降低軋鋼加熱爐氧化燒損率的工藝實踐

2023-03-04 03:14:18王云

工業加熱 2023年1期

王云

(河鋼集團邯鋼公司熱軋廠，河北邯鄲 056015)

鋼坯在加熱爐內加熱時會受到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]。鋼坯在加熱爐內被加熱氧化后，不僅造成產品成材率降低，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，必須要將加熱爐停爐清理爐內氧化鐵皮。如果氧化燒損嚴重，就會縮短清渣周期，另外大量氧化鐵皮堆積到均熱段，還會增加鋼坯噸鋼燃耗和降低鋼坯加熱溫度均勻性。結合某鋼廠2 250 mm熱連軋加熱爐的實際生產情況，分析了影響氧化燒損偏高的主要原因，制定和采取了相應的控制措施，氧化燒損率得到了降低，取得了較好的經濟效益和改善了產品質量。

1 加熱爐概況

2 250 mm熱連軋生產線于2008年投產，設計年產量為480萬 t。配備了四座步進梁式加熱爐，采用空氣單預熱技術，助燃空氣預熱溫度最高為550 ℃。使用燃料為高、焦、轉爐混合煤氣，其溫度為常溫，水梁采用汽化冷卻技術，其燃燒控制方式為脈沖式數字化燃燒方式。單爐冷裝產量為375 t/h，有效爐長54.85 m，爐子內寬為12.1 m。沿爐長方向由熱回收段、預熱段、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向上下加熱，二加熱段和均熱段采用可調焰燒嘴。

2 鋼坯氧化燒損生成機理

鋼坯氧化燒損是在加熱爐加熱過程中，氧原子與鐵原子發生反應的結果。即在加熱過程中，爐氣中的氧原子通過鋼坯表面向鋼坯內部擴散，而鐵原子則由鋼坯內部向外擴散，當兩種元素相遇時，在一定條件下就會起化學反應生成氧化物[2]。鐵的氧化反應方程式如下：

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量濃度大于鐵的質量濃度，因而生成高價氧化鐵；鋼坯內層因鐵的質量濃度大于氧的質量濃度，因而內層生成低價氧化鐵。氧化層由外到內依次為：Fe2O3、Fe3O4、FeO，鋼坯氧化層結構示意圖見圖1。其中Fe2O3約占氧化層的2%，Fe3O4約占氧化層的18%，FeO占比最大，約占80%[3]。

圖1 鋼坯氧化層結構示意圖

鋼坯表面在加熱爐內與氧化性氣體氧化反應生成氧化燒損量，還與鋼坯在高溫加熱下的時間、加熱溫度以及與鋼坯自身成分有著很大關系。

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 ℃以上的溫度環境下，其氧化速度開始增加；超過1 000 ℃時氧化燒損量成倍增加。在600～1 200 ℃，碳鋼的燒損量溫度、時間函數關系的經驗公式為[4]

(11)

式中:ω為氧化燒損量，g/m3；τ為加熱時間，min；e為自然對數的底數，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關系，鋼的表面溫度越高，其生成的燒損量越大。在600～1 200 ℃，單位時間內溫度與氧化燒損量關系見圖2。

由圖2可計算，假設單位時間內800 ℃時的燒損量為1，則1 000 ℃時為3,1 200 ℃時為7.5。2 250 mm熱軋加熱爐在加熱鋼坯時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 ℃。與同類型產線對比，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不準確，導致熱裝鋼坯入爐溫度經常偏低失真，從而導致二級燒鋼模型計算溫度失真，造成加熱溫度偏高。二是軋線因粗軋電機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到開軋溫度，軋線往往要求提高加熱出爐溫度。

圖2 單位時間內溫度與氧化燒損量的關系

3.2 在爐時間的影響

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間成正比關系。即在相同條件下，在爐時間越長，氧化生產的鐵皮越厚，鋼坯的氧化燒損率越大。當鋼坯在超過1 000 ℃的環境下停留時間越長，氧化鐵皮生產量將會成倍增加。在1 000 ℃時，不同在爐時間生成的氧化燒損量見圖3。

圖3 1 000 ℃時不同在爐時間生成的氧化燒損量

根據鋼坯在爐加熱總時間τ∑的經驗計算公式[5]：

τ∑=ZS/0.6

(12)

