CN104990830A - 测量加热炉炉内气氛对钢坯表面氧化影响的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量加热炉炉内气氛对钢坯表面氧化影响的方法和装置，其方法是模拟加热炉的炉内工况，通过向放置在试验炉内封闭的反应管内输送气氛以及控制炉内温度，使反应管内气氛与试样发生氧化反应，从而测量出炉内气氛对试样钢坯表面氧化影响的过程；其装置包括试验炉，试验炉内设有密封的反应管和热电偶，反应管的顶部设置有与大气连通的尾气导管，反应管内设有放置试样的试样架，试样架的横截面与反应管横截面相同，试样架上设有透气通孔，反应管的底部通过连接管与配气柜连通，配气柜包括储存加热炉炉内气氛的储气罐，储气罐通过控制阀和流量计与连接管连通，控制阀、热电偶和流量计的控制端均与电脑连接。

Description

测量加热炉炉内气氛对钢坯表面氧化影响的方法和装置

技术领域

本发明涉及钢铁氧化测试技术领域，具体地指一种测量加热炉炉内气氛对钢坯表面氧化影响的方法和装置。

背景技术

加热炉内气氛对钢坯表面氧化烧损影响是个复杂的化学反应过程，不仅包括CO₂、H₂O、O₂、SO₂、CO、H₂、CH₄分别与Fe的氧化反应，同时还包含许多可逆的还原反应，而单一气氛对钢坯表面氧化烧损的影响，国内相关技术报道较少，目前只有一些定性的结论。同时，高温钢坯冷却过程中易与空气中的O₂发生二次氧化反应，造成钢坯二次氧化烧损，影响试验精度。因此急需一种既能够测量单一气氛对钢坯表面氧化烧损的影响规律，又能测量几种气体共同作用下对钢坯表面氧化烧损影响规律，同时还能防止高温的钢坯冷却过程中与空气中O₂发生氧化反应的实验装置。

经检索，申请号为200910076136.X的中国发明专利申请公开了一种钢坯氧化烧损的测定方法，其利用同种小钢样同炉加热，计算出小钢样的氧化烧损率后，通过比表面积计算出钢坯氧化烧损率，此种方法存在以下不足：首先，每次试验都必须同现场加热炉操作同时进行，工作量大，成本较高；其次，冷却时不能保证高温钢坯与空气中的再次发生氧化反应，出现误差影响试验精度，同时钢坯在用高压水除磷过程中，小钢样容易被高压水冲掉，致使试验失败；再次，此种方法不能够测量单一气氛对钢坯表面氧化烧损影响。申请号为200710031302.5的中国发明专利公开了一种控制加热炉炉内气氛减少氧化烧损的方法，但其具有一定的局限性，仅仅适用于以轻柴油或重 油为燃料的加热炉中，而冶金行业加热炉主要燃料为高炉和焦炉的混合煤气。目前，尚没有一种容易实现、试验精度高的测量炉内气氛对钢坯表面氧化烧损的影响规律的方法和装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种既能够测量单一气氛对钢坯表面氧化烧损的影响规律、又能测量几种气体共同作用下对钢坯表面氧化烧损影响规律的测量加热炉炉内气氛对钢坯表面氧化影响的方法和装置。

为实现上述目的，本发明所提供的一种测量加热炉炉内气氛对钢坯表面氧化影响的方法，是模拟加热炉的炉内工况，通过向放置在试验炉内封闭的反应管内输送气氛以及控制炉内温度，使反应管内气氛与试样发生氧化反应，从而测量出炉内气氛对试样钢坯表面氧化影响的过程，其特殊之处在于，它包括如下步骤：

1)将试样放入反应管内，再将反应管放入试验炉内，控制试验炉内的温度不高于200℃；

2)逐步提升试验炉内的温度，直至达到试验要求温度后保持温度稳定；

3)从反应管底部向管内输送气氛，在试验要求时间内管内气氛与试样发生氧化反应；

4)试验要求时间结束后停止向反应管内输送气氛，向反应管内继续输送氮气直至试验炉内温度低于100℃；

5)从反应管内取出试样，根据试样的质量变化计算出试样的氧化烧损率。

优选地，所述步骤3)中，从反应管底部向管内输送气氛的含量是根据烟气分析仪检测加热炉内的各气体体积百分比含量获得的。测定综合气体时，模拟加热炉内实际工况，按照烟气分析仪所测量的气体体积百分比计算试验时各气体的体积百分比和流量试验，测量出几种气体共同作用下对钢坯表面氧化烧损影响规律。

