减少钢坯氧化烧损的探讨

减少钢坯氧化烧损的探讨高建舟　徐玉军　冀志宏(安阳钢铁股份有限公司)摘要　通过对钢坯在炉内加热过程中的氧化机理和现象的分析,探讨了炉内气氛、加热时间、加热温度以及钢的化学成份对钢坯氧化过程的影响,并结合生产实际操作给出了若干改善或减少钢坯氧化烧损的方法。

关键词　钢坯　氧化　探讨THE DISCUSSION TO RE DUCE STEE L BI LLET OXI DATION BURNING LOSSG ao Jianzhou　Xu Y ujun　Ji Zhihong(Anyang Iron&S teel C o.,Ltd)ABSTRACT　Through analyzing and researching the oxidizing mechanism,discussed oxidizing law and in fluence of flav ours,heat2 ing time,heating tem perature in furnace and consist of steel billet,it is found s ome ameliorating which probably proposed the oper2 ation or methods to reduce steel billet oxidizing loss.KE Y WOR DS　steel billet　oxidation　discussion0　前言钢在加工过程中,要经过多次加热和冷却。

每次加热和冷却,钢的表面都会生成氧化铁皮而造成钢的烧损。

一般情况下经过多次加热后金属的总烧损率可达3%～5%。

钢的氧化增加了金属的无为损耗,而且还会引起一系列不良后果,如脱碳、气泡显露等,严重影响到钢的加工质量。

1　钢坯在炉内的氧化众所周知,钢坯在炉内的氧化是由两种元素在相反的方向上扩散的结果,即炉气中的氧原子通过钢坯表面向内部扩散,而铁离子则由内部向外扩散,当两元素相遇,在一定的加热温度和炉内气氛等条件下,起化学反应而生成铁的氧化物。

一般情况下,钢坯表面生成的氧化铁皮的结构是Fe2O3+Fe3O4+ FeO,这三种氧化物以固溶体存在于钢的表面,固溶点一般为1330℃～1350℃。

影响钢坯氧化的因素包括加热时炉内气氛、钢的成份、加热温度和加热时间。

1.1　炉内气氛的影响钢坯在炉内加热时,炉气中的O2、C O2、H2O、C O、H2、CH4和H2S等气体,与钢的化学反应有不同的特点。

其中O2在加热时很小的浓度就能使钢氧化,C O2和H2O对高温加热的钢起氧化作用,而C O 起还原作用,且化学反应是可逆的,在一定温度下化学反应的方向决定于C O2和C O的浓度。

若增大C O浓度,就能避免或减少钢氧化,它们之间还存在着如下的反应关系: C O+H2OεC O2+H2H2S燃烧生成S O2,炉气中的S O2能大大提高钢的氧化速度,因为它与铁生成FeS而使氧化铁皮熔点降低(最低溶点为1190℃),加剧氧化铁皮的溶化,使氧化更深入进行。

1.2　加热时间的影响在其它条件相同时,加热时间愈长,扩散进行得愈充分,氧化烧损量愈大。

实际生产证明,氧化烧损量随时间的变化曲线近于抛物线分布,即增厚速度随时间延长而减慢。

这是因为已生成的氧化铁皮对氧化的进一步进行起阻碍作用。

如果钢的进一步氧化与已生成附着于钢表面的氧化铁皮厚度成反比,即: dδdτ=K1δ式中:δ———氧化铁皮厚度;τ———时间; k———系数。

由此则不难得出,氧化铁皮厚度δ与时间τ成抛物线关系,即: δ=kτ0.5其中,系数k决定于其它影响氧化的因素。

当钢坯表面温度≤650℃时,k=0。

在实际生产中氧化铁皮经常在炉内脱落,使这种已生成的氧化铁皮的“保护作用”降低,加热时间　2006年　2月 联系人:高建舟,工程师,河南.安阳(455004),安阳钢铁股份有限公司第二炼轧厂;　收稿日期:2005—11—21的影响将更为显著。