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

表1 改進前不同板坯寬度的平均在爐時間 min

3.3 爐氣成分的影響

爐氣成分對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、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定和穩定性，以及各燒嘴的空煤氣量的匹配。目前，2 250 mm熱軋加熱爐已投產運行13年，各燒嘴煤氣手閥和ON/OFF閥精度已下降，通過測量很多燒嘴煤氣支管差壓達不到要求，從而導致助燃空氣過剩，使鋼坯氧化更加嚴重。

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確性

在每座加熱爐裝鋼機旁邊安裝了專用高溫計，高溫計檢測點統一調整到爐前輥道的中點。當鋼坯達到需要裝爐的爐前輥道而被該輥道檢測光柵檢測到后，該爐前高溫計開始檢測采集鋼坯入爐溫度，直到該鋼坯不被光柵檢測到的瞬間，一級系統程序就將此時檢測的鋼坯表面溫度鎖定，從而在鋼坯被裝入爐內時發送到加熱爐二級系統。通過該措施的實施，使鋼坯裝爐溫度采集的準確性達到了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

根據低碳鋼軋制不同厚度、寬度，將其R2Dt(2號粗軋機最后一道次中間坯上表溫度)從之前設定的目標值基礎上降低20 ℃進行控制，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，3+3道次比例達到了84.2%(見圖4)。出爐溫度呈現下降趨勢(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分析圖

4.2 減少在爐時間

4.2.1 優化鋼坯裝鋼間隙控制

將鋼坯寬度小于1 500 mm的裝鋼間隙(加熱爐內前后兩塊鋼坯之間的距離)根據加熱爐有效長度、小時出鋼塊數和在爐時間在程序中通過計算自動給定，打破了所有鋼坯寬度裝鋼間隙都為50 mm的最初設計值。優化后比如鋼坯寬度為1 200 mm的裝鋼間隙可以設定到400 mm，從而減少了窄斷面鋼坯在加熱爐內的在爐時間。

4.2.2 提高生產節奏

提高鋼坯在整個加熱爐內的移動速度，可以有效減少鋼坯在爐時間。為了提高鋼坯移動速度，提高生產節奏，一是提高了裝/出鋼輥道速度(見表2)。二是改進了步進梁動作時序，將步進梁在裝鋼機裝完鋼坯后完全退至安全位后開始運行，改進為裝鋼機下降至下位后步進梁就開始運行。該動作時序的優化可使步進梁提前抬升15 s，使板坯到達出鋼位。三是三座加熱爐出鋼時序的優化，具體優化內容有兩項：①離軋線較遠的2#、3#、4#加熱爐出鋼機出鋼觸發條件由前一塊鋼坯過了B8輥道后觸發優化為鋼坯過了B7輥道即可觸發，出鋼觸發條件提前了6 s。②鋼坯過了B8輥道后下一個加熱爐才可觸發出鋼條件改進為出鋼信號slab on生成后即可觸發下個加熱爐出鋼。使出鋼間隔時間縮短了近20 s。

表2 裝出鋼輥道速度改進

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

4.3 爐氣成分的控制

4.3.1 標定燒嘴參數

開發了燒嘴燃燒參數標定軟件(見圖6)。輸入空氣壓力、煤氣壓力、溫度參數和空氣過剩系數，自動計算出每個燒嘴需要標定嘴前空氣和煤氣差壓值，對加熱爐每個燒嘴進行標定差壓，使每個燒嘴達到最優燃燒狀態，實現完全燃燒。

圖6 燒嘴參數標定軟件

4.3.2 燒嘴前手動閥門和ON/OFF閥精度提升

在加熱爐爐役停爐前，測量每個燒嘴前燒嘴在打開和關閉狀態下的空氣、煤氣壓力。通過測量的空氣壓力、煤氣壓力判斷出燒嘴的工作狀態，排查出存在泄漏或者達不到參數要求的燒嘴。然后通過加熱爐爐役，將存在問題的燒嘴前煤氣ON/OFF閥下機修復，對開閉不靈活的手動閥門有針對性的更換，提高閥門控制精度，從而控制爐氣成分。