陳揚(yáng)，戎維維，黃遵運(yùn)
（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司高速線材廠，天津300301）
[摘要] 結(jié)合天鋼高速線材廠的生產(chǎn)實(shí)踐，分析了鋼坯加熱溫度、加熱時(shí)間及加熱爐爐膛內(nèi)氣氛等因素對(duì)鋼坯生成氧化鐵皮的影響，提出了采用分級(jí)爐溫工藝制度、停軋降溫策略、分級(jí)空燃比制度、增加煙氣成分在線檢測(cè)設(shè)備等相應(yīng)的改進(jìn)措施，加熱爐氧化燒損率從1.2%降低至約0.8%，成材率相應(yīng)得到提高，達(dá)到保證鋼坯加熱質(zhì)量的同時(shí)減少鋼坯氧化燒損的目的。
[關(guān)鍵詞] 氧化；燒損；形成因素；分級(jí)；爐溫；空燃比；在線煙氣檢測(cè)儀；爐壓
1 引言
高速線材軋鋼生產(chǎn)流程的第一個(gè)環(huán)節(jié)就是加熱爐對(duì)鋼坯的加熱，在這個(gè)過(guò)程中，鋼坯表層發(fā)生氧化燒損是不可避免的現(xiàn)象。加熱過(guò)程中，在一定的溫度條件下，在鋼坯表層由外至內(nèi)依次形成Fe2O3、Fe3O4和FeO，最外層的Fe2O3松脆易脫落，起到阻止內(nèi)部鋼坯繼續(xù)氧化的作用，中間成分是Fe3O4，最內(nèi)側(cè)是與鋼坯本體緊密結(jié)合的FeO，不易脫落。鋼坯在加熱爐內(nèi)完成加熱，出爐進(jìn)入軋機(jī)進(jìn)行軋制前，需經(jīng)過(guò)高壓水除磷設(shè)備除凈表層的氧化鐵皮，否則將影響產(chǎn)品表面質(zhì)量。同時(shí)，氧化鐵皮的大量生成降低了成材率，造成了加熱爐能源的浪費(fèi)，必須定期清理殘留的氧化皮（氧化渣），增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，加熱過(guò)程中，如何在保證加熱質(zhì)量的同時(shí)減少氧化燒損，成為了一個(gè)重要問(wèn)題。
2 影響鋼坯氧化燒損的因素
氧化鐵皮的分層情況見(jiàn)圖1 所示。熱工研究結(jié)果表明，鋼坯的加熱溫度、加熱時(shí)間、爐內(nèi)氣氛等因素都對(duì)氧化鐵皮的生成具有直接影響。加熱溫度越高、加熱時(shí)間越長(zhǎng)、爐內(nèi)氣氛氧化性越強(qiáng)，則鋼坯產(chǎn)生氧化燒損越嚴(yán)重[1]。
2.1 加熱溫度對(duì)鋼坯氧化燒損的影響
鋼坯在常溫條件下即開(kāi)始緩慢氧化，這是個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程。隨著溫度增加，氧化速度加快，但直到650 ℃以前，生成的氧化鐵皮量仍非常有限，溫度超過(guò)760 ℃時(shí)生成的氧化鐵皮量即達(dá)到可以測(cè)量的程度，溫度超過(guò)800 ℃時(shí)氧化燒損量開(kāi)始顯著增加[2]。隨著溫度繼續(xù)升高，鋼坯的氧化燒損劇烈增加，若設(shè)800 ℃時(shí)氧化燒損量為1，則1 000 ℃時(shí)增加至4倍，1200 ℃時(shí)增加至10 倍，1 300 ℃時(shí)即達(dá)到約20倍。鋼坯氧化燒損率與加熱溫度的關(guān)系見(jiàn)圖2。
由于生產(chǎn)需要，天津鋼鐵集團(tuán)有限公司高線廠加熱爐均熱段及第二加熱段溫度一般可達(dá)1 000~1 200 ℃，具體爐溫工藝根據(jù)鋼種不同進(jìn)行調(diào)整，但是基本處于鋼坯氧化鐵皮生成量較大的溫度區(qū)域。
2.2 加熱時(shí)間對(duì)鋼坯氧化燒損的影響
