劉占增 宋中華 丁翠嬌

（1.武鋼研究院 湖北 武漢：430080；2.武漢科技大學(xué) 湖北 武漢：430081）

鋼鐵材料加工和生產(chǎn)過程中，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生著氧化反應(yīng)，其中以加熱爐內(nèi)的氧化尤為嚴(yán)重。加熱爐加熱是現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)過程中的重要工序，鋼坯在加熱爐內(nèi)加熱過程中，鋼坯表面會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)并形成一層氧化鐵皮，從而會(huì)造成鋼坯的氧化燒損和產(chǎn)品質(zhì)量問題［1－2］，影響了鋼坯的成材率。

加熱爐內(nèi)發(fā)生氧化的基本條件是：（1）有氧氣或氧化性介質(zhì)的存在；（2）氧氣和鐵接觸，并進(jìn)行相互擴(kuò)散；（3）具有一定的化學(xué)反應(yīng)條件，如溫度、化學(xué)濃度、時(shí)間等。要減少鋼坯在加熱爐內(nèi)的氧化燒損，就要合適的控制加熱溫度、加熱時(shí)間以及爐內(nèi)的化學(xué)氣氛。鋼坯在加熱爐內(nèi)的加熱溫度和時(shí)間是和不同鋼種的生產(chǎn)工藝相結(jié)合的，一般不宜變動(dòng)；而對(duì)爐內(nèi)氣氛的試驗(yàn)研究?jī)H停留在利用可控氣氛爐上進(jìn)行試驗(yàn)，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐內(nèi)氣氛的真實(shí)模擬。本文利用熱態(tài)試驗(yàn)爐，模擬加熱爐內(nèi)的真實(shí)氣氛，開展了不同爐內(nèi)氣氛對(duì)鋼坯的氧化燒損研究，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果給出了擬合經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)指導(dǎo)加熱爐控制爐內(nèi)氣氛、減少氧化燒損提供了重要依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置和方法

在武鋼熱態(tài)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了爐內(nèi)氣氛對(duì)鋼坯氧化燒損影響的試驗(yàn)研究。武鋼熱態(tài)實(shí)驗(yàn)室有大中小3座試驗(yàn)爐，有高、焦、轉(zhuǎn)及高焦混合煤氣等燃?xì)饨橘|(zhì)并具有可對(duì)以上煤氣進(jìn)行配比的煤氣混合裝置。實(shí)驗(yàn)室具有45kW和50kW風(fēng)機(jī)兩臺(tái)，可用于提供燃燒用風(fēng)。

1.1 試驗(yàn)裝置

氧化燒損試驗(yàn)在熱態(tài)實(shí)驗(yàn)室2號(hào)試驗(yàn)爐（見圖1）進(jìn)行，圖2為試驗(yàn)裝置示意圖。在2號(hào)爐長(zhǎng)度一側(cè)裝有加熱爐用高速低NOx型燃燒器，燃燒器加熱能力為525kW，燃燒介質(zhì)為混合煤氣（煤氣成分見表1），混合煤氣發(fā)熱值約8550kJ／m3，額定流量250m3／h。在試驗(yàn)爐側(cè)面均勻的留有一排窺視孔，可以對(duì)爐內(nèi)燃燒情況進(jìn)行觀察。在窺視孔處插入鋼管抽取爐內(nèi)氣氛，并用煙氣分析儀對(duì)爐內(nèi)氣氛進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖1 試驗(yàn)爐

圖2 試驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

從表1給出的混合煤氣成分，可以計(jì)算出燃燒1m3混合煤氣所需要的理論空氣量為1.94m3。知道了理論空氣量，則可以根據(jù)需要的空氣系數(shù)來(lái)計(jì)算出空燃比，反過來(lái)根據(jù)實(shí)際空燃比的設(shè)定來(lái)達(dá)到控制爐內(nèi)燃燒氣氛的目的。表2給出了不同的空氣系數(shù)下的空燃比，根據(jù)燃燒器額定煤氣流量分別按表2配置不同的空氣流量來(lái)控制爐內(nèi)氣氛。試驗(yàn)時(shí)選取空氣系數(shù)0.95、1.00、1.05、1.10、1.15、1.20進(jìn)行試驗(yàn)，使用煙氣分析儀進(jìn)行爐內(nèi)氣氛監(jiān)測(cè)。

表1 試驗(yàn)用混合煤氣成分

表2 不同空氣系數(shù)下的空燃比

根據(jù)實(shí)際加熱爐內(nèi)鋼坯與火焰的位置關(guān)系，選擇試樣放置在燃燒器火焰中心下方500mm處，并在試樣放置處用熱電偶監(jiān)測(cè)爐內(nèi)綜合溫度。根據(jù)空氣系數(shù)調(diào)整燃燒器空燃比，當(dāng)監(jiān)測(cè)熱電偶達(dá)到1000℃時(shí)，將切割好的試樣放入試驗(yàn)爐內(nèi)固定位置，繼續(xù)試驗(yàn)半小時(shí)后關(guān)閉燃燒器，待室溫后取出試樣。

