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 LOSS

G 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　discussion

0　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+H2

H2S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:

d

δ

dτ

=K

1

δ

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

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