相同條件下，加熱時(shí)間越長(zhǎng)，生成的氧化鐵皮量就越大，加熱時(shí)間與鋼坯的氧化燒損成正比，尤其是高溫條件下，氧化燒損隨加熱時(shí)間延長(zhǎng)顯著增加。鋼坯氧化燒損量與加熱時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖3。
2.3 爐內(nèi)氣氛對(duì)鋼坯氧化燒損的影響
爐內(nèi)氣氛氧化性越強(qiáng)，鋼坯發(fā)生氧化燒損就越嚴(yán)重，而爐內(nèi)氣氛取決于燃料成分、空燃比及爐膛內(nèi)燃燒狀況等因素。天津鋼鐵集團(tuán)有限公司高線廠加熱爐燃料為高爐煤氣與轉(zhuǎn)爐煤氣的混合煤氣，轉(zhuǎn)爐煤氣含量較低且配比不固定，所以煤氣熱值隨時(shí)發(fā)生變化，很大程度上增加了加熱爐看火操作難度，而空燃比的調(diào)整滯后于煤氣熱值的變化，必然造成爐內(nèi)燃燒狀況不佳、燃?xì)饫眯实?、氧化燒損增加。
3 減少鋼坯氧化燒損采取的對(duì)策
3.1 分級(jí)爐溫工藝制度
天鋼高線產(chǎn)品品種較多，各鋼種開(kāi)軋工藝溫度要求不同，溫度過(guò)低時(shí)，鋼坯塑性較差，軋機(jī)負(fù)載過(guò)大，無(wú)法滿足軋制要求；溫度過(guò)高時(shí)雖然鋼坯塑性較好，軋機(jī)負(fù)載變小，電耗減少，但造成鋼坯奧氏體晶粒過(guò)大，影響產(chǎn)品質(zhì)量，并造成燃?xì)饽茉吹睦速M(fèi)，同時(shí)造成較嚴(yán)重的氧化燒損。因此合理制定各鋼種出鋼工藝溫度非常重要，而加熱爐各段爐溫工藝則需要在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行制定。
天鋼高線廠兩座加熱爐均為雙蓄熱式步進(jìn)爐，分為一加熱段、二加熱段和均熱段，為了減少鋼坯在加熱過(guò)程中的氧化燒損，制定了各段分級(jí)的爐溫制度。不同于一般加熱工藝中加熱段高于均熱段的爐溫制度，而使一加熱段和二加熱段爐溫逐級(jí)升高但均低于均熱段爐溫的分級(jí)爐溫制度。鋼坯表面溫度與爐溫差距越大，鋼坯吸收熱量速度就越快。為了讓鋼坯盡快吸收熱量，在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到軋制所需要溫度，一加熱段和二加熱段爐溫應(yīng)該在滿足減少氧化燒損需要的范圍內(nèi)盡量提高，而均熱段爐溫則高于開(kāi)軋溫度約120~150 ℃。天鋼高線廠高碳鋼的加熱工藝為：開(kāi)軋溫度1 020~1 070 ℃，均熱段1 140~1 190 ℃，二加熱段1 030~1 100 ℃，一加熱段880~950 ℃，爐尾＜880 ℃，采用了逐級(jí)升高的分級(jí)爐溫制度。這樣，鋼坯在較低的溫度區(qū)域下的加熱段的加熱過(guò)程的加熱效率得到了提高，而進(jìn)入高溫的均熱段以后則快速升溫，盡快達(dá)到軋制需要溫度，然后馬上出爐，經(jīng)過(guò)高壓水除磷工序和保溫罩以后，鋼坯被送進(jìn)軋機(jī)進(jìn)行軋制，鋼坯在高溫區(qū)域的停留時(shí)間被盡可能地縮短，可以達(dá)到在保證鋼坯加熱質(zhì)量滿足軋制要求的同時(shí)減少氧化燒損的目的。
3.2 加熱時(shí)間的控制
生產(chǎn)過(guò)程中由于檢修及其他原因出現(xiàn)停軋的情況時(shí)，需要加熱爐及時(shí)降溫待軋，根據(jù)停軋時(shí)間執(zhí)行相應(yīng)的降溫策略，避免鋼坯在較高爐溫下長(zhǎng)時(shí)間停留，減少氧化燒損。
3.3 氣氛控制
3.3.1 雙蓄熱高溫低氧燃燒技術(shù)的采用
天鋼高線廠2 座加熱爐均為雙蓄熱式步進(jìn)爐，采用雙蓄熱高溫低氧燃燒技術(shù)，該技術(shù)特點(diǎn)為：
