陳揚，戎維維，黃遵運
（天津鋼鐵集團有限公司高速線材廠，天津300301）
[摘要] 結合天鋼高速線材廠的生產實踐，分析了鋼坯加熱溫度、加熱時間及加熱爐爐膛內氣氛等因素對鋼坯生成氧化鐵皮的影響，提出了采用分級爐溫工藝制度、停軋降溫策略、分級空燃比制度、增加煙氣成分在線檢測設備等相應的改進措施，加熱爐氧化燒損率從1.2%降低至約0.8%，成材率相應得到提高，達到保證鋼坯加熱質量的同時減少鋼坯氧化燒損的目的。
[關鍵詞] 氧化；燒損；形成因素；分級；爐溫；空燃比；在線煙氣檢測儀；爐壓
1 引言
高速線材軋鋼生產流程的第一個環節就是加熱爐對鋼坯的加熱，在這個過程中，鋼坯表層發生氧化燒損是不可避免的現象。加熱過程中，在一定的溫度條件下，在鋼坯表層由外至內依次形成Fe2O3、Fe3O4和FeO，最外層的Fe2O3松脆易脫落，起到阻止內部鋼坯繼續氧化的作用，中間成分是Fe3O4，最內側是與鋼坯本體緊密結合的FeO，不易脫落。鋼坯在加熱爐內完成加熱，出爐進入軋機進行軋制前，需經過高壓水除磷設備除凈表層的氧化鐵皮，否則將影響產品表面質量。同時，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，必須定期清理殘留的氧化皮（氧化渣），增加了工人的勞動強度。因此，加熱過程中，如何在保證加熱質量的同時減少氧化燒損，成為了一個重要問題。
2 影響鋼坯氧化燒損的因素
氧化鐵皮的分層情況見圖1 所示。熱工研究結果表明，鋼坯的加熱溫度、加熱時間、爐內氣氛等因素都對氧化鐵皮的生成具有直接影響。加熱溫度越高、加熱時間越長、爐內氣氛氧化性越強，則鋼坯產生氧化燒損越嚴重[1]。
2.1 加熱溫度對鋼坯氧化燒損的影響
鋼坯在常溫條件下即開始緩慢氧化，這是個復雜的反應過程。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760 ℃時生成的氧化鐵皮量即達到可以測量的程度，溫度超過800 ℃時氧化燒損量開始顯著增加[2]。隨著溫度繼續升高，鋼坯的氧化燒損劇烈增加，若設800 ℃時氧化燒損量為1，則1 000 ℃時增加至4倍，1200 ℃時增加至10 倍，1 300 ℃時即達到約20倍。鋼坯氧化燒損率與加熱溫度的關系見圖2。
由于生產需要，天津鋼鐵集團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1 000~1 200 ℃，具體爐溫工藝根據鋼種不同進行調整，但是基本處于鋼坯氧化鐵皮生成量較大的溫度區域。
2.2 加熱時間對鋼坯氧化燒損的影響
相同條件下，加熱時間越長，生成的氧化鐵皮量就越大，加熱時間與鋼坯的氧化燒損成正比，尤其是高溫條件下，氧化燒損隨加熱時間延長顯著增加。鋼坯氧化燒損量與加熱時間的關系見圖3。
2.3 爐內氣氛對鋼坯氧化燒損的影響
爐內氣氛氧化性越強，鋼坯發生氧化燒損就越嚴重，而爐內氣氛取決于燃料成分、空燃比及爐膛內燃燒狀況等因素。天津鋼鐵集團有限公司高線廠加熱爐燃料為高爐煤氣與轉爐煤氣的混合煤氣，轉爐煤氣含量較低且配比不固定，所以煤氣熱值隨時發生變化，很大程度上增加了加熱爐看火操作難度，而空燃比的調整滯后于煤氣熱值的變化，必然造成爐內燃燒狀況不佳、燃氣利用效率低、氧化燒損增加。
3 減少鋼坯氧化燒損采取的對策
3.1 分級爐溫工藝制度
天鋼高線產品品種較多，各鋼種開軋工藝溫度要求不同，溫度過低時，鋼坯塑性較差，軋機負載過大，無法滿足軋制要求；溫度過高時雖然鋼坯塑性較好，軋機負載變小，電耗減少，但造成鋼坯奧氏體晶粒過大，影響產品質量，并造成燃氣能源的浪費，同時造成較嚴重的氧化燒損。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之上進行制定。