优选地，所述步骤3)中，从反应管底部向管内输送的气氛为CO₂、O₂、CO或者H₂中的一种与N₂的混合气体。测量单一气体时，其它气体可用同等体积百分比的惰性气体氮气代替被测气体外所有气体，根据烟气分析仪所测量的该气体体积百分比计算试验时所需气体的体积百分比和流量。

优选地，所述步骤2)中，逐步提升试验炉内的温度的速度为5℃/min，保证试验炉和反应管内温度均匀。

一种为实现上述方法而设计的测量加热炉炉内气氛对钢坯表面氧化影响的装置，包括试验炉，其特殊之处在于，所述试验炉内设有密封的反应管和热电偶，所述反应管的顶部设置有与大气连通的尾气导管，所述反应管内设有放置试样的试样架，所述试样架的横截面与反应管横截面相同，所述试样架上设有透气通孔，所述反应管的底部通过连接管与配气柜连通，所述配气柜包括储存加热炉炉内气氛的储气罐，所述储气罐通过控制阀和流量计与连接管连通，所述控制阀、热电偶和流量计的控制端均与电脑连接。

进一步地，所述试样架上方布置有预热刚玉球，所述预热刚玉球位于试样架与试样之间。从反应管底部进入的气氛须经过预热刚玉球，从预热刚玉球之间的缝隙缓慢地、均匀地通过，并到达试样表面，从而充分地与试样发生反应。

更进一步地，所述试样架的透气通孔的直径为3～8mm，所述预热刚玉球的直径为10mm。按照此规格设置试样架的透气通孔和预热刚玉球的直径，使气氛到达试样表面的速度更均匀，反应效果更好。

更进一步地，所述储气罐为多个，分别储存CO、CO₂、N₂、O₂和H₂气体。测量几种气体共同作用下对钢坯表面氧化烧损影响规律时，通过多个储气罐分别储存各种试验气体，并分别通过控制阀控制各储气罐的流量。

更进一步地，所述试样架为耐热耐腐蚀材料的试样架，以适应高温高腐蚀的试验环境。

本发明模拟加热炉炉内实际工况，根据不同的气氛对钢坯表面氧化的不同，通过控制气体输入配比调节试验管内气氛，测量钢坯氧化烧损量，不仅可以定性的分析单一气体在不同温度下对钢坯的氧化影响，同时还可以定量的分析单一气体对钢坯表面氧化影响。

本发明的优点在于：既能够测量单一气氛对钢坯表面氧化烧损的影响规律，又能测量几种气体共同作用下对钢坯表面氧化烧损影响规律，同时还能防止高温的钢坯冷却过程中与空气中O₂发生二次氧化反应而造成的试验误差；通过热电偶控制试验炉温度，精确模拟加热炉实际工况，减少试验误差；增设预热层，确保气体与试验充分反应，同时还可以减少气体流速过快，部分气体未完全反应而造成的实试验误差；结构简单，容易实现，操作高效。