针对某工序的钢坯在高温段加热时的模拟结果如图1所示:图1　加热时间与氧化层厚度之间的关系1.3　温度的影响随着钢坯加热温度的升高,各种成份的扩散加速,炉气和钢的化学反应平衡常数也有变化,为加速氧化创造了条件,使钢的氧化加剧。

图2描述了某工序在保温1h 和6h时的加热温度与氧化烧损的关系。

图2　加热温度与氧化损失的关系由图2可见,在650℃以下时,有轻微氧化,生成极少量的氧化铁皮;而当温度大于760℃时,氧化迅速加剧,氧化铁皮量也急剧增加。

若加热温度再升高,氧化损失将更大。

1.4　钢的化学成份影响钢的化学成份对钢的氧化烧损也有显著影响。

虽然钢的化学成份是钢坯加热时无法改变的,但是必须针对其化学成份制定相应的加热制度。

一般来说,增加含碳量可提高钢的抗氧化能力;合金元素对钢的氧化影响就是在于能否生成连续的、致密的、牢固附着于基体上的氧化薄膜,促进生成这种薄膜的合金元素(如Cr 、AI 、Si 、Ni 等)能提高钢的抗氧化能力;破坏生成这种薄膜的合金元素(如W )将降低钢的抗氧化能力。

2　减少钢坯氧化烧损的方法2.1　准确控制钢坯的加热温度钢的氧化反应和扩散过程都是在金属表面上进行的,金属表面的温度对钢的氧化速度起决定性的作用。

连续式加热炉的加热制度一般按炉子产量的大小来调整炉子沿长度方向的供热量分配,而热量的分配和供热量的大小将直接影响到钢坯表面的温度曲线,也就是说将影响到钢坯氧化烧损量的多少。

目前通过采用计算机二级数学模型,优化一级燃控系统,来实现加热温度的准确控制,是减少钢坯氧化烧损量的最佳途径。

本工序加热炉炉内温度控制分为十个燃烧控制段,在各控制段分别设置了两支S 分度号的热电偶(也可用一个双支热电偶),这两支热电偶同时工作,分别将信号送给控制系统,系统通过优化选择其中的一个高选值进行燃烧控制(如图3所示):图3　炉温控制方案实际生产操作中有四种控制方式可选择:1)计算机方式。

选择上位机计算的温度设定值作为温度控制回路的温度设定;2)串级方式。

由炉内温度调节器输出信号作为到煤气和空气调节回路的设定值,进行燃烧的串级比值调节;3)自动方式。

在H MI 客户机上由人工给定设定值作为控制回路的设定,系统按照给定值进行控制;4)手动方式。

在H MI 客户机上由人工对调节器后的输出值手动控制。

2.2　尽可能地实现快速加热由于钢坯的氧化烧损量主要是在高温段产生的,因此,缩短金属在高温段的停留时间,是减少氧化烧损的主要措施。

这就需要根据钢坯的加热工艺,尽量提高炉气与钢坯之间的温度差,并提高钢坯在炉内的受热面积。

在生产操作上应制定合理的装料和出料制度,不应将加热温度要求较高的钢坯安排在要求较低的两种钢坯之间,厚度较小的钢坯不应安排在厚度较大的两种钢坯之间。

2.3　控制炉内气氛在实际生产操作中,应尽量降低空气消耗系数,降低炉内自由氧浓度,保持炉内高温区的微正压操作,以防止冷空气吸入。

敝焰无氧化加热炉就是使燃料在炉内不完全燃烧,造成保护性气氛,并且使炉温达到钢坯的加热要求,以实现钢坯无氧化加热(下转第52页)用。

治理净化后的污水可用来冲厕所、涮拖把,还可用于小区喷洒道路、洗车、拖地等。

仅此一项安钢每年可节约水资源费用3726万元。

4)可用于公共绿地浇水,随着公司绿化面积的不断加大,绿化用水量过高已成为不争的实事,目前,安钢绿地面积已达60万m 2,按1m 2绿地每年用水量按5吨计算,需用水300万吨。

