降低轧钢加热炉氧化烧损率的工艺实践

王 云

(河钢集团邯钢公司热轧厂，河北 邯郸 056015)

钢坯在加热炉内加热时会受到O2、CO2、H2O和SO2的作用而使钢坯的表面被氧化而形成氧化铁皮，大约每块钢坯被加热完成后就约有0.5%～3%的钢坯被氧化而成为氧化铁皮(即氧化烧损率)[1]。钢坯在加热炉内被加热氧化后，不仅造成产品成材率降低，而且脱落的大量氧化铁皮堆积到炉底，尤其是均热段炉底上氧化铁皮堆积最多最高，均热段氧化铁皮堆积到一定高度时，必须要将加热炉停炉清理炉内氧化铁皮。如果氧化烧损严重，就会缩短清渣周期，另外大量氧化铁皮堆积到均热段，还会增加钢坯吨钢燃耗和降低钢坯加热温度均匀性。结合某钢厂2 250 mm热连轧加热炉的实际生产情况，分析了影响氧化烧损偏高的主要原因，制定和采取了相应的控制措施，氧化烧损率得到了降低，取得了较好的经济效益和改善了产品质量。

1 加热炉概况

2 250 mm热连轧生产线于2008年投产，设计年产量为480万 t。配备了四座步进梁式加热炉，采用空气单预热技术，助燃空气预热温度最高为550 ℃。使用燃料为高、焦、转炉混合煤气，其温度为常温，水梁采用汽化冷却技术，其燃烧控制方式为脉冲式数字化燃烧方式。单炉冷装产量为375 t/h，有效炉长54.85 m，炉子内宽为12.1 m。沿炉长方向由热回收段、预热段、一加热段、二加热段和均热段组成，其中热回收段长度为24 m。燃烧控制段均采用侧向上下加热，二加热段和均热段采用可调焰烧嘴。

2 钢坯氧化烧损生成机理

钢坯氧化烧损是在加热炉加热过程中，氧原子与铁原子发生反应的结果。即在加热过程中，炉气中的氧原子通过钢坯表面向钢坯内部扩散，而铁原子则由钢坯内部向外扩散，当两种元素相遇时，在一定条件下就会起化学反应生成氧化物[2]。铁的氧化反应方程式如下：

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)

钢坯的氧化过程中，钢坯最外层因氧的质量浓度大于铁的质量浓度，因而生成高价氧化铁；钢坯内层因铁的质量浓度大于氧的质量浓度，因而内层生成低价氧化铁。氧化层由外到内依次为：Fe2O3、Fe3O4、FeO，钢坯氧化层结构示意图见图1。其中Fe2O3约占氧化层的2%，Fe3O4约占氧化层的18%，FeO占比最大，约占80%[3]。

图1 钢坯氧化层结构示意图

钢坯表面在加热炉内与氧化性气体氧化反应生成氧化烧损量，还与钢坯在高温加热下的时间、加热温度以及与钢坯自身成分有着很大关系。

3 影响加热炉氧化烧损的原因分析

3.1 加热温度的影响

钢坯并非只有在高温下才开始氧化的，钢的氧化在室温下就在慢慢地进行着，只是氧化的速度异常缓慢而已。钢坯一旦处于760 ℃以上的温度环境下，其氧化速度开始增加；超过1 000 ℃时氧化烧损量成倍增加。在600～1 200 ℃，碳钢的烧损量温度、时间函数关系的经验公式为[4]

(11)

式中:ω为氧化烧损量，g/m3；τ为加热时间，min；e为自然对数的底数，取值2.718 3；T为钢的表面温度，K。

由式(11)可知，碳钢的氧化烧损量与钢的表面温度呈指数关系，钢的表面温度越高，其生成的烧损量越大。在600～1 200 ℃，单位时间内温度与氧化烧损量关系见图2。

