炉内气氛对钢坯氧化烧损影响的试验研究

刘占增 宋中华 丁翠娇

（1.武钢研究院 湖北 武汉：430080；2.武汉科技大学 湖北 武汉：430081）

钢铁材料加工和生产过程中，无时无刻不在发生着氧化反应，其中以加热炉内的氧化尤为严重。加热炉加热是现代钢铁生产过程中的重要工序，钢坯在加热炉内加热过程中，钢坯表面会发生氧化反应并形成一层氧化铁皮，从而会造成钢坯的氧化烧损和产品质量问题［1－2］，影响了钢坯的成材率。

加热炉内发生氧化的基本条件是：（1）有氧气或氧化性介质的存在；（2）氧气和铁接触，并进行相互扩散；（3）具有一定的化学反应条件，如温度、化学浓度、时间等。要减少钢坯在加热炉内的氧化烧损，就要合适的控制加热温度、加热时间以及炉内的化学气氛。钢坯在加热炉内的加热温度和时间是和不同钢种的生产工艺相结合的，一般不宜变动；而对炉内气氛的试验研究仅停留在利用可控气氛炉上进行试验，很难实现对加热炉内气氛的真实模拟。本文利用热态试验炉，模拟加热炉内的真实气氛，开展了不同炉内气氛对钢坯的氧化烧损研究，并根据试验结果给出了拟合经验公式，对指导加热炉控制炉内气氛、减少氧化烧损提供了重要依据。

1 试验装置和方法

在武钢热态实验室进行了炉内气氛对钢坯氧化烧损影响的试验研究。武钢热态实验室有大中小3座试验炉，有高、焦、转及高焦混合煤气等燃气介质并具有可对以上煤气进行配比的煤气混合装置。实验室具有45kW和50kW风机两台，可用于提供燃烧用风。

1.1 试验装置

氧化烧损试验在热态实验室2号试验炉（见图1）进行，图2为试验装置示意图。在2号炉长度一侧装有加热炉用高速低NOx型燃烧器，燃烧器加热能力为525kW，燃烧介质为混合煤气（煤气成分见表1），混合煤气发热值约8550kJ／m3，额定流量250m3／h。在试验炉侧面均匀的留有一排窥视孔，可以对炉内燃烧情况进行观察。在窥视孔处插入钢管抽取炉内气氛，并用烟气分析仪对炉内气氛进行监测。

图1 试验炉

图2 试验装置系统示意图

1.2 试验方法

从表1给出的混合煤气成分，可以计算出燃烧1m3混合煤气所需要的理论空气量为1.94m3。知道了理论空气量，则可以根据需要的空气系数来计算出空燃比，反过来根据实际空燃比的设定来达到控制炉内燃烧气氛的目的。表2给出了不同的空气系数下的空燃比，根据燃烧器额定煤气流量分别按表2配置不同的空气流量来控制炉内气氛。试验时选取空气系数0.95、1.00、1.05、1.10、1.15、1.20进行试验，使用烟气分析仪进行炉内气氛监测。

表1 试验用混合煤气成分

表2 不同空气系数下的空燃比

根据实际加热炉内钢坯与火焰的位置关系，选择试样放置在燃烧器火焰中心下方500mm处，并在试样放置处用热电偶监测炉内综合温度。根据空气系数调整燃烧器空燃比，当监测热电偶达到1000℃时，将切割好的试样放入试验炉内固定位置，继续试验半小时后关闭燃烧器，待室温后取出试样。

试样采用Q345B钢，尺寸为100mm×50mm×19mm。试验前先称取试样重量，试验后取出试样并去掉氧化铁皮后重新称重，根据试验前后试样重量的变化计算氧化烧损率。氧化烧损率计算公式为：（试验前试样重量－试验后试样重量）／试验前试样重量。

2 试验结果和分析

2.1 试验结果

按照以上试验方法进行了不同空气系数下的氧化烧损试验。不同空气系数下测得的炉内气氛见表3，不同空气系数下的氧化烧损率见表4、图3。

2.2 结果分析

（1）根据试验结果，可以通过回归法得到不同空气系数下的氧化烧损率经验公式为：y＝－23x2＋60.05x－35.98。公式表明，随着空气系数的增加，钢坯的氧化烧损率也随之增大；当空气系数增加到1.30时，氧化烧损达到最大，这时的氧化烧损为3.215%；当空气系数大于1.3时，氧化烧损不在增加，这是因为钢坯表面已经形成了一层较厚的氧化铁皮，阻止了氧化的进一步发生；同样当空气系数为0.93时，氧化烧损基本为0，这是因为炉内主要以还原性气氛为主。因此该经验公式适用的空气系数范围是0.93～1.30。

表3 不同空气系数下的炉内气氛

表4 不同空气系数下的氧化烧损率

图3 不同空气系数下的氧化烧损关系图

（2）在已知加热炉内空煤气流量的情况下，可以计算出空气系数，根据经验公式可以得到氧化烧损率；同样通过控制空气系数则可以适当控制钢坯的氧化烧损。

（3）试验过程未考虑加热时间、加热温度的影响。试验过程中不同空气系数下的加热时间一致，不同空气系数下的最终加热温度稍有波动。炉气中影响钢坯氧化烧损的气体很多，试验是利用武钢混合煤气进行的，对于其他厂家或其他种类煤气需要重新进行试验。

（4）钢坯在实际加热炉内加热过程中，由于炉内压力变化、流场变化以及煤气热值的波动，炉内气氛处于动态平衡状态。因此实际生产过程中还要根据炉内的实际气氛情况对空气系数进行修正，以达到表3对应的炉内气氛。

（5）根据试验结果，并考虑到轧钢加热炉的实际情况，建议轧钢加热炉空气系数控制在1.05～1.10较为合适。对武钢某厂加热炉内气氛进行了测试和调整，使加热炉内氧化烧损率得到了有效控制。

3 结论

通过利用武钢的混合煤气，模拟加热炉内的真实气氛，在热态试验室开展了炉内气氛对钢坯氧化烧损影响的试验研究，得到了炉内气氛对钢坯氧化烧损影响的经验公式。研究表明，当空气系数达到1.30时，氧化烧损率达到最大3.215%；当空气系数为0.93时，氧化烧损率基本为0。不同空气系数下钢坯氧化烧损率的试验研究，对指导加热炉控制炉内气氛、减少氧化烧损提供了重要依据。

［1］刘占增，郑兆平，丁翠娇，等.加热炉氧化烧损原因与对策分析［J］.冶金能源，2004，23（2）：30－32、42.

［2］刘占增，刘静，刘文清，等.CSP均热炉带钢表面缺陷分析及控制［J］.武汉工程职业技术学院学报，2011，（3）：15－17.