天鋼高線廠兩座加熱爐均為雙蓄熱式步進爐，分為一加熱段、二加熱段和均熱段，為了減少鋼坯在加熱過程中的氧化燒損，制定了各段分級的爐溫制度。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升高但均低于均熱段爐溫的分級爐溫制度。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，在最短時間內達到軋制所需要溫度，一加熱段和二加熱段爐溫應該在滿足減少氧化燒損需要的范圍內盡量提高，而均熱段爐溫則高于開軋溫度約120~150 ℃。天鋼高線廠高碳鋼的加熱工藝為：開軋溫度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 ℃，采用了逐級升高的分級爐溫制度。這樣，鋼坯在較低的溫度區域下的加熱段的加熱過程的加熱效率得到了提高，而進入高溫的均熱段以后則快速升溫，盡快達到軋制需要溫度，然后馬上出爐，經過高壓水除磷工序和保溫罩以后，鋼坯被送進軋機進行軋制，鋼坯在高溫區域的停留時間被盡可能地縮短，可以達到在保證鋼坯加熱質量滿足軋制要求的同時減少氧化燒損的目的。
3.2 加熱時間的控制
生產過程中由于檢修及其他原因出現停軋的情況時，需要加熱爐及時降溫待軋，根據停軋時間執行相應的降溫策略，避免鋼坯在較高爐溫下長時間停留，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的采用
天鋼高線廠2 座加熱爐均為雙蓄熱式步進爐，采用雙蓄熱高溫低氧燃燒技術，該技術特點為：
（1）燃氣及助燃空氣均通過蓄熱室，經回收的高溫煙氣的熱量預熱，達到約800~1 000 ℃后進入爐膛混合燃燒。
（2）高溫燃氣與空氣射流在爐膛內迅速混合形成漩渦，并卷吸周圍煙氣進行燃燒，在較低的氧濃度下即可實現燃料的完全燃燒。
（3）火焰為彌散式火焰，溫度分布非常均勻。該技術的采用，可實現爐膛內高溫低氧燃燒，爐溫均勻分布，保證爐膛內氣氛為非常弱的氧化性氣氛，從而減少氧化燒損，改善加熱質量，同時降低了氮氧化物的排放，具有較高的環境效益[3]。同時，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，也使得爐內緊貼鋼坯的氣氛還原性更強。而燒嘴換向閥和蓄熱體的正常工作是確保該技術效果正常發揮的硬件條件。在實際生產過程中，對出現故障的換向閥及時檢修維護，使換向燃燒系統能夠正常運行，并利用停爐檢修時間，及時檢查更換蓄熱體，確保蓄熱效果，從而確保該技術優勢得到最大限度的發揮。
3.3.2 在線煙氣CO 含量及氧含量檢測儀的投入使用
由于天鋼高線廠使用的燃氣為高爐煤氣和轉爐煤氣的混合煤氣，且配比并不固定，而加熱爐看火操作人員并不能及時獲知燃氣配比變化情況，只能通過觀察出爐鋼坯溫度變化及爐內火焰及煙氣的狀況來判斷燃氣熱值的變化情況，然后通過調節煤氣流量和空燃比來改善燃燒狀況和穩定爐溫。操作調整嚴重滯后于燃氣熱值的變化，因此爐內燃燒狀況不佳，氣氛非常不穩定，頻繁出現較強的氧化性氣氛，增加了鋼坯的氧化燒損，降低燃氣利用效率。針對這個情況，高線廠利用停爐檢修時間，在加熱爐煙氣管道上加設了氧化鋯煙氣殘氧含量檢測儀及CO 含量檢測儀，可以在線檢測煙氣中的氧含量和CO 含量。看火操作人員可以根據在線檢測數據隨時調整空燃比。
