魏秀東，吳優(yōu)，徐小科，苗龍

（鞍鋼集團(tuán)朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽 122000）

鋼坯加熱過程中，爐氣中的氧化性氣體與鋼表面的鐵元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成鐵的氧化物 （即氧化鐵皮），形成的金屬損失稱為鋼坯的氧化燒損。氧化燒損既影響產(chǎn)品質(zhì)量又會(huì)降低鋼材成材率，同時(shí)使?fàn)t底氧化鐵皮上漲速度加快，清渣周期縮短［1］，影響產(chǎn)線作業(yè)效率。結(jié)合鞍鋼集團(tuán)朝陽鋼鐵有限公司（以下簡稱“朝陽鋼鐵”）的生產(chǎn)實(shí)際情況，對氧化燒損產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，采取了相應(yīng)的措施，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。本文對此做一介紹。

1 加熱爐熱工工藝簡介

朝陽鋼鐵1700ASP熱軋生產(chǎn)線有兩座端進(jìn)端出步進(jìn)梁式三段連續(xù)加熱爐，由均熱段、加熱段和預(yù)熱段（未設(shè)置燒嘴）組成。加熱爐有效長度26 360 mm，有效寬度16 500 mm。燃料為高爐和焦?fàn)t混合煤氣。燒嘴分布情況為：上加熱和上均熱由爐頂平火焰燒嘴組成，燒嘴數(shù)量100個(gè)；下均熱由端部直焰燒嘴組成，燒嘴數(shù)量12個(gè)；下加熱由側(cè)部調(diào)焰燒嘴組成，燒嘴數(shù)量10個(gè)，其中后部4個(gè)具有間拔控制功能?？諝忸A(yù)熱溫度最高為550℃，煤氣預(yù)熱溫度最高為350℃。常規(guī)加熱溫度為1 240～1 280℃，加熱時(shí)間為 60～180 min。

2 熱軋鋼坯氧化燒損原理

加熱爐內(nèi)鋼坯的氧化燒損主要是爐氣中的氧化性氣體成分 O2、CO2、H2O、SO2與鐵元素間發(fā)生氧化反應(yīng)。其反應(yīng)式［2］分別為：

由式（1）～（9）可見，鋼坯在高溫作用下與加熱爐內(nèi)氧化性氣體組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成不同的鐵氧化物造成金屬損失。

加熱爐內(nèi)鋼坯的氧化過程首先是在鋼表面形成離子性氧化物，而氧化膜的生長是通過膜中氧和鐵離子的擴(kuò)散來進(jìn)行的。氧化層即是氧和鐵兩種元素的擴(kuò)散過程，外層氧的質(zhì)量濃度大，鐵的質(zhì)量濃度小，生成鐵的高價(jià)氧化物；內(nèi)層鐵的質(zhì)量濃度大，而氧的質(zhì)量濃度小，生成鐵的低價(jià)氧化物［3］。氧化層由外到內(nèi)依次為：Fe2O3、Fe3O4和 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%，而FeO量最大，約占80%。

圖1 鋼坯氧化層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram for Structure of Oxide Layer in Steel Billet

除了爐氣成分之外，鋼坯在加熱爐內(nèi)氧化燒損還受加熱溫度、加熱時(shí)間、爐內(nèi)氣氛、鋼的成分等因素的影響。

3 影響加熱爐氧化燒損的原因分析

3.1 加熱溫度的影響

鋼坯在熱軋過程中會(huì)依據(jù)鋼種、軋制規(guī)格、裝爐溫度等工藝參數(shù)選擇不同的加熱溫度。在加熱爐實(shí)際運(yùn)行中，鋼坯氧化燒損量隨加熱溫度的升高而增加。在850～900℃以下，鐵的氧化速度很小，1 000℃以上則急劇上升。因?yàn)殡S著加熱溫度的升高各成分?jǐn)U散將加快，超過1 300℃以后，表面的氧化鐵皮融化，擴(kuò)散阻力變小，氧化速度大大增加。在600～1 200℃的范圍內(nèi)，碳鋼氧化燒損量與鋼坯的表面溫度及加熱時(shí)間的函數(shù)關(guān)系［4］如下：