試樣采用Q345B鋼，尺寸為100mm×50mm×19mm。試驗(yàn)前先稱取試樣重量，試驗(yàn)后取出試樣并去掉氧化鐵皮后重新稱重，根據(jù)試驗(yàn)前后試樣重量的變化計(jì)算氧化燒損率。氧化燒損率計(jì)算公式為：（試驗(yàn)前試樣重量－試驗(yàn)后試樣重量）／試驗(yàn)前試樣重量。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

按照以上試驗(yàn)方法進(jìn)行了不同空氣系數(shù)下的氧化燒損試驗(yàn)。不同空氣系數(shù)下測(cè)得的爐內(nèi)氣氛見表3，不同空氣系數(shù)下的氧化燒損率見表4、圖3。

2.2 結(jié)果分析

（1）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以通過回歸法得到不同空氣系數(shù)下的氧化燒損率經(jīng)驗(yàn)公式為：y＝－23x2＋60.05x－35.98。公式表明，隨著空氣系數(shù)的增加，鋼坯的氧化燒損率也隨之增大；當(dāng)空氣系數(shù)增加到1.30時(shí)，氧化燒損達(dá)到最大，這時(shí)的氧化燒損為3.215%；當(dāng)空氣系數(shù)大于1.3時(shí)，氧化燒損不在增加，這是因?yàn)殇撆鞅砻嬉呀?jīng)形成了一層較厚的氧化鐵皮，阻止了氧化的進(jìn)一步發(fā)生；同樣當(dāng)空氣系數(shù)為0.93時(shí)，氧化燒損基本為0，這是因?yàn)闋t內(nèi)主要以還原性氣氛為主。因此該經(jīng)驗(yàn)公式適用的空氣系數(shù)范圍是0.93～1.30。

表3 不同空氣系數(shù)下的爐內(nèi)氣氛

表4 不同空氣系數(shù)下的氧化燒損率

圖3 不同空氣系數(shù)下的氧化燒損關(guān)系圖

（2）在已知加熱爐內(nèi)空煤氣流量的情況下，可以計(jì)算出空氣系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可以得到氧化燒損率；同樣通過控制空氣系數(shù)則可以適當(dāng)控制鋼坯的氧化燒損。

（3）試驗(yàn)過程未考慮加熱時(shí)間、加熱溫度的影響。試驗(yàn)過程中不同空氣系數(shù)下的加熱時(shí)間一致，不同空氣系數(shù)下的最終加熱溫度稍有波動(dòng)。爐氣中影響鋼坯氧化燒損的氣體很多，試驗(yàn)是利用武鋼混合煤氣進(jìn)行的，對(duì)于其他廠家或其他種類煤氣需要重新進(jìn)行試驗(yàn)。

（4）鋼坯在實(shí)際加熱爐內(nèi)加熱過程中，由于爐內(nèi)壓力變化、流場(chǎng)變化以及煤氣熱值的波動(dòng)，爐內(nèi)氣氛處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。因此實(shí)際生產(chǎn)過程中還要根據(jù)爐內(nèi)的實(shí)際氣氛情況對(duì)空氣系數(shù)進(jìn)行修正，以達(dá)到表3對(duì)應(yīng)的爐內(nèi)氣氛。

（5）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，并考慮到軋鋼加熱爐的實(shí)際情況，建議軋鋼加熱爐空氣系數(shù)控制在1.05～1.10較為合適。對(duì)武鋼某廠加熱爐內(nèi)氣氛進(jìn)行了測(cè)試和調(diào)整，使加熱爐內(nèi)氧化燒損率得到了有效控制。

3 結(jié)論

通過利用武鋼的混合煤氣，模擬加熱爐內(nèi)的真實(shí)氣氛，在熱態(tài)試驗(yàn)室開展了爐內(nèi)氣氛對(duì)鋼坯氧化燒損影響的試驗(yàn)研究，得到了爐內(nèi)氣氛對(duì)鋼坯氧化燒損影響的經(jīng)驗(yàn)公式。研究表明，當(dāng)空氣系數(shù)達(dá)到1.30時(shí)，氧化燒損率達(dá)到最大3.215%；當(dāng)空氣系數(shù)為0.93時(shí)，氧化燒損率基本為0。不同空氣系數(shù)下鋼坯氧化燒損率的試驗(yàn)研究，對(duì)指導(dǎo)加熱爐控制爐內(nèi)氣氛、減少氧化燒損提供了重要依據(jù)。

［1］劉占增，鄭兆平，丁翠嬌，等.加熱爐氧化燒損原因與對(duì)策分析［J］.冶金能源，2004，23（2）：30－32、42.

［2］劉占增，劉靜，劉文清，等.CSP均熱爐帶鋼表面缺陷分析及控制［J］.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，（3）：15－17.