加热炉形成钢坯氧化烧损的成因及措施

加热炉形成钢坯氧化烧损的成因及措施

白晓杰

唐山港陆钢铁有限公司河北唐山064200

摘要：在轧钢生产过程中，加热炉是为轧机服务的，在加热生产过程中钢坯氧化烧损是不可避免的，不断的优化加热生产工艺，提高管理和工人操作水平，在满足轧制生产工艺的要求下尽可能地弱化形成氧化烧损的条件，是降低氧化烧损的最佳措施。

关键词：加热炉；钢坯；氧化烧损；成因；措施

1加热炉钢坯氧化烧损的影响因素

1.1钢的氧化过程

钢坯的氧化过程是在高温炉膛内的气体（O2、CO2、H2O、SO2）和钢坯表面层的铁进行化学反应的结果。

许多研究已经证明钢的氧化是炉气中的氧原子通过表面向钢坯的内部扩散，而钢坯中铁的离子则由钢坯内部向外扩散，当两种元素相遇在特定的条件下，起化学反应而生成氧化物。钢坯在氧化时，因内层的铁离子较多，氧含量较少，常生成低价的氧化物；而外层则多为高价氧化物。从钢坯表面取一块氧化铁皮，就可以发现它往往是分层的，拿到实验室进行化验分析，得知其化学组成为：最外层的为Fe2O3，最内层的为FeO，中间为Fe3O4，一般情况下Fe2O3约占10%，FeO约占40%，Fe3O4约占50%。FeO熔点约为1375℃，Fe3O4的熔点约为1540℃，Fe2O3熔点约为1560℃，由于这三种氧化物在铁皮中成固溶体而存在且含有杂质，故氧化铁皮的熔点通常认为是1300～1350℃。因为氧化过程不仅是化学反应过程，而且更主要是扩散过程，故钢坯表面上已经生成的氧化铁皮将阻碍氧化的继续进行。而氧化铁皮在炉内的熔化和脱落，使钢坯露出新的表面，将促进氧化继续迅速进行。由此可以看出，钢坯在加热过程中氧化的基本条件有三：首先需要氧或氧化性介质（如O2、CO2、H2O、SO2等）的存在；其次是氧（或氧化介质）和铁互相接触而进行扩散；最后是还需要一定的化学反应条件，如温度、浓度、时间等。

1.2炉内气氛对氧化量的影响

钢在炉内加热时，炉内一般有O2、CO2、H2O、CO、H2、CH4、H2S和N2等，这些气体与钢的反应有不同的特点，具体分析如下。

（1）O2：它在热加工温度条件下，甚至很小的浓度也能使钢氧化，而且反应不可逆。

Fe＋1/2O2———FeO（1）

3FeO+1/2O2———Fe3O4（2）

2Fe3O4+1/2O2———3Fe2O3（3）

（2）CO2和CO：CO2对高温加热的钢有氧化作用，而CO起还原作用，反应为可逆反应。

Fe+CO2———FeO+CO（4）

3FeO+CO2———Fe3O4+CO（5）

上述反应是可逆的，一定温度下化学反应的方向取决于CO2和CO的浓度，若增大CO的浓度，在一定条件下反应向左进行，即避免或减少钢的氧化。

（3）H2O和H2：它们与钢之间的化学反应为可逆反应。

Fe+H2O———FeO+H2（6）

3FeO+H2O———Fe3O4+H2（7）

2Fe3O4+H2O———3Fe2O3+H2（8）

3Fe+4H2O———Fe3O4+4H2（9）

由上述可知，水蒸气对钢有氧化作用，H2含量的增加有助于减少钢的氧化，因为H2可以使反应逆向进行。

1.3钢坯表面温度对氧化量的影响

随着温度的升高，钢的氧化不断加剧。因为钢的温度升高，促使钢中的各种成分扩散速度加快，炉气和钢化学反应的平衡条件也有了显著的变化，为加速氧化创造充分必要条件。

从图1中可以得出，钢坯温度在800℃以下时，氧化量非常小，可以忽略不计；钢坯在800℃以上时，钢坯开始发生氧化，并随着温度的升高氧化量增多；当温度达到1100℃时，氧化量加速增多；而当温度达到1200℃以上，氧化量急剧增多。