式中，τ為加熱時(shí)間，min；T為鋼坯的表面溫度，K。

3.2 加熱時(shí)間的影響

由式（10）可知，在加熱溫度一定時(shí)，鋼的氧化燒損量隨加熱時(shí)間的增加而變大。當(dāng)加熱溫度為1 473 K （1 200℃）時(shí)，加熱時(shí)間分別取60、90、120、150 min，對應(yīng)的氧化燒損量見表1。

表1 不同加熱時(shí)間對應(yīng)的氧化燒損量Table 1 Quantity on Oxidizing and Burning Loss Corresponding to Different Heating Time g/cm2

由表1可知，加熱時(shí)間90 min的氧化燒損量約為60 min時(shí)的1.22倍。分析認(rèn)為，加熱初期氧化鐵皮增長比較快，然后逐漸減緩，這是因?yàn)檠趸F皮開始形成后，阻礙了鐵、氧的擴(kuò)散，但因氧化鐵皮的非致密性，導(dǎo)致鐵、氧元素不斷擴(kuò)散繼續(xù)氧化，因此要合理控制和縮短加熱時(shí)間以避免氧化燒損。

加熱時(shí)間主要與裝爐鋼坯的冷、熱裝有直接關(guān)系，另外還與板坯的厚度有關(guān)系，應(yīng)根據(jù)不同鋼種、入爐溫度及板坯厚度等執(zhí)行各自的在爐時(shí)間?？梢酝ㄟ^快速加熱，縮短鋼在加熱爐內(nèi)高溫區(qū)待軋的時(shí)間，快速出鋼軋制，使加熱爐的加熱能力與軋機(jī)的生產(chǎn)能力相匹配，減少氧化燒損。

3.3 加熱爐內(nèi)氣氛的影響

依據(jù)加熱爐爐氣對鋼坯氧化程度的影響，由高到低分為：氧化性氣氛、中性氣氛和還原性氣氛。加熱爐的爐氣成分決定于燃料成分、空氣消耗系數(shù)以及完全燃燒與否的空燃比。高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣體積比為65∶35，成分見表2。

表2 高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Compositions of Gas in Blast Furnace and Coke Oven(Mass Fraction) %

燃料在加熱爐內(nèi)燃燒的產(chǎn)物為 CO2、H2O、SO2、NOX、過剩的O2以及空氣中的N2和燃料中的不可燃成分，其中 CO2、H2O、SO2、O2屬于加熱爐氧化性爐氣組分，是鋼坯氧化燒損的助推劑。另外，空氣消耗系數(shù)越高，爐氣成分中O2含量高，爐氣氧化性傾向越嚴(yán)重?？諝庀南禂?shù)在0.7～1.4范圍內(nèi)，燒損量呈直線增加，0.4～0.5可認(rèn)為是低氧化或無氧化加熱，大于1.4一直到在空氣中加熱，燒損量實(shí)際上不增加［5］?？杖急扰浔群线m，殘氧值控制在一定范圍內(nèi)，則燃料燃燒完全，氧化燒損適中。

3.4 鋼成分的影響

鋼中一般含有一定量的合金元素，如Al、Si、Mn、V、Ti、Cr等，加熱時(shí)也被氧化，在鋼的表面生成薄而致密的氧化膜，會(huì)抑制鐵、氧元素的擴(kuò)散，降低鋼坯氧化速度。而鋼中碳氧化，生成的部分CO阻礙了氧化性氣體的作用，鋼的燒損也會(huì)有所下降。

由于現(xiàn)場生產(chǎn)的鋼種多屬低碳、低合金鋼，鋼成分對氧化燒損的影響未凸顯，在此不做進(jìn)一步論述。

4 控制措施及效果

4.1 合理控制加熱溫度

按照不同鋼種、軋制規(guī)格及鋼坯入爐溫度的高低，優(yōu)化產(chǎn)品熱軋工藝制度。鋼坯在加熱爐內(nèi)的加熱溫度為儀表檢測的爐氣溫度，實(shí)踐中，鋼坯下加熱溫度低于上加熱溫度10～15℃、加熱段溫度高于均熱段溫度15～20℃。通過優(yōu)化機(jī)架間噴淋系統(tǒng)來控制RDT的溫度（粗軋最后一道次的拋鋼溫度，比鋼坯加熱溫度低180～200℃），Q235B鋼熱軋RDT優(yōu)化前后溫度制度見表3。生產(chǎn)薄規(guī)格和極限規(guī)格時(shí)，RDT按照中上限溫度控制，生產(chǎn)中厚材按照中下限控制溫度，可以有效控制氧化鐵皮的產(chǎn)生量。

