高棒車間加熱制度的優化

摘 要：本文主要通過分析鋼坯在爐內氧化鐵皮的形成機理，分析找出影響鋼坯產生氧化燒損的主要因素，提出利用控制加熱爐爐內氣氛、降低加熱爐的最高爐溫和降低鋼坯的加熱時間等方法來減少鋼坯在爐內的氧化燒損。結合高棒車間投產初期加熱爐爐溫控制所存在的問題，優化得到高棒車間的加熱制度，并嚴格控制加熱爐各段的空氣過量系數，確實有效的降低高棒車間加熱爐的氧化燒損。同時制定HRB500E加釩鋼種的加熱制度。

關鍵詞：優化加熱制度 控制爐內氣氛 釩碳氮化合物 降低氧化燒損

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（b）-0106-02

福建三安軋鋼廠于2012年5月建成年產70萬噸高速棒材生產線。高棒車間加熱爐爐內有效長度為22 m、寬度為12.7 m，以純高爐煤氣作為燃料，額定加熱能力為130 t/h，加熱鋼種以碳素結構鋼（HRB335E、HRB400E）為主。分三段分側集中控制換向。高爐煤氣中可燃氣體CO的含量約占30%，不可燃氣體CO2、N2約占70%。以轉爐煤氣（CO含量約60%）相比，高爐煤氣熱值較低約為800×4.186 kJ/m3，所以高棒加熱爐采用左右結構的雙蓄熱式燒嘴，空、煤氣的預熱溫度可達900℃～1050℃，有效提高了燃料的利用系數。鋼坯在高溫加熱過程中表面金屬會與爐氣中的氧化性氣體發生氧化反應導致鋼坯氧化燒損，解決這個問題不僅會減少單位成品的金屬消耗，還能節約能源、降低成本。故而根據生產線的軋制節奏制定出較為合理的加熱制度，是降低鋼坯在加熱爐爐內產生氧化燒損的唯一可行性方案。根據公司生產高級別鋼種要求，對HRB500E加釩鋼種的加熱制度進行制定。

1 存在的問題

高棒車間建成投產半年后，各項經濟指標和各種規格的生產節奏趨于穩定。但是，加熱爐在2012年近半年的使用中，逐漸暴露出加熱制度不夠完善的缺點。如：各段爐溫控制不夠合理、鋼坯沿長度方向上的溫差較大、總體氧化燒損量偏高、面對新的高級別鋼種（HRB500E加釩）需要制定相應的加熱等等。

2 優化措施

2.1 優化加熱制度，降低氧化燒損。

2.1.1 氧化鐵皮的形成

鋼坯的氧化是由爐氣中的氧元素與鐵元素在相反方向擴散的結果，即爐氣中的氧原子通過鋼料表面向鋼料內部擴散，而鐵離子則由鋼料內部向外部擴散。當兩種元素相遇，在一定條件下起化學反應生成氧化物，此氧化物由內到外的組成成分為FeO、Fe3O4和Fe2O3。

2.1.2 鋼坯氧化燒損的分析

影響鋼坯的氧化主要因素有：爐內氣氛、鋼坯的加熱溫度和鋼坯的加熱時間。其中爐內氣氛和加熱溫度可根據制度調整；鋼坯的加熱時間由軋線上各種規格的生產節奏決定。但也可根據各個規格的生產節奏的快慢來控制加熱爐的爐溫高低，既保證鋼坯的加熱質量又最大限度降低了鋼坯的氧化燒損。

（1）爐內氣氛對氧化燒損的影響。

使用高爐煤氣的加熱爐，爐氣會含有O2，CO2，CO，N2、H2O，H2，CH4等，這些氣體與鋼坯的化學反應也各有不同。O2在任何溫度、任何濃度下均可以使鋼坯氧化。CO具有還原性。CO燃燒生成CO2，CO2在高溫環境下可與Fe、FeO反應分別生產FeO、CO和Fe3O4、CO，而且此反應過程為可逆反應。CO在一定的條件下可發生逆向反應即FeO、Fe3O4被還原的過程。減少氧化燒損須防止爐內氧氣過剩，嚴格控制加熱爐的空燃比，在保證完全燃燒的條件下а減到最小。

（2）爐溫對氧化燒損的影響。

鋼坯的加熱溫度是指在加熱爐加熱的鋼坯出爐前的表面溫度（即出鋼溫度）。一般加熱溫度越高，金屬的塑性變好，加工時變形阻力小，軋機上的下壓力和電耗就小。但溫度過高，會使奧氏體晶粒粗大，影響成品的綜合力學性能，也增加加熱爐的燃料消耗。而且，從氧化鐵皮的產生機理來看：溫度升高后，鐵元素和氧原子的擴散速度加快，氧化速度也會加快，如圖1所示。所以鋼坯的出鋼溫度既要滿足鋼坯在軋線上的工藝要求，又不能太高，以盡量減少鋼坯的氧化燒損量。

（3）加熱時間對氧化燒損的影響。

鋼坯的加熱時間一般可分為：實際加熱時間和保溫時間。實際加熱時間是指鋼坯從入爐加熱到給定溫度的時間，加熱爐的給定溫度和鋼坯的入爐溫度越高，鋼坯的實際加熱時間越短；保溫時間是指鋼坯加熱到給定溫度到鋼坯出爐的時間，軋制節奏越慢鋼坯的保溫時間越長。如圖1，鋼坯在同一溫度下，保溫時間越長，鋼坯的氧化燒損越多。要降低鋼坯的氧化燒損就要縮短鋼坯的實際加熱時間和降低鋼坯在保溫時間內的爐溫。爐膛溫度和鋼坯表面溫度差距越大，鋼坯的接收熱流能力越強（即鋼坯的實際加熱時間越短），鋼坯的最大接收熱流的能力是在鋼坯開始加熱時，所以應在允許的范圍內盡量提高加熱爐的預熱段和加熱段的爐溫。降低鋼坯在保溫時間內的爐溫則應降低加熱爐均熱段的爐溫，但也不能太低而應略高于鋼坯開軋溫度。