由图2可计算，假设单位时间内800 ℃时的烧损量为1，则1 000 ℃时为3,1 200 ℃时为7.5。2 250 mm热轧加热炉在加热钢坯时烧嘴控制段炉温控制非常高，二加热段基本在1 300 ℃以上，钢坯加热平均出炉温度为1 230 ℃。与同类型产线对比，平均出炉温度偏高。因此，加热温度高是氧化烧损率高的主要因素之一。造成2 250 mm热轧加热炉加热钢坯温度高的主要原因一是钢坯入炉温度检测不准确，导致热装钢坯入炉温度经常偏低失真，从而导致二级烧钢模型计算温度失真，造成加热温度偏高。二是轧线因粗轧电机电流超值等原因通常使用3+5道次粗轧轧制，轧制过程中钢坯温降大，为了保证轧制中间坯温度能够达到开轧温度，轧线往往要求提高加热出炉温度。

图2 单位时间内温度与氧化烧损量的关系

3.2 在炉时间的影响

由式(11)可知，在温度相同的条件下，碳钢的氧化烧损量与在炉时间成正比关系。即在相同条件下，在炉时间越长，氧化生产的铁皮越厚，钢坯的氧化烧损率越大。当钢坯在超过1 000 ℃的环境下停留时间越长，氧化铁皮生产量将会成倍增加。在1 000 ℃时，不同在炉时间生成的氧化烧损量见图3。

图3 1 000 ℃时不同在炉时间生成的氧化烧损量

根据钢坯在炉加热总时间τ∑的经验计算公式[5]：

τ∑=ZS/0.6

(12)

式中：S为钢坯厚度，m；Z为单位加热时间，min/cm。对于双面加热0.15～0.25 m厚度低碳钢的步进梁式加热炉，Z一般为6.6 min/cm。2 250 mm热轧加热炉通常加热的钢坯厚度为0.24 m，通过经验公式计算可得，加热0.24 m厚度的低碳钢的最短加热时间需要158 min。而目前，2 250 mm热轧加热炉平均在炉时间为210 min，宽度小于1 500 mm的钢坯平均在炉时间高达220 min(见表1)。因此，2 250 mm热轧加热炉在炉时间偏长同样是造成氧化烧损率偏高的主要因素。而导致在炉时间偏长的主要原因是用三座加热炉生产窄断面钢坯时，轧线生产节奏慢，钢坯往往到达出钢位后不能及时出炉而等待，从而增加了钢坯在高温炉温下的时间，增加了氧化烧损。

表1 改进前不同板坯宽度的平均在炉时间 min

3.3 炉气成分的影响

炉气成分对钢坯氧化的影响是很大的，炉气成分决定于燃料成分、空气消耗系数、完全燃烧程度等。2 250 mm热轧加热炉是脉冲燃烧方式，其燃烧器是否完全燃烧主要受煤气主管压力、空气主管压力的匹配设定和稳定性，以及各烧嘴的空煤气量的匹配。目前，2 250 mm热轧加热炉已投产运行13年，各烧嘴煤气手阀和ON/OFF阀精度已下降，通过测量很多烧嘴煤气支管差压达不到要求，从而导致助燃空气过剩，使钢坯氧化更加严重。

4 控制措施及效果

4.1 降低加热温度

4.1.1 提高钢坯装炉温度采集准确性

在每座加热炉装钢机旁边安装了专用高温计，高温计检测点统一调整到炉前辊道的中点。当钢坯达到需要装炉的炉前辊道而被该辊道检测光栅检测到后，该炉前高温计开始检测采集钢坯入炉温度，直到该钢坯不被光栅检测到的瞬间，一级系统程序就将此时检测的钢坯表面温度锁定，从而在钢坯被装入炉内时发送到加热炉二级系统。通过该措施的实施，使钢坯装炉温度采集的准确性达到了100%。解决了因装炉温度采集偏低，造成钢坯加热温度超高，氧化烧损率偏高的问题。

4.1.2 控制低碳钢加热温度

根据低碳钢轧制不同厚度、宽度，将其R2Dt(2号粗轧机最后一道次中间坯上表温度)从之前设定的目标值基础上降低20 ℃进行控制，从而降低出炉温度20 ℃左右，减少氧化烧损量。