表3 Q235B鋼熱軋RDT優(yōu)化前后溫度制度Table 3 Temperature Schedule for Q235B before and after Optimization of Hot Rolling RDT ℃

4.2 控制鋼坯在爐加熱時(shí)間

板坯裝爐時(shí)冷、熱坯分開操作，避免混裝。在生產(chǎn)熱坯時(shí)，鋼坯在爐時(shí)間控制在70～100 min，冷坯控制在110～180 min。圖2為氧化燒損率與熱裝率的關(guān)系。由圖2看出，隨著熱裝率的提高，氧化燒損率降低。在裝鋼輥道增設(shè)保溫罩，減少板坯溫降，提高板坯熱裝率。嚴(yán)格匹配鑄軋計(jì)劃，縮短鋼坯在爐加熱時(shí)間，進(jìn)而達(dá)到減少氧化燒損的目的。穩(wěn)定設(shè)備運(yùn)行，減少因熱停工時(shí)間長而產(chǎn)生的氧化燒損。

圖2 氧化燒損率與熱裝率的關(guān)系Fig.2 Relationship between Rate for Oxidizing and Burning Loss and Hot Charging Rate

4.3 合理調(diào)節(jié)加熱爐爐內(nèi)氣氛

空燃比、殘氧值和煤氣熱值是影響爐內(nèi)氣氛的重要參數(shù)。根據(jù)加熱爐的特點(diǎn)，空燃比各段控制有所差異，加熱段空燃比控制在2：1，均熱段控制在（1.7～1.9）：1，確保煤氣完全燃燒，減少過?？諝夤┤耄乐逛撆餮趸?。煤氣熱值是加熱爐內(nèi)氣氛控制的關(guān)鍵參數(shù)，鑒于單高爐運(yùn)行混合煤氣組分波動(dòng)大的實(shí)際，通過現(xiàn)場及時(shí)溝通調(diào)節(jié)，將煤氣熱值控制在8 360±334 kJ/m3范圍運(yùn)行，減少因煤氣組分變化導(dǎo)致爐內(nèi)氣氛的波動(dòng)。同時(shí)將殘氧儀氧值控制在1.5%～3.5%；嚴(yán)格控制加熱爐高溫段爐氣氣氛，爐膛壓力保持微正壓，尤其是對出鋼爐門采取“半開控制”，板坯全部到位時(shí)出鋼爐門才全部打開，避免吸入大量冷空氣造成氧化燒損增加。

4.4 取得的效果

采取上述措施后，鋼坯在加熱過程中的氧化燒損明顯降低。氧化燒損率為：1-綜合成材率-廢品率-切損率。統(tǒng)計(jì)2018年和2019年氧化燒損率見圖 3。由圖 3看出，2019年氧化燒損率比2018年有所下降。經(jīng)計(jì)算2019年平均氧化燒損率為1.52%，比2018年（平均1.73%）降低了0.21%。按照年產(chǎn)240萬t鋼、鋼材與氧化鐵皮成本差2 620元計(jì)算，創(chuàng)效為 240×0.21%×2 620=1 320.48萬元。

圖3 2018年和2019年氧化燒損率Fig.3 Rates for Oxidizing and Burning Loss in 2018 and 2019

5 結(jié)論

（1）加熱爐內(nèi)鋼坯的氧化燒損主要是爐氣中的氧化性氣體成分在高溫環(huán)境下與鐵元素發(fā)生氧化反應(yīng)，形成不同的鐵氧化物造成金屬損失，其影響因素主要包括加熱溫度、加熱時(shí)間、爐氣成分等。

（2）通過采取優(yōu)化產(chǎn)品熱軋工藝制度，細(xì)化坯料加熱溫度；控制鋼坯在爐時(shí)間，提高鑄坯熱裝率；合理調(diào)節(jié)加熱爐爐內(nèi)氣氛，準(zhǔn)確控制空燃比等措施，鞍鋼集團(tuán)朝陽鋼鐵有限公司鋼坯氧化燒損率2019年同比降低了0.21%，年創(chuàng)效1 320.48萬元。