正常生產時，當燃氣配比發生變化時，熱值隨之改變，加熱爐空燃比必須同時進行調整。如果在線檢測數據中煙氣殘氧含量升高，那么CO 含量必將同時降低，表明當前燃氣熱值降低，完全燃燒所需空氣量降低，此時操作人員需在增加煤氣流量的同時降低空燃比；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提高空燃比，以穩定爐溫，并將煙氣殘氧含量及CO 含量始終控制在允許范圍內。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。
煙氣在線檢測儀的使用，使操作人員可以及時了解混合煤氣熱值的變化，基本可實現同步調整空燃比，保證爐膛內燃燒狀況始終維持在最佳狀態。爐膛內穩定的低氧化性氣氛降低了鋼坯的氧化燒損，同時提高了燃氣利用效率，效益顯著。
3.3.3 各段分級的空燃比制度
同時，天鋼高線廠采用了一加熱段、二加熱段及均熱段分級的空燃比制度。因這三段采用逐級升高的爐溫制度，在爐溫較低的一加熱段，鋼坯的氧化燒損進行的速度也相對緩慢，同時空氣及燃氣的預熱溫度也較低。為了保證燃氣完全燃燒，可在允許范圍內配置相對較高的空燃比；二加熱段及均熱段爐溫逐級升高，鋼坯的氧化燒損速度相應加快，空氣及燃氣的預熱溫度逐級升高，高溫低氧燃燒技術特點更加明顯，與之配合的空燃比則逐級降低。
經反復對比試驗，高線廠制定了以均熱段空燃比為基準，二加熱段及一加熱段與之相比逐級遞增10%的操作制度。如在確保煙氣氧含量和CO 含量不超標的前提下，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，爐內氣氛還原性逐漸增強，有效控制了高溫區域鋼坯的氧化燒損速度，從而減少了氧化燒損量。
3.3.4 對爐壓的控制
對蓄熱式加熱爐來說，爐壓的控制非常重要，爐壓過大容易造成爐內燃燒狀況差，氣氛不穩定，氧化燒損高，同時易導致附屬設備燒毀等諸多問題，而爐膛負壓則爐門及懸臂輥道轉軸處易吸入冷風，造成局部氣氛強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，并嚴禁出現負壓。生產實踐表明，蓄熱式加熱爐在這個爐壓范圍內運行，爐內燃燒狀況相對來說最為穩定。而爐壓的正常控制，是蓄熱換向系統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，因此對換向閥的及時檢修維護，以及及時檢查更換蓄熱體，成為保證蓄熱式加熱爐正常生產運行的基本要求。
4 綜合改進效果
上述各種減少氧化燒損的技術措施的實施，使天鋼高線廠加熱爐氧化燒損率顯著降低，成材率相應提高。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儀及CO 含量檢測儀投入使用，同時采用逐級升高的分級爐溫制度，并配合逐級降低的分級空燃比操作制度，配合爐壓控制及停軋保溫制度等的嚴格執行。2012年3 月開始，加熱爐氧化燒損率降低至約0.8%，成材率相應得到提高，效果顯著。
5 結語
針對加熱爐鋼坯氧化燒損的影響因素，根據天鋼高線廠的生產實踐具體情況，采取分級爐溫制度、合理的停軋降溫策略、分級空燃比制度、增加在線煙氣檢測設備等相應的應對措施，可以在保證鋼坯加熱質量的前提下，有效降低鋼坯氧化燒損率，提高成材率。
參考文獻
[1] 于浩淼．加熱爐氧化燒損的原因與解決對策[J].首鋼科技，2008（2）：37.
[2] 徐樹海．高溫低氧燃燒技術在工業爐上的應用[J].重型機械科技，2004（1）：33.
[3] 蘇亮，王永剛，陳揚．雙蓄熱式加熱爐的技術改造[J].天津冶金，2014（4）：71-72.