加熱爐氧化燒損原因與對(duì)策分析

1、收稿日期:2003-08-18劉占增,工程師; 430080湖北省武漢市。加熱爐氧化燒損原因與對(duì)策分析劉占增鄭兆平丁翠嬌曾漢生張道明(武漢鋼鐵集團(tuán)公司技術(shù)中心摘要就加熱爐加熱過程中氧化鐵皮的形成機(jī)理及影響因素進(jìn)行了論述,并介紹了目前國(guó) 內(nèi)解決氧化燒損所采取的一些有益的方法。 關(guān)鍵詞加熱爐氧化燒損對(duì)策R e a s o n s o f o x i d a t i o n b u r n i n gl o s s t o h e a t i n gf u r n a c e a n d i t s c o u n t e r L e a s u r e s L i u Z h a n z e n

2、g Z h e n g Z h a o p i n g D i n g C u i j i a o Z e n g H a n s h e n g Z h a n g D a o m i n g(W u h a n I r o n a n d S t e e l S r o u p Co . A b s t r a c t T h e f o r m i n g m e c h a n i s mo f s c a l e a n d i n f l u e n c e f a c t o r s o nh e a t i n gf u r n a c e a r e d i s c u s

3、s e d i n t h i s p a p e r , a n d s o m e p r e s e n t l y h e l p f u l m e t h o d s a d o p t e d t o r e d u c e o x i d a t i o n b u r n i n g l o s s a t h o m e a r e i n t r o d u c e d .K e yw o r d s h e a t i n g f u r n a c e o x i d a t i o n b u r n i n g l o s s c o u n t e r m e

4、a s u r e 1前言鋼坯在加熱爐加熱過程中,由于加熱介質(zhì)具 有氧化性,在鋼坯表面會(huì)產(chǎn)生氧化,這不僅損害 了鋼的性能,還導(dǎo)致大量的氧化燒損,并造成巨 大的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)鋼坯在加熱運(yùn)行中,受爐頭 負(fù)壓溫降影響,氧化鐵皮收縮后與鋼坯分離,掉 入并堆積在均熱段爐底,這不僅使?fàn)t底耐火材料 受到侵蝕,而且大量的鐵皮堆積,迫使操作工人 每隔幾小時(shí)就得扒渣,甚至被迫停爐扒渣,不僅 增加了勞動(dòng)強(qiáng)度,也影響了作業(yè)率。此外,在軋 制過程中,如果鋼坯表面的氧化鐵皮未被高壓水 除凈,而被壓入鋼坯和鋼材,這又直接影響了產(chǎn) 品的質(zhì)量并降低了成材率。因此,認(rèn)真研究鋼坯 加熱時(shí)的氧化特性,減少氧化燒損具有非常重要 的意義

5、。2氧化鐵皮的形成機(jī)理及影響因素鋼的氧化是在加熱爐加熱過程中,氧原子與 鐵原子發(fā)生反應(yīng)的結(jié)果。即在加熱過程中,爐氣 中的氧原子通過鋼坯表面向鋼坯內(nèi)部擴(kuò)散,而鐵 原子則由鋼坯內(nèi)部向外擴(kuò)散,當(dāng)兩種元素相遇 時(shí),在一定條件下就會(huì)起化學(xué)反應(yīng)生成氧化物, 而且鋼坯的外層多為高價(jià)氧化物 F e 3O 4。因此鋼在加熱過程發(fā)生氧化的基本條件是:(1必須有氧或氧化性介質(zhì)的存在,如二氧 化碳、水蒸氣等。(2氧和鐵接觸,并進(jìn)行相互擴(kuò)散。 (3具有一定的化學(xué)反應(yīng)條件,如溫度、化 學(xué)濃度、時(shí)間等。2. 1加熱溫度的影響鋼坯在室溫下就開始氧化,它是一個(gè)緩慢復(fù) 雜的過程,首先是氧向鋼坯表面擴(kuò)散,然后吸附 進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),生

6、成氧化鐵,向鋼坯內(nèi)部擴(kuò)散, 隨著溫度的升高,反應(yīng)速度加快。鋼坯加熱溫度與鋼坯氧化燒損鐵皮厚度有著3冶金 能 源E N E R G YF O R M E T A L L U R G I C A L I N D U S T R YV o l . 23N o . 2M a r . 2004直接的關(guān)系。溫度越高,單位時(shí)間內(nèi)生成的氧化 鐵皮量就越多。加熱溫度與鋼坯氧化燒損的關(guān)系 成指數(shù)關(guān)系,單位面積上生成的氧化鐵皮量 W 與溫度 T 有如下關(guān)系:W E a 0. 5e -b T (g /c m 2 (1 式中 時(shí)間 /m i nT 溫度 /K在 6001100 溫 度 范 圍 內(nèi), a E6. 30,