中水运行成本1m 3水价一般为0.55元,而绿化用自来水价为1m 3为1.60元。

用中水浇灌绿地不仅降低绿化成本,减少水污染,提高水资源利用率,而且经过中水浇灌的花草树木,生长也会更加茂盛。

5)治理后的“中水”可回放于附近的河流、水渠,不仅可灌溉流经的农田,更重要的是清澈流淌的小河之水将会孕育出绵延健康的生命,将会带来碧波荡漾、鱼虾成群的自然美景。

6　结语废水资源的回用提高了淡水资源的利用率,是解决淡水资源危机的有效措施,具有明显的经济效益、社会效益和环境效益。

废水资源回用工作的深入开展将会为腾飞的安钢变得天蓝、水清、地美打下坚实的基础。

7　参考文献[1]　张秦岭,金奇庭.冶金环保基本知识.北京:冶金工业出版社,1988.68～75.(上接第26页) 之目的。

图4为碳钢加热到1200℃时氧化烧损与空气消耗系数之间的关系:图4　氧化烧损与空气消耗系数的关系从图4可以看出,只有在空气消耗系数<0.5～0.55时才有可能得到无氧化加热;空气消耗系数0.5～0.7区间曲线变化很陡;空气消耗系数0.7～0.9之间曲线变化平缓。

在实际生产中当空气消耗系数为0.7～0.9时将造成严重不完全燃烧,虽得到了较弱的氧化性气氛,但却浪费了大量燃料,也恶化了操作环境,因此,应根据氧化烧损与空气消耗系数之间的关系,正确选择空气消耗系数,合理降低炉内自由氧浓度,以达到减少氧化烧损的目的。

某工序炉内气氛控制采用自学习模糊控制方式(如图5所示),具有在预热段上部设置O 2分析仪,图5　炉内气氛控制方案检测分析废气中不完全燃烧的残留O 2量,控制残氧量,具有对空气流量测量值的开方、温度、压力补正,煤气流量测量值开方、压力补正等功能,算法采取连续PI D 控制。

正常工作时上部段与下部段的燃烧控制为主从控制方式,即可以将上部段的温度调节信号作为下部段的双交叉限幅回路的设定控制。

下部段原有的温度检测值用来监视炉况,可以较好地协调上、下部段的燃烧供热平衡,使上、下部段的燃烧均匀稳定。

为了适应工况的较大变化,加入了模糊控制自寻优功能:即根据实际工况在线模糊自调整。

主要是对模糊量化因子和输出比例因子进行模糊自寻优自调整,即对控制决策表进行模糊自寻优自调整。

3　结语如何降低钢坯加热过程中的氧化烧损率,是冶金企业长期研究探讨的一个重要课题。

笔者通过分析炉内气氛、加热时间、加热温度以及钢的化学成份对钢坯氧化过程的影响,结合生产实际操作探讨了若干改善或减少钢坯氧化烧损的方法,准确控制钢坯加热温度、尽可能地实现快速加热以及合理控制炉内气氛是生产操作中解决氧化烧损的重要措施。

具体可通过优化燃烧控制模型、合理控制空燃比,来实现炉内气氛的准确自动控制;优化加热制度和计算机二级管理控制系统,来实现合理快速加热等,均可有效降低氧化烧损率。

由于影响氧化烧损的因素较复杂,生产实践的机率小,分析探讨的深度有限,还有待专家们进一步研究探讨。

4　参考文献[1]　陆钟武主编.火焰炉.北京:冶金工业出版社,1995.343～364.[2]　宁宝林,陈海耿.炉子热过程数学模型.沈阳:东北大学.1990.235～248.[3]　宁宝林,陈海耿,杨泽宽.加热炉控制数学模型.冶金能源,1989,8(5):17～19.。