2.1.3 熱送熱裝節能降耗

高棒車間從連鑄熱送入爐的平均溫度可達500 ℃；從棒、線車間下翻轉冷床熱裝入爐平均溫度也可達到400 ℃。假定在加熱爐中加熱段的最高溫度為1050 ℃，而室溫下的鋼坯表面溫度為20 ℃，經理論計算可得鋼坯從20 ℃加熱到最高溫度1050 ℃所需要的煤氣耗為290.85 m3/t（加熱爐熱效率按60%計）。連鑄熱送坯所需的煤氣耗為174.76 m3/t（熱效率按60%計），煤氣節約率為40%左右。棒、線熱送坯所需的煤氣耗為200.8 m3/t（熱效率按60%計），煤氣節約率為30%左右。所以熱送坯的平均入爐溫度若保證在400 ℃，那么熱裝熱送，可縮短加熱周期，也可節省經濟費用。更關鍵的是縮短加熱周期，就可降低加熱段的溫度，從而進一步降低氧化燒損。

2.1.4 高棒車間加熱制度的優化

根據以上的理論分析我們可以得到結論是以下幾點。

（1）嚴格控制加熱爐的爐內氣氛，爐內均熱段的空氣過量系數а應控制在0.95～1.0之間，保證均熱段的爐內氣氛為微還原氣氛。而加熱段和預熱段的空氣過量系數在1.0～1.1之間，使爐內煤氣和均熱段剩余的煤氣充分燃燒得到最大熱量。

（2）嚴格控制加熱爐各段爐溫，均熱段爐溫應控制在略高于軋線工藝要求的開軋溫度1000 ℃±20 ℃，加熱段應高于均熱段溫度，便于鋼坯更好更快的加熱到工藝要求的鋼溫。

（3）根據不同的軋制速度，應設定不同加熱段的溫度，以減少鋼坯在高溫區域停留的時間。

（4）盡量提高鋼坯的熱裝率，以減少鋼坯的實際加熱時間和降低煤氣消耗。

根據以上結論結合高棒車間各個規格的軋制節奏，對高棒車間加熱爐的爐溫進行優化如表1、表2。

由以上表格可以看出，高棒車間的加熱制度根據軋制節奏的不同，參照原來的加熱制度對加熱爐各段爐溫進行調整，根據軋制節奏的快慢，對加熱爐三段爐溫進行下調10℃～20℃。對于冷熱坯，均熱段爐溫不做下調處理，相應提高了預熱段的爐溫和降低加熱段爐溫。并且為降低氧化燒損規定了各段的空氣過量系數，保證鋼坯在出爐前處于還原氣氛的爐氣當中。

2.1.5 制度優化后的效果

從2013年1月高棒車間嚴格執行優化后加熱制度，對降低氧化燒損起到一定的成效。如表3加熱制度優化前的平均燒損率為1.1%。優化后的平均燒損率為0.95%。氧化燒損降低量近0.15%。理論上可提高高棒車間近0.15%的成材率。按高棒車間的設計能力年生產鋼材70萬噸來計算，每噸按2000元計算，一年減少氧化燒損的效益2000×70×0.15%=210（萬元），具有可觀的經濟效益。

2.2 HRB500E加V鋼種加熱制度的制定

2.2.1 加釩鋼筋對溫度的需求

發展高強度級別的熱軋帶肋鋼筋已是大勢所趨。我司目前也開始著手開發HRB500E牌號的熱軋帶肋鋼筋。金屬釩元素既有細化晶粒作用強的特點，可提高鋼的強度和韌性，減少過熱敏感性，提高鋼的熱穩定性。并且釩元素對碳、氮具有很強的親和力，所形成碳氮化合物在冷卻過程中析出，產生沉淀強化作用，提升鋼的強度。但是為保證釩的碳氮化合物固溶于奧氏體，就必須控制HRB500E熱軋鋼坯的開軋溫度≥1050℃。所以，在HRB500E的加熱過程中，相應提高了加熱爐均熱段和加熱段的爐溫。并在Ф12螺HRB500E的試軋中得到驗證。提高后的爐溫如表4：

2.2.2 HRB500E鋼筋加熱溫度提高后的效果

由表格5可以看出，HRB500E鋼種在爐溫提高前的各項性能指標波動范圍較大，甚至出現屈服強度520 MPa和強屈比1.22均小于廠控范圍的現象。在參考釩元素的化學性能和查閱資料之后，較大范圍的提高了加熱段和均熱段的爐溫。在提升加熱溫度后，HRB500E加釩鋼種的各項性能指標趨于穩定，并且在所試軋的Ф12HRB500E加釩鋼種中，屈服強度最小值535MPa和強屈比最小值1.27均達到國標、廠控標準。說明在提高爐溫后，釩的碳氮化合物起到穩定HRB500E鋼種性能的作用。

3 結論

優化后的加熱制度對鋼坯的氧化燒損的降低效果明顯，可降低近0.15%的氧化燒損量。通過控制加熱溫度、爐內氣氛對降低鋼坯的氧化燒損的辦法確實有效。提高加熱溫度，能有效穩定HRB500E加釩鋼種的性能。