7、b E 9000。由(1式可知,單位面積上生成的氧化鐵 皮量 W 與溫度 T 呈指數(shù)關(guān)系。其速率的增加是 非?？斓摹ｄ撛?650 以下時(shí)基本上不生成氧化 鐵皮;當(dāng)其溫度超過 760 時(shí)氧化鐵皮厚度就達(dá) 到可以測(cè)量的程度;當(dāng)爐內(nèi)溫度超過 800 時(shí), 氧化鐵皮厚度就顯著增加。其關(guān)系如表 1所示。表 1氧化燒損量與溫度的關(guān)系t / 200400600800100012001400 T /K 4736738731073127314731673 W / c m -20. 002660. 75916. 26111. 1414. 910832249由表 1可以看出,氧化燒損量隨著溫度升高 而劇烈增加。設(shè)

8、800 時(shí)的氧化燒損量為 1,則 1000 時(shí)氧化燒損量為其 4倍, 1200 時(shí)約為 10倍, 1400 時(shí)增加到 20倍。一般情況下,加熱爐加熱段和均熱段爐溫控 制在 12001300 ,鋼坯正好處在氧化燒損量 生成很高的溫度段?？梢?溫度是影響氧化鐵皮 生成的主要因素。2. 2加熱時(shí)間的影響由(1式也可以看出,加熱時(shí)間與氧化燒 損成正比,即在相同的條件下,加熱時(shí)間越長(zhǎng), 氧化生成的鐵皮越厚,鋼的氧化燒損越多。尤其 是鋼在高溫條件下,停留時(shí)間越長(zhǎng),氧化鐵皮生 成量就越大。以含碳量 0. 3%的碳鋼為例,來看在不同溫 度下燒損量與時(shí)間的關(guān)系。開始時(shí)隨時(shí)間的增長(zhǎng) 氧化較快,而后逐漸減慢,這是因

9、為開始形成氧 化鐵皮后,阻礙了擴(kuò)散。實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼坯在爐內(nèi) 時(shí)間為 120140m i n 時(shí),氧化鐵皮厚度為 2. 3 2. 8m m ; 180240m i n 時(shí),氧 化 鐵 皮 厚 度 均 在 4. 0m m 以上。由此可見,加熱時(shí)間越長(zhǎng),氧化燒損量就越多。2. 3爐內(nèi)氣氛的影響加熱爐爐內(nèi)氣氛決定于燃料成分、空氣消耗 系數(shù) 及 燃 燒 完 全 程 度。爐 氣 中 一 般 含 有 C O 2、 H 2O 、 O 2、 S O 2、 C O 、 H 2、 C H 4和 N 2,它們與鋼的化學(xué)反應(yīng)各有不同。其中 O2、 C O2、 H 2 O 、 S O 2等為氧化性氣體,氧化性最強(qiáng)的是 O

10、2,其次是 S O2、 H2O 和 C O 2。氧化鐵皮的生成過程, 也就是鋼與這些氧化性氣體發(fā)生反應(yīng)的過程。一 般認(rèn)為,還原性氣氛能有效地抑制鋼坯脫碳過 高,但具體情況還有待進(jìn)一步研究。(1 O2,鋼在加熱的情況下, O2即使?jié)舛?很小,也能使鋼氧化。其反應(yīng)式為:2F e +O2E 2F e O ,3F e +2O 2E F e 3O 4,4F e +3O 2E 2F e 2O 3。這些反應(yīng)是不可逆的,所以爐氣中盡可能除去自 由氧離子,以減少鋼坯氧化。(2 C O 和 C O2, C O2對(duì)高溫加熱的板坯起 氧化作用,而 C O 則起還原作用。其反應(yīng)式為:F e +C O2! F e O +

11、C O ,3F e O +C O 2! F e 3O 4+C O 。上述反應(yīng)決定于 C O 及 C O2的化學(xué)濃度,若 增大 C O 的濃度,在一定條件下可使反應(yīng)向左進(jìn) 行,即能避免鋼的氧化;但在高溫的情況下,一 般 C O 的含量會(huì)很低。(3 H2O 和 H 2, H 2O 和 H 2與鋼的反應(yīng)如 下:F e +H2O ! F e O +H2,3F e O +H2O ! F e 3O 4+H2,2F e 3O 4+H2O ! 3F e 2O 3+H2, 3F e +4H 2O ! F e 3O 4+4H 2?？梢娝魵鈱?duì)鋼有氧化作用,為防止水蒸氣對(duì)鋼的氧化,爐氣中應(yīng)有足夠的 H2含量。(4

