dá)不到參數(shù)要求的燒嘴。然后通過加熱爐爐役，將存在問題的燒嘴前煤氣ON/OFF閥下機(jī)修復(fù)，對(duì)開閉不靈活的手動(dòng)閥門有針對(duì)性的更換，提高閥門控制精度，從而控制爐氣成分。

5 結(jié) 論

通過上述措施的實(shí)施，2021年8月做氧化燒損試驗(yàn)測(cè)得的氧化燒損率為0.95%，比2020年11月份測(cè)得的氧化燒損率降低了0.29%(因軋線二次氧化鐵皮質(zhì)量小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)不作考慮)，數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。同樣，2021年全年成材率比2020年提高了0.25%，驗(yàn)證了降低氧化燒損率取得的成績。

表3 2 250 mm熱軋加熱爐氧化燒損率攻關(guān)前后數(shù)據(jù)對(duì)比