附图说明

图1为本发明测量加热炉炉内气氛对钢坯表面氧化影响的装置的结构示意图。

图中：配气柜1，控制阀2，试验炉3，试样架4，反应管5，尾气导管6，热电偶7，连接管8，电脑9，流量计10，储气罐11。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明的一种测量加热炉炉内气氛对钢坯表面氧化影响的装置，包括试验炉3，试验炉3内设有密封的反应管5和热电偶7。反应管5为内径75mm，高800mm的耐高温耐氧化不锈钢管。反应管5的顶部设置有与大气连通的尾气导管6。反应管5内设有放置试样的试样架4，试样架4的横截面与反应管5横截面相同。试样架4为一块厚4mm直径为73mm的耐热多孔不锈钢片，试样架4上设有直径为5mm的透气通孔。试样架4上方布置有预热刚玉球，每个预热刚玉球的为直径10mm。预热刚玉球位于试样架4与试样之间，预热刚玉球和试样架4构成预热层，使气体能够缓慢、充分的和试样发生氧化反应。同时通过热电偶7控制反应管5内温度与加热炉炉膛 相同，确保在相同温度条件下测量气体对钢坯氧化的氧化性。测量单一气氛对钢坯氧化试验时通过控制电脑9计算后将其它氧化气体用同体积百分比的保护性气体N₂代替，确保与钢坯表面发生氧化反应的为某单一气体，在试验完成后关闭被测气体，利用保护性气体N₂保护试样冷却至常温，从而避免发生二次氧化，影响试验精度。

反应管5的底部通过连接管8与配气柜1连通。连接管8为耐热不锈钢管，连接于反应管5底部，这样既能保证试验时气体充分与试样发生氧化反应，又能避免试验过程中连接管烧损。配气柜1包括储存加热炉炉内气氛的储气罐11。储气罐11为五个，分别储存CO、CO₂、N₂、O₂和H₂气体，每个储气罐11分别通过控制阀2和流量计10与连接管8连通。从配气柜1出来的气体通过连接管8送至控制阀2、流量计10、反应管5，其中电脑9控制控制阀2的阀门开度，确保精确模拟加热炉实际工况，减少试验误差。

控制阀2、热电偶7和流量计10的控制端均与电脑9连接。

利用上述装置实现测量加热炉炉内气氛对钢坯表面氧化影响的方法的试验步骤如下：

0)通过烟气分析仪检测加热炉内各气体体积百分比含量，测量单一气体时，其它气体可用同等体积百分比的惰性气体氮气代替被测气体外所有气体，根据试验需求计算并设定试验所需气体的体积百分比和流量；测定综合气体时，按照烟气分析仪所测量的气体体积百分比计算试验时各气体的体积百分比和流量试验。

1)选择试验用钢块4块(规格为75*35*15mm)，并对试样进行酸洗，除去表面的锈斑和杂质后称重，记录实验初重a；。

2)先在反应管5内装入一定高度粒度为10mm的预热刚玉球和试样架4组成试样预热层，然后将反应管5放到试验炉3里，保证反应管5不与试验炉3或加热元件接触，反应管5放入试验炉3内时，炉内温度不得大于200℃。

3)反应管5放入炉内后，插入热电偶7，接通气体管路，同时检 查热电偶7和气体管路不与其它物件接触，以免影响实验结果。

4)检查气瓶减压阀、流量计10、气体出口、气体管路接头等部位密封是否良好。

5)开电源和自动温度控制仪升温，开电脑9，升温速度保持5℃/min，直至试验所需温度时保持温度稳定。

6)按照试验方案配送各种气体，配送原则是先通氮气N₂管路，然后再通需要测量的气体管路。(试验时间可根据需要自行设定)

7)试验结束，在切断试验气体后，向反应管持续通入氮气N₂，冷却至低于100℃时，关闭所有气体。

8)整理实验数据并打印。

9)试验前钢坯重量a减去除去氧化铁皮后试样重量b，计算试样氧化烧损率。

钢坯氧化率计算方法：

试验后钢坯重量减去试验前钢坯重量变化量a-b的值，并不是氧化铁皮的量，而是与铁发生氧化反应生成氧化铁皮中的含氧量x，即x＝a-b，而试样钢坯的氧化铁皮量y应按下式求得：