4.1.3 提高3+3道次轧制比例

轧线粗轧使用3+5道次轧制，钢坯从加热炉出炉到粗轧轧制完成，其轧制过程温降达到180 ℃以上，因此3+5道次轧制需要的出炉温度比较高。如果粗轧使用3+3道次，其轧制过程温降在150 ℃左右，比使用3+5道次轧制温降减少近30 ℃。因此，3+3道次可以将钢坯出炉温度降低控制，也能达到精轧前开轧温度要求，既能减少氧化烧损，还可以减少燃料消耗，是降本增效的有效措施。

通过轧线攻关，3+3道次比例达到了84.2%(见图4)。出炉温度呈现下降趋势(见图5)。

图4 粗轧R2轧制道次柏拉图

图5 钢坯出炉温度的趋势分析图

4.2 减少在炉时间

4.2.1 优化钢坯装钢间隙控制

将钢坯宽度小于1 500 mm的装钢间隙(加热炉内前后两块钢坯之间的距离)根据加热炉有效长度、小时出钢块数和在炉时间在程序中通过计算自动给定，打破了所有钢坯宽度装钢间隙都为50 mm的最初设计值。优化后比如钢坯宽度为1 200 mm的装钢间隙可以设定到400 mm，从而减少了窄断面钢坯在加热炉内的在炉时间。

4.2.2 提高生产节奏

提高钢坯在整个加热炉内的移动速度，可以有效减少钢坯在炉时间。为了提高钢坯移动速度，提高生产节奏，一是提高了装/出钢辊道速度(见表2)。二是改进了步进梁动作时序，将步进梁在装钢机装完钢坯后完全退至安全位后开始运行，改进为装钢机下降至下位后步进梁就开始运行。该动作时序的优化可使步进梁提前抬升15 s，使板坯到达出钢位。三是三座加热炉出钢时序的优化，具体优化内容有两项：①离轧线较远的2#、3#、4#加热炉出钢机出钢触发条件由前一块钢坯过了B8辊道后触发优化为钢坯过了B7辊道即可触发，出钢触发条件提前了6 s。②钢坯过了B8辊道后下一个加热炉才可触发出钢条件改进为出钢信号slab on生成后即可触发下个加热炉出钢。使出钢间隔时间缩短了近20 s。

表2 装出钢辊道速度改进

通过以上措施的实施，钢坯宽度小于1 500 mm以下的平均在炉时间减少为190 min，虽然比理想达到的最短在炉时间还有一定的差距，但现在已经比之前减少了30 min的在炉时间，有效降低了氧化烧损率。

4.3 炉气成分的控制

4.3.1 标定烧嘴参数

开发了烧嘴燃烧参数标定软件(见图6)。输入空气压力、煤气压力、温度参数和空气过剩系数，自动计算出每个烧嘴需要标定嘴前空气和煤气差压值，对加热炉每个烧嘴进行标定差压，使每个烧嘴达到最优燃烧状态，实现完全燃烧。

图6 烧嘴参数标定软件

4.3.2 烧嘴前手动阀门和ON/OFF阀精度提升

在加热炉炉役停炉前，测量每个烧嘴前烧嘴在打开和关闭状态下的空气、煤气压力。通过测量的空气压力、煤气压力判断出烧嘴的工作状态，排查出存在泄漏或者达不到参数要求的烧嘴。然后通过加热炉炉役，将存在问题的烧嘴前煤气ON/OFF阀下机修复，对开闭不灵活的手动阀门有针对性的更换，提高阀门控制精度，从而控制炉气成分。

5 结 论

通过上述措施的实施，2021年8月做氧化烧损试验测得的氧化烧损率为0.95%，比2020年11月份测得的氧化烧损率降低了0.29%(因轧线二次氧化铁皮质量小，试验数据不作考虑)，数据对比见表3。同样，2021年全年成材率比2020年提高了0.25%，验证了降低氧化烧损率取得的成绩。

表3 2 250 mm热轧加热炉氧化烧损率攻关前后数据对比