12、S O2,爐氣中的 S O2可大大增加鋼的氧化程度,因?yàn)?S O2與氧化鐵反應(yīng)生成 F e S 而使 氧化鐵皮熔點(diǎn)降低(1190 加劇鐵皮熔化,使 得氧化深入進(jìn)行?？偠灾?加熱爐爐內(nèi)溫度、加熱時(shí)間,及 爐內(nèi)氣氛等都是造成鋼坯氧化燒損過高的主要原 因,也是解決問題的關(guān)鍵所在。1 3V o l . 23N o . 2 M a r . 2004冶 金 能 源E N E R G YF O R M E T A L L U R G I C A L I N D U S T R Y3國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀及采取的措施在鋼材的生產(chǎn)過程中,需要對(duì)坯料進(jìn)行多次 加熱,而每次加熱坯料表面都會(huì)生成氧化鐵皮而 造成鋼的損耗。一般情況

13、下,鋼在整個(gè)軋制成材 過程中其總氧化率可達(dá) 4%5%。鋼在加熱過 程中的氧化,不僅增加了金屬的損耗,而且還會(huì) 引起一系列的不良后果,因此引起了國(guó)內(nèi)外許多 鋼材生產(chǎn)廠家的關(guān)注。降低鋼坯在加熱過程中的氧化燒損,提高鋼 材的成材率和成品率,一直是國(guó)內(nèi)外鋼鐵企業(yè)追 求的目標(biāo)。在鋼坯氧化燒損方面,根據(jù)不同的鋼 材品種和爐型結(jié)構(gòu),隨著加熱工藝的變化,氧化 燒損可能會(huì)有所差別,但國(guó)外軋鋼加熱爐的氧化 燒損一般都控制在 0. 5%以下。國(guó)內(nèi)同類加熱爐 氧化燒損率一般都在 1. 0%左右。武鋼大型廠 1號(hào)加熱爐氧化燒損率為 1. 5%, 3號(hào)加熱 爐 為 2. 3%,氧化燒損比較嚴(yán)重。寶鋼熱軋廠氧化燒 損最嚴(yán)重

14、的 2號(hào)加熱爐,其燒損率為 1. 43%。 國(guó)內(nèi)許多鋼鐵企業(yè)及大專院校,如攀枝花鋼鐵研 究院、北京科技大學(xué)、馬鞍山鋼鐵公司等,在減 少加熱爐內(nèi)鋼坯氧化鐵皮方面開展了大量具有較 高水平的工作,也提出了許多有效可行的措施, 并且取得了一定的效果,這對(duì)我們研究降低加熱 爐內(nèi)鋼坯氧化燒損很有借鑒意義。3. 1合理的工業(yè)爐型天津第二軋鋼廠提出,要從設(shè)計(jì)思路上遵循 延長(zhǎng)預(yù)熱段,高溫快速加熱,均熱段少加熱的原 則,來設(shè)計(jì)加熱爐。他們提出預(yù)熱段應(yīng)占有效爐長(zhǎng)的 50%以上, 這樣即可降低了排煙溫度,提高了熱效率,同時(shí) 鋼坯在預(yù)熱段預(yù)熱到 800 ,提高了鋼坯的熱含 量,為高溫快速加熱創(chuàng)造了條件。均熱段采用耐 熱

15、滑軌,重視爐管絕熱效果,不僅縮短了均熱時(shí) 間,提 高 了 加 熱 質(zhì) 量,氧 化 層 厚 度 也 降 低 到 0. 15m m ,氧化燒損較以前減少了 25%。3. 2減少鋼坯的保溫待軋時(shí)間東北大學(xué)的有關(guān)專家認(rèn)為,應(yīng)該加強(qiáng)加熱爐 與軋機(jī)的協(xié)調(diào)管理,減少鋼坯的保溫待軋時(shí)間。 他們?cè)诠S調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn),由于軋機(jī)與加熱爐未能 協(xié)調(diào)配合,經(jīng)常出現(xiàn)鋼坯空燒待軋現(xiàn)象。這樣其 氧化率就很高,而且也增加了燃料消耗。為避免這樣的情況,就需要加強(qiáng)軋機(jī)與加熱爐的協(xié)調(diào)化 操作管理,最好能采用微機(jī)控制,使軋機(jī)軋制速 度與加熱爐的加熱速度相適應(yīng),這樣就可以減少 鋼的氧化燒損。3. 3控制空燃比,從而控制加熱爐爐內(nèi)氣氛 攀鋼提