（1）燃?xì)饧爸伎諝饩ㄟ^(guò)蓄熱室，經(jīng)回收的高溫?zé)煔獾臒崃款A(yù)熱，達(dá)到約800~1 000 ℃后進(jìn)入爐膛混合燃燒。
（2）高溫燃?xì)馀c空氣射流在爐膛內(nèi)迅速混合形成漩渦，并卷吸周?chē)鸁煔膺M(jìn)行燃燒，在較低的氧濃度下即可實(shí)現(xiàn)燃料的完全燃燒。
（3）火焰為彌散式火焰，溫度分布非常均勻。該技術(shù)的采用，可實(shí)現(xiàn)爐膛內(nèi)高溫低氧燃燒，爐溫均勻分布，保證爐膛內(nèi)氣氛為非常弱的氧化性氣氛，從而減少氧化燒損，改善加熱質(zhì)量，同時(shí)降低了氮氧化物的排放，具有較高的環(huán)境效益[3]。同時(shí)，空氣噴口和煤氣噴口上下分布且煤氣噴口貼近鋼坯的燒嘴布置方式，也使得爐內(nèi)緊貼鋼坯的氣氛還原性更強(qiáng)。而燒嘴換向閥和蓄熱體的正常工作是確保該技術(shù)效果正常發(fā)揮的硬件條件。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)出現(xiàn)故障的換向閥及時(shí)檢修維護(hù)，使換向燃燒系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，并利用停爐檢修時(shí)間，及時(shí)檢查更換蓄熱體，確保蓄熱效果，從而確保該技術(shù)優(yōu)勢(shì)得到最大限度的發(fā)揮。
3.3.2 在線煙氣CO 含量及氧含量檢測(cè)儀的投入使用
由于天鋼高線廠使用的燃?xì)鉃楦郀t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣的混合煤氣，且配比并不固定，而加熱爐看火操作人員并不能及時(shí)獲知燃?xì)馀浔茸兓闆r，只能通過(guò)觀察出爐鋼坯溫度變化及爐內(nèi)火焰及煙氣的狀況來(lái)判斷燃?xì)鉄嶂档淖兓闆r，然后通過(guò)調(diào)節(jié)煤氣流量和空燃比來(lái)改善燃燒狀況和穩(wěn)定爐溫。操作調(diào)整嚴(yán)重滯后于燃?xì)鉄嶂档淖兓?，因此爐內(nèi)燃燒狀況不佳，氣氛非常不穩(wěn)定，頻繁出現(xiàn)較強(qiáng)的氧化性氣氛，增加了鋼坯的氧化燒損，降低燃?xì)饫眯?。針?duì)這個(gè)情況，高線廠利用停爐檢修時(shí)間，在加熱爐煙氣管道上加設(shè)了氧化鋯煙氣殘氧含量檢測(cè)儀及CO 含量檢測(cè)儀，可以在線檢測(cè)煙氣中的氧含量和CO 含量?？椿鸩僮魅藛T可以根據(jù)在線檢測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)調(diào)整空燃比。
正常生產(chǎn)時(shí)，當(dāng)燃?xì)馀浔劝l(fā)生變化時(shí)，熱值隨之改變，加熱爐空燃比必須同時(shí)進(jìn)行調(diào)整。如果在線檢測(cè)數(shù)據(jù)中煙氣殘氧含量升高，那么CO 含量必將同時(shí)降低，表明當(dāng)前燃?xì)鉄嶂到档?，完全燃燒所需空氣量降低，此時(shí)操作人員需在增加煤氣流量的同時(shí)降低空燃比；如果煙氣殘氧含量降低，CO含量升高，操作人員則需要在降低煤氣流量的同時(shí)提高空燃比，以穩(wěn)定爐溫，并將煙氣殘氧含量及CO 含量始終控制在允許范圍內(nèi)。一般煙氣殘氧含量控制范圍為1%~3%，CO 含量控制范圍為小于80×10-6。
