高棒车间加热制度的优化

摘 要：本文主要通过分析钢坯在炉内氧化铁皮的形成机理，分析找出影响钢坯产生氧化烧损的主要因素，提出利用控制加热炉炉内气氛、降低加热炉的最高炉温和降低钢坯的加热时间等方法来减少钢坯在炉内的氧化烧损。结合高棒车间投产初期加热炉炉温控制所存在的问题，优化得到高棒车间的加热制度，并严格控制加热炉各段的空气过量系数，确实有效的降低高棒车间加热炉的氧化烧损。同时制定HRB500E加钒钢种的加热制度。

关键词：优化加热制度 控制炉内气氛 钒碳氮化合物 降低氧化烧损

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（b）-0106-02

福建三安轧钢厂于2012年5月建成年产70万吨高速棒材生产线。高棒车间加热炉炉内有效长度为22 m、宽度为12.7 m，以纯高炉煤气作为燃料，额定加热能力为130 t/h，加热钢种以碳素结构钢（HRB335E、HRB400E）为主。分三段分侧集中控制换向。高炉煤气中可燃气体CO的含量约占30%，不可燃气体CO2、N2约占70%。以转炉煤气（CO含量约60%）相比，高炉煤气热值较低约为800×4.186 kJ/m3，所以高棒加热炉采用左右结构的双蓄热式烧嘴，空、煤气的预热温度可达900℃～1050℃，有效提高了燃料的利用系数。钢坯在高温加热过程中表面金属会与炉气中的氧化性气体发生氧化反应导致钢坯氧化烧损，解决这个问题不仅会减少单位成品的金属消耗，还能节约能源、降低成本。故而根据生产线的轧制节奏制定出较为合理的加热制度，是降低钢坯在加热炉炉内产生氧化烧损的唯一可行性方案。根据公司生产高级别钢种要求，对HRB500E加钒钢种的加热制度进行制定。

1 存在的问题

高棒车间建成投产半年后，各项经济指标和各种规格的生产节奏趋于稳定。但是，加热炉在2012年近半年的使用中，逐渐暴露出加热制度不够完善的缺点。如：各段炉温控制不够合理、钢坯沿长度方向上的温差较大、总体氧化烧损量偏高、面对新的高级别钢种（HRB500E加钒）需要制定相应的加热等等。

2 优化措施

2.1 优化加热制度，降低氧化烧损。

2.1.1 氧化铁皮的形成

钢坯的氧化是由炉气中的氧元素与铁元素在相反方向扩散的结果，即炉气中的氧原子通过钢料表面向钢料内部扩散，而铁离子则由钢料内部向外部扩散。当两种元素相遇，在一定条件下起化学反应生成氧化物，此氧化物由内到外的组成成分为FeO、Fe3O4和Fe2O3。

2.1.2 钢坯氧化烧损的分析

影响钢坯的氧化主要因素有：炉内气氛、钢坯的加热温度和钢坯的加热时间。其中炉内气氛和加热温度可根据制度调整；钢坯的加热时间由轧线上各种规格的生产节奏决定。但也可根据各个规格的生产节奏的快慢来控制加热炉的炉温高低，既保证钢坯的加热质量又最大限度降低了钢坯的氧化烧损。

（1）炉内气氛对氧化烧损的影响。

使用高炉煤气的加热炉，炉气会含有O2，CO2，CO，N2、H2O，H2，CH4等，这些气体与钢坯的化学反应也各有不同。O2在任何温度、任何浓度下均可以使钢坯氧化。CO具有还原性。CO燃烧生成CO2，CO2在高温环境下可与Fe、FeO反应分别生产FeO、CO和Fe3O4、CO，而且此反应过程为可逆反应。CO在一定的条件下可发生逆向反应即FeO、Fe3O4被还原的过程。减少氧化烧损须防止炉内氧气过剩，严格控制加热炉的空燃比，在保证完全燃烧的条件下а减到最小。

（2）炉温对氧化烧损的影响。

钢坯的加热温度是指在加热炉加热的钢坯出炉前的表面温度（即出钢温度）。一般加热温度越高，金属的塑性变好，加工时变形阻力小，轧机上的下压力和电耗就小。但温度过高，会使奥氏体晶粒粗大，影响成品的综合力学性能，也增加加热炉的燃料消耗。而且，从氧化铁皮的产生机理来看：温度升高后，铁元素和氧原子的扩散速度加快，氧化速度也会加快，如图1所示。所以钢坯的出钢温度既要满足钢坯在轧线上的工艺要求，又不能太高，以尽量减少钢坯的氧化烧损量。

（3）加热时间对氧化烧损的影响。

钢坯的加热时间一般可分为：实际加热时间和保温时间。实际加热时间是指钢坯从入炉加热到给定温度的时间，加热炉的给定温度和钢坯的入炉温度越高，钢坯的实际加热时间越短；保温时间是指钢坯加热到给定温度到钢坯出炉的时间，轧制节奏越慢钢坯的保温时间越长。如图1，钢坯在同一温度下，保温时间越长，钢坯的氧化烧损越多。要降低钢坯的氧化烧损就要缩短钢坯的实际加热时间和降低钢坯在保温时间内的炉温。炉膛温度和钢坯表面温度差距越大，钢坯的接收热流能力越强（即钢坯的实际加热时间越短），钢坯的最大接收热流的能力是在钢坯开始加热时，所以应在允许的范围内尽量提高加热炉的预热段和加热段的炉温。降低钢坯在保温时间内的炉温则应降低加热炉均热段的炉温，但也不能太低而应略高于钢坯开轧温度。