16、出要認(rèn)真控制加熱爐各段的空燃比。 根據(jù)加熱工藝,均熱段空燃比適當(dāng)取小些,以 1. 9:1為宜,減少了板坯氧化燒損;加熱段則適 當(dāng)取大些,以 2. 1:1為宜,這樣即有利于降低氧 化燒損,又降低了燃料消耗。武鋼大型廠根據(jù)自身情況,在保持加熱爐各 段煤氣供入量不變的情況下,將各段空氣供入量 分別按照 5%10%逐步遞減,以尋求最優(yōu)空燃 比。經(jīng)過調(diào)試后,氧化燒損也從 2. 3%降到了 1. 4%。3. 4采用合理的鋼坯加熱升溫曲線東北大學(xué)的老師通過理論分析計(jì)算,采用最 優(yōu)方法,得出了減少鋼坯氧化量的最佳加熱升溫 曲線。首先緩慢升溫,在鋼坯表面溫度達(dá)到 600 700 時(shí)迅速加熱,在加熱后期繼續(xù)升高鋼

17、坯 表面溫度并使之均熱,直至達(dá)到出爐溫度要求。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,鋼坯在其氧化加速點(diǎn)溫度(約 600700 以下時(shí)氧化量很少,而超過此溫度 則氧化量急劇升高,因此此時(shí)就應(yīng)該快速加熱, 以減少鋼坯的高溫停留時(shí)間,降低其氧化率。 3. 5加強(qiáng)儀表及熱工管理寶鋼同時(shí)還提出,儀表的認(rèn)真管理和準(zhǔn)確計(jì) 量也是降低氧化燒損的關(guān)鍵。儀表是操作工的眼 睛及控制爐內(nèi)氣氛的手段,儀表不正常也就達(dá)不 到控制爐內(nèi)氣氛的目的,特別是加熱儀表測(cè)量值 顯示不準(zhǔn),應(yīng)及時(shí)調(diào)整修理。及時(shí)校正煤氣熱值 分析儀、空燃比設(shè)定儀表、煙氣中含氧量分析 儀、爐溫檢測(cè)熱電偶、各流量孔板及流量控制閥 等熱工儀表及熱工設(shè)備,使檢測(cè)值與實(shí)際值盡可 能一致

18、,有利于操作工的設(shè)定和操作,從而達(dá)到 控制爐內(nèi)氣氛的目的。防止?fàn)t門吸入冷風(fēng)破壞爐 內(nèi)氣氛,盡可能提高重油的品質(zhì),降低重油的含 硫量,防 止 爐 內(nèi) 存 在 的 S O2而 生 成 低 熔 點(diǎn) 的 F e S 2。3. 6推行熱送熱裝制度熱裝 板 坯 具 有 較 高 的 入 爐 溫 度 (500 (下轉(zhuǎn)第 42頁23E N E R G YF O R M E T A L L U R G I C A L I N D U S T R Y V o l . 23N o . 2 M a r . 2004圖 1工作原理1 熱管 2 套管 3 下降管 4 外連管 5 汽 包 6 蒸汽主管道 7 過熱器合物上升,

19、而下降管中的軟水下降,構(gòu)成一個(gè)循 環(huán)回路。汽液混合物被源源不斷地經(jīng)外連管 4送 到汽包 5中,并在汽包中進(jìn)行汽液分離,經(jīng)過分 離后的干蒸汽從汽包的主蒸汽管道 6進(jìn)入過熱器 7,被加熱成過熱蒸汽,最后送到二混加熱混合 料。2. 2設(shè)計(jì)特點(diǎn)換熱器是余熱回收裝置的關(guān)鍵設(shè)備,筆者采 用了氣 -汽式熱管換熱器和內(nèi)外翅片管過熱器, 現(xiàn)將它們的特點(diǎn)分別敘述如下:在氣 -汽式熱管換熱器的熱管加熱段采用環(huán) 形翅片以強(qiáng)化傳熱,而在熱管的冷卻段采用套管聯(lián)箱結(jié)構(gòu)。在熱管換熱器和殼體之間采用了特殊 自密封結(jié)構(gòu),密封可靠,安裝和檢修十分方便。 在過熱器的設(shè)計(jì)中,采用了管式換熱器,因 為蒸汽在管內(nèi)傳熱熱阻已成為主要熱阻,所以在 管內(nèi)采用了內(nèi)翅片結(jié)構(gòu),而在管外則采用了環(huán)形 翅片以強(qiáng)化管內(nèi)外的傳熱過程,實(shí)踐表明,本過 熱器結(jié)構(gòu)緊湊,傳熱效率高。2. 3運(yùn)行情況該鋼鐵廠 36m 2平燒余熱利用回收裝置實(shí)際 運(yùn)行技術(shù)參數(shù)如下:煙氣入口溫度 210煙氣流量 3500m 3/m i n煙氣允許阻力