2Fe+O₂＝2FeO

y＝144/32＝4.5x

式中：x为试样钢坯中参加反应的氧量，y为试样钢坯的氧化铁皮量

则试样的氧化率可通过下式计算得到：P＝y/a

式中：P为试样钢坯的氧化率，a为试验前钢坯重量。

试验数据：测量单一气氛CO₂气体对钢坯表面的氧化影响

通过烟气分析仪测量现场轧钢加热炉内气氛含量的体积％如下表：

测量CO₂气体对钢坯表面氧化影响试验时，把O₂、H₂O用同体积 百分比的N₂代替，如下表：

试验总流量为0.9L/min，根据上表CO2气体体积百分比换算如下：

根据上述实验步骤进行试验，设定试验温度900℃，试验时间2小时，加热炉内CO₂气体对钢坯的氧化试验结果：

试样	1#(克)	2#(克)	3#(克)	4#(克)
					试验前重量	433.08	439.213	409.56	395.98
试验后重量	430.75	436.87	407.31	393.77
					氧化铁皮重量	2.33	2.34	2.25	2.21
氧化烧损率	0.538％	0.533％	0.549％	0.558％

Claims (9)

1.一种测量加热炉炉内气氛对钢坯表面氧化影响的方法，是模拟加热炉的炉内工况，通过向放置在试验炉(3)内封闭的反应管(5)内输送气氛以及控制炉内温度，使反应管(5)内气氛与试样发生氧化反应，从而测量出炉内气氛对试样钢坯表面氧化影响的过程，其特征在于：它包括如下步骤：

1)将试样放入反应管(5)内，再将反应管(5)放入试验炉(3)内，控制试验炉(3)内的温度不高于200℃；

2)逐步提升试验炉(5)内的温度，直至达到试验要求温度后保持温度稳定；

3)从反应管(5)底部向管内输送气氛，在试验要求时间内管内气氛与试样发生氧化反应；

4)试验要求时间结束后停止向反应管(5)内输送气氛，向反应管(5)内继续输送氮气直至试验炉(3)内温度低于100℃；

5)从反应管(5)内取出试样，根据试样的质量变化计算出试样的氧化烧损率。

2.根据权利要求1所述的测量加热炉炉内气氛对钢坯表面氧化影响的方法，其特征在于：所述步骤3)中，从反应管(5)底部向管内输送气氛的含量是根据烟气分析仪检测加热炉内的各气体体积百分比含量获得的。

3.根据权利要求2所述的测量加热炉炉内气氛对钢坯表面氧化影响的方法，其特征在于：所述步骤3)中，从反应管(5)底部向管内输送的气氛为CO₂、O₂、CO或者H₂中的一种与N₂的混合气体。

4.根据权利要求1所述的测量加热炉炉内气氛对钢坯表面氧化影响的方法，其特征在于：所述步骤2)中，逐步提升试验炉(5)内的温度的速度为5℃/min。

5.一种为实现权利要求1所述方法而设计的测量加热炉炉内气氛对钢坯表面氧化影响的装置，包括试验炉(3)，其特征在于：

所述试验炉(3)内设有密封的反应管(5)和热电偶(7)，所述反应管(5)的顶部设置有与大气连通的尾气导管(6)，所述反应管(5)内设有放置试样的试样架(4)，所述试样架(4)的横截面与反应管(5)横截面相同，所述试样架(4)上设有透气通孔，所述反应管(5)的底部通过连接管(8)与配气柜(1)连通，所述配气柜(1)包括储存加热炉炉内气氛的储气罐(11)，所述储气罐(11)通过控制阀(2)和流量计(10)与连接管(8)连通，所述控制阀(2)、热电偶(7)和流量计(10)的控制端均与电脑(9)连接。

6.根据权利要求5所述的测量加热炉炉内气氛对钢坯表面氧化影响的装置，其特征在于：所述试样架(4)上方布置有预热刚玉球，所述预热刚玉球位于试样架(4)与试样之间。

7.根据权利要求5所述的测量加热炉炉内气氛对钢坯表面氧化影响的装置，其特征在于：所述试样架(4)的透气通孔的直径为3～8mm，所述预热刚玉球的直径为10mm。

8.根据权利要求5所述的测量加热炉炉内气氛对钢坯表面氧化影响的装置，其特征在于：所述储气罐(11)为多个，分别储存CO、CO₂、N₂、O₂和H₂气体。

9.根据权利要求5所述的测量加热炉炉内气氛对钢坯表面氧化影响的装置，其特征在于：所述试样架(4)为耐热耐腐蚀材料的试样架。