2.1.3 热送热装节能降耗

高棒车间从连铸热送入炉的平均温度可达500 ℃；从棒、线车间下翻转冷床热装入炉平均温度也可达到400 ℃。假定在加热炉中加热段的最高温度为1050 ℃，而室温下的钢坯表面温度为20 ℃，经理论计算可得钢坯从20 ℃加热到最高温度1050 ℃所需要的煤气耗为290.85 m3/t（加热炉热效率按60%计）。连铸热送坯所需的煤气耗为174.76 m3/t（热效率按60%计），煤气节约率为40%左右。棒、线热送坯所需的煤气耗为200.8 m3/t（热效率按60%计），煤气节约率为30%左右。所以热送坯的平均入炉温度若保证在400 ℃，那么热装热送，可缩短加热周期，也可节省经济费用。更关键的是缩短加热周期，就可降低加热段的温度，从而进一步降低氧化烧损。

2.1.4 高棒车间加热制度的优化

根据以上的理论分析我们可以得到结论是以下几点。

（1）严格控制加热炉的炉内气氛，炉内均热段的空气过量系数а应控制在0.95～1.0之间，保证均热段的炉内气氛为微还原气氛。而加热段和预热段的空气过量系数在1.0～1.1之间，使炉内煤气和均热段剩余的煤气充分燃烧得到最大热量。

（2）严格控制加热炉各段炉温，均热段炉温应控制在略高于轧线工艺要求的开轧温度1000 ℃±20 ℃，加热段应高于均热段温度，便于钢坯更好更快的加热到工艺要求的钢温。

（3）根据不同的轧制速度，应设定不同加热段的温度，以减少钢坯在高温区域停留的时间。

（4）尽量提高钢坯的热装率，以减少钢坯的实际加热时间和降低煤气消耗。

根据以上结论结合高棒车间各个规格的轧制节奏，对高棒车间加热炉的炉温进行优化如表1、表2。

由以上表格可以看出，高棒车间的加热制度根据轧制节奏的不同，参照原来的加热制度对加热炉各段炉温进行调整，根据轧制节奏的快慢，对加热炉三段炉温进行下调10℃～20℃。对于冷热坯，均热段炉温不做下调处理，相应提高了预热段的炉温和降低加热段炉温。并且为降低氧化烧损规定了各段的空气过量系数，保证钢坯在出炉前处于还原气氛的炉气当中。

2.1.5 制度优化后的效果

从2013年1月高棒车间严格执行优化后加热制度，对降低氧化烧损起到一定的成效。如表3加热制度优化前的平均烧损率为1.1%。优化后的平均烧损率为0.95%。氧化烧损降低量近0.15%。理论上可提高高棒车间近0.15%的成材率。按高棒车间的设计能力年生产钢材70万吨来计算，每吨按2000元计算，一年减少氧化烧损的效益2000×70×0.15%=210（万元），具有可观的经济效益。

2.2 HRB500E加V钢种加热制度的制定

2.2.1 加钒钢筋对温度的需求

发展高强度级别的热轧带肋钢筋已是大势所趋。我司目前也开始着手开发HRB500E牌号的热轧带肋钢筋。金属钒元素既有细化晶粒作用强的特点，可提高钢的强度和韧性，减少过热敏感性，提高钢的热稳定性。并且钒元素对碳、氮具有很强的亲和力，所形成碳氮化合物在冷却过程中析出，产生沉淀强化作用，提升钢的强度。但是为保证钒的碳氮化合物固溶于奥氏体，就必须控制HRB500E热轧钢坯的开轧温度≥1050℃。所以，在HRB500E的加热过程中，相应提高了加热炉均热段和加热段的炉温。并在Ф12螺HRB500E的试轧中得到验证。提高后的炉温如表4：

2.2.2 HRB500E钢筋加热温度提高后的效果

由表格5可以看出，HRB500E钢种在炉温提高前的各项性能指标波动范围较大，甚至出现屈服强度520 MPa和强屈比1.22均小于厂控范围的现象。在参考钒元素的化学性能和查阅资料之后，较大范围的提高了加热段和均热段的炉温。在提升加热温度后，HRB500E加钒钢种的各项性能指标趋于稳定，并且在所试轧的Ф12HRB500E加钒钢种中，屈服强度最小值535MPa和强屈比最小值1.27均达到国标、厂控标准。说明在提高炉温后，钒的碳氮化合物起到稳定HRB500E钢种性能的作用。

3 结论

优化后的加热制度对钢坯的氧化烧损的降低效果明显，可降低近0.15%的氧化烧损量。通过控制加热温度、炉内气氛对降低钢坯的氧化烧损的办法确实有效。提高加热温度，能有效稳定HRB500E加钒钢种的性能。