煙氣在線檢測(cè)儀的使用，使操作人員可以及時(shí)了解混合煤氣熱值的變化，基本可實(shí)現(xiàn)同步調(diào)整空燃比，保證爐膛內(nèi)燃燒狀況始終維持在最佳狀態(tài)。爐膛內(nèi)穩(wěn)定的低氧化性氣氛降低了鋼坯的氧化燒損，同時(shí)提高了燃?xì)饫眯?，效益顯著。
3.3.3 各段分級(jí)的空燃比制度
同時(shí)，天鋼高線廠采用了一加熱段、二加熱段及均熱段分級(jí)的空燃比制度。因這三段采用逐級(jí)升高的爐溫制度，在爐溫較低的一加熱段，鋼坯的氧化燒損進(jìn)行的速度也相對(duì)緩慢，同時(shí)空氣及燃?xì)獾念A(yù)熱溫度也較低。為了保證燃?xì)馔耆紵稍谠试S范圍內(nèi)配置相對(duì)較高的空燃比；二加熱段及均熱段爐溫逐級(jí)升高，鋼坯的氧化燒損速度相應(yīng)加快，空氣及燃?xì)獾念A(yù)熱溫度逐級(jí)升高，高溫低氧燃燒技術(shù)特點(diǎn)更加明顯，與之配合的空燃比則逐級(jí)降低。
經(jīng)反復(fù)對(duì)比試驗(yàn)，高線廠制定了以均熱段空燃比為基準(zhǔn)，二加熱段及一加熱段與之相比逐級(jí)遞增10%的操作制度。如在確保煙氣氧含量和CO 含量不超標(biāo)的前提下，均熱段空燃比為1，二加熱段則定為1.1，一加熱段定為1.2，在這樣的空燃比制度下，從一加熱段到均熱段，爐內(nèi)氣氛還原性逐漸增強(qiáng)，有效控制了高溫區(qū)域鋼坯的氧化燒損速度，從而減少了氧化燒損量。
3.3.4 對(duì)爐壓的控制
對(duì)蓄熱式加熱爐來(lái)說(shuō)，爐壓的控制非常重要，爐壓過(guò)大容易造成爐內(nèi)燃燒狀況差，氣氛不穩(wěn)定，氧化燒損高，同時(shí)易導(dǎo)致附屬設(shè)備燒毀等諸多問(wèn)題，而爐膛負(fù)壓則爐門(mén)及懸臂輥道轉(zhuǎn)軸處易吸入冷風(fēng)，造成局部氣氛強(qiáng)氧化性且影響鋼坯局部溫度，增加氧化燒損[4]。
天鋼高線廠加熱爐爐壓一般控制在50 Pa 以下，并嚴(yán)禁出現(xiàn)負(fù)壓。生產(chǎn)實(shí)踐表明，蓄熱式加熱爐在這個(gè)爐壓范圍內(nèi)運(yùn)行，爐內(nèi)燃燒狀況相對(duì)來(lái)說(shuō)最為穩(wěn)定。而爐壓的正?？刂疲切顭釗Q向系統(tǒng)正常工作的附帶效果，同樣需要燒嘴換向閥及蓄熱體的正常工作，因此對(duì)換向閥的及時(shí)檢修維護(hù)，以及及時(shí)檢查更換蓄熱體，成為保證蓄熱式加熱爐正常生產(chǎn)運(yùn)行的基本要求。
4 綜合改進(jìn)效果
上述各種減少氧化燒損的技術(shù)措施的實(shí)施，使天鋼高線廠加熱爐氧化燒損率顯著降低，成材率相應(yīng)提高。2012 年以前，氧化燒損率基本在1.2%左右。2012 年初，在線煙氣殘氧含量檢測(cè)儀及CO 含量檢測(cè)儀投入使用，同時(shí)采用逐級(jí)升高的分級(jí)爐溫制度，并配合逐級(jí)降低的分級(jí)空燃比操作制度，配合爐壓控制及停軋保溫制度等的嚴(yán)格執(zhí)行。2012年3 月開(kāi)始，加熱爐氧化燒損率降低至約0.8%，成材率相應(yīng)得到提高，效果顯著。
5 結(jié)語(yǔ)
針對(duì)加熱爐鋼坯氧化燒損的影響因素，根據(jù)天鋼高線廠的生產(chǎn)實(shí)踐具體情況，采取分級(jí)爐溫制度、合理的停軋降溫策略、分級(jí)空燃比制度、增加在線煙氣檢測(cè)設(shè)備等相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，可以在保證鋼坯加熱質(zhì)量的前提下，有效降低鋼坯氧化燒損率，提高成材率。
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