图1钢坯温度与氧化量的关系图

此文所说的温度的影响是指钢坯表面的温度而不是炉温，因为氧化反应和扩散过程都是在钢坯表面上进行的。在轧钢加热炉的实际操作中，如果加热炉控制水平高，监测仪表齐全，提高炉温不仅不会增加氧化，反而有可能因加热时间的缩短而使氧化损失减少。

1.4钢坯在炉时间对氧化量的影响

在其他条件相同时，加热时间愈长，扩散进行得愈充分，氧化烧损量愈大。在推钢式加热炉上，氧化铁皮有时在炉内脱落，使这种已生成的氧化铁皮的“保护作用”（阻碍作用）降低，时间的影响将更为显著。从图2中可以得出，在钢坯表面温度相同时，钢坯在炉时间越长，氧化量越多；在钢坯在炉时间相同时，钢坯表面温度越高，氧化量越多。影响钢坯在炉时间的主要因素为轧制节奏变化，轧制节奏慢钢坯在炉时间长，氧化量增多，反之，氧化量减少。

图2钢坯加热时间与氧化量的关系图

1.5钢的化学成分对氧化量的影响

钢的含碳量对氧化的影响是复杂的，难于找到其规律。大体上来说：增加含碳量，可提高钢的抗氧化能力。但由于脱碳的影响，在1000～1100℃以上影响的规律性很差。合金元素的影响：概括起来，就在于是否由于它们的存在而生成连续的、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（如Cr、Al、Si、Ni等）能增加钢的抗氧化能力；破坏生成这种薄膜的（如W）将减低钢的抗氧化能力。

2解决对策

2.1解决炉内气氛的措施

众所周知，炉内气氛的变化取决于供热的煤气量和空气量（空燃比例系数），空燃比例系数大，空气量多，炉内为氧化性气氛；反之，炉内为还原性气氛。而影响空燃比例系数的另一关键因素为煤气的热值，在空燃比例系数不变的情况下，煤气热值降低，空气量过剩（氧或氧化介质增多），炉内气氛为氧化性气氛，钢坯氧化量增多；反之，钢坯氧化量降低。当然，空燃比例系数过大或过小都是不可取的，空燃比例小造成炉温（炉气温度）低，冷坯升温加热时间长，加热炉加热能力低；空燃比例大则烟气带走热量损失多，单位燃耗高。

因此，轧钢加热炉安装煤气热值测量设备和加热炉各段炉膛加装氧分析仪尤为重要，煤气热值仪可以在线实时测量煤气热值，氧分析仪可以在线实时测量烟气残氧含量，以此来衡量和判定各段炉膛燃烧系统是否为最优操作，以上两个参数给操作工人提供操作指导，及时地调整各段空燃比例系数，使加热炉炉膛内的气氛始终保持为弱氧化性气氛，既降低了钢坯氧化烧损量，又提高了加热炉燃烧效率，降低单位燃耗，减少排放烟气对大气的污染。

2.2优化钢坯的升温曲线

不同的炉型结构、设备仪表等因素都会影响钢坯的升温曲线，在实际生产过程中，不断研究、测量、优化加热工艺，就可以得出适合该炉型的减小氧化烧损的最佳升温曲线。优化思路主要为：在800℃以下时缓慢加热，当温度达到800℃时，再快速加热并使钢温均匀，满足轧制工艺的要求，在此过程中要尽量减少钢坯高温停留时间。

2.3解决钢坯在炉时间的措施

在实际生产过程中可以知道，影响钢坯在炉时间的因素主要为轧线的变化。计划中的停轧待轧一定在事先适当地减少加热炉供热量，降低炉膛温度。非计划中的停轧待轧事件发生时，首先要减少5%左右的供热量，降低均热段温度，达到减少钢坯在高温段停留时间。

2.4合理安排钢坯入炉计划

钢坯入炉计划对整个加热、轧钢生产过程尤为重要，合理的钢坯入炉计划可以提高钢坯加热质量，降低燃耗，减少氧化烧损，还能够提高生产率和成材率。

结束语

实际生产过程中发现，因煤气热值、炉膛温度、轧制节奏、操作人员及设备等原因，使在炉钢坯表面氧化，造成不同程度的氧化烧损甚至脱碳，这样既降低了钢材质量又降低了成材率，同时导致加热炉内的氧化铁皮在炉底堆积速度过快，影响下部炉膛热效率，清渣周期缩短。因此，通过分析研究轧钢加热炉钢坯氧化烧损的成因，找出影响因素，并采取相应措施与对策，对降低氧化烧损具有重要的指导意义。

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