CN111218546A

CN111218546A - 一种降低钢坯在煤气加热炉内氧化烧损的方法

Info

Publication number: CN111218546A
Application number: CN201911322307.2A
Authority: CN
Inventors: 潘荣汉; 李雷; 汪洋; 陈晓文
Original assignee: Shanghai Jueyou Energy Conservation And Environmental Protection Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Jueyou Energy Conservation And Environmental Protection Technology Co Ltd
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2020-06-02

Abstract

本发明属于冶金节能技术领域，公开了一种降低钢坯在煤气加热炉内氧化烧损的方法。包括，在钢坯进入高温煤气加热炉之前，首先在高温蒸汽预热炉内进行加热，蒸汽预热炉内通入高温蒸汽加热，加热温度为500～560℃，加热时间为50～90min，在加热时，同时通入热空气，热空气流量为蒸汽流量的10～30％，蒸汽预热炉内维持适0.12～0.2MPa微正压，高温水蒸汽与铁反应，在钢坯表面形成一层致密Fe₃O₄氧化皮保护膜，高温蒸汽预热炉内加热结束后，钢坯转入高温煤气炉加热，该致密的Fe₃O₄氧化膜阻挡空气与钢坯的接触，从而抑制了钢坯的进一步氧化，与常规加热方法相比，本方法氧化皮厚度减少50％以上。

Description

一种降低钢坯在煤气加热炉内氧化烧损的方法

技术领域

本发明涉及冶金节能技术领域，尤其涉及一种降低钢坯在煤气加热炉内氧化烧损的方法。

背景技术

我国钢铁产量高居全球首位，2018年产量达8亿吨，大多数钢铁的生产需要经过高温加热钢坯工序，在高温下，钢坯料变形抗力降低，可降低轧制、挤压或锻造的设备吨位需求，一般需要经过多火次的中间加热，这类需要经过加热后再塑性加工的钢占到钢铁总产量的一半以上。钢坯加热温度一般在1100～1250℃之间，每道次加热时间在0.5～3h之间，每次加热，都会在钢坯表面形成氧化皮，产生氧化烧损，氧化烧损量在1～2.5％之间。按平均烧损量1.5％计算，我国4亿吨热塑性成形钢的烧损量达到600万吨，按每吨钢平均价格4000元计算，每年损失240亿元，如果能使氧化烧损量降低50％，每年可节约120亿元，具有巨大的经济效益。另一方面，生产钢铁时，吨钢消耗1.5～1.6吨铁矿石、0.6～0.8 吨标准煤的能源、3～6吨水，并排放1～1.8吨二氧化碳，因此，减少氧化烧损，还能节约大量能源，减少大量的碳排放，具有显著的社会效益。

轧钢加热炉能耗占轧钢系统工序能耗的60～70％，是轧钢系统节能的重点。随着近年钢铁产品质量的要求不断提高，轧钢加热环节越来越重要，其中氧化烧损是轧钢加热过程不可避免的问题。钢坯氧化的危害主要表现在：1、造成金属损失，降低成材率；2、烧损严重说明燃烧不佳造成煤气消耗过量；3、引起一系列不良后果，如脱碳、气泡显露等问题，严重影响钢坯的轧制质量；4、增加停炉清渣次数，影响产量。形成氧化烧损的机理是炉气中的氧原子通过钢坯表面向内部扩散，铁离子则由内部向外部扩散，当两元素在一定加热温度和炉内气氛等条件下，发生化学反应生成铁氧化物。

影响钢坯氧化烧损因素很多，如炉膛加热温度、钢坯加热时间、钢坯出炉温度和炉内氧气氛等，其中氧化烧损量随加热温度的升高而急剧增加，尤其是800℃以上更为迅速，

其次加热时间与氧化烧损量成正比，针对钢坯氧化烧损问题，国内许多学者提出了许多降低钢坯氧化烧损的措施，如钢坯表面涂层的方法，如钢坯热装热送的方法等，尽管这些方法在一定程度上缓解了氧化烧损的生成量，但作用很有限，在实际生产中，还需要进一步降低轧钢加热炉钢坯的氧化烧损。

钢坯一般采用炼钢过程产生的焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气的混合煤气加热，加热温度在1100～1250℃之间，每道次加热时间在0.5～3h之间，到温后即进行轧制、挤压或锻造。传统钢坯的加热方法是在1100～1250℃高温下加热，加热过程中会生成较厚的氧化皮，该氧化皮一般具有三层结构，分别是特别薄的Fe₂O₃外层，稍厚的Fe₃O₄中间层和最厚的FeO内层，这三种氧化物的厚度比大致为1:4:9，内层为疏松的FeO，与钢基体结合力弱，易剥落，无法形成保护作用，氧化易于向钢坯内部推进。

钢厂在炼焦、高炉炼铁、转炉炼钢的过程中，会产生大量的烟气余热，这类余热按照温度的高低，划分为三类：高温余热(大于900℃)、中温余热(400～900℃)和低温余热(小于400℃)。我国钢铁企业余热资源的平均回收率较低，只有不到40％。大多数余热的回收是通过饱和蒸汽系统来回收热量，然后用作发电或采暖等，由于中低温发电技术不成熟，也有一部分蒸汽被直接排放。如果能够把这些饱和蒸汽余热利用起来，将能产生巨大的经济效益。

由于钢坯需要加热，如果能够利用钢厂蒸汽余热来加热钢坯，且不产生过厚的氧化皮，则能够一举两得，既降低氧化皮厚度，有充分利用钢厂余热。鉴此，本发明提出了一种能够利用钢厂高温蒸汽对钢坯进行加热、并减小氧化皮厚度的方法。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中钢坯加热表面氧化烧损量大，能源消耗量大等问题，而提供一种降低钢坯在煤气加热炉内氧化烧损的方法。

铁和氧在一定温度下进行反应，可能会生成Fe₂O₃、FeO和Fe₃O₄等三种氧化物产物，这三种氧化物的性能相差很大，其中：

FeO是一类p型氧化物半导体，层中有较高的的阳离子空位浓度，这使得阳离子和电子在FeO层中迁移率很高，所以FeO层的生长速率很快，FeO呈黑色，结构疏松，易脱落。

Fe₃O₄也是一类p型氧化物半导体，其化学计量性比FeO高，所以不利于Fe²⁺扩散。Fe₃O₄由一个Fe²⁺和两个Fe³⁺构成，属尖晶石结构，Fe²⁺和Fe³⁺分别位于四面体和八面体的间隙位置， Fe₃O₄呈黑灰色，质地致密，结合紧密，可起到保护作用。

Fe₂O₃为是一种n型氧化物半导体，氧含量比较高，内部有很多氧离子缺陷，形成阴离子空位，有利于外界中氧气向内部的扩散。Fe₂O₃有两种晶体结构，低温下是亚稳态的γ-Fe₂O₃立方晶体，400℃以上是斜六面体结构的α-Fe₂O₃，Fe₂O₃俗称赤铁矿，呈红褐色。

由此我们可知，Fe₃O₄质地致密，结合紧密，而FeO则结构疏松，Fe₂O₃致密度介于Fe₃O₄和FeO之间。在钢坯的加热初期，如果能迅速生成一层致密的Fe₃O₄层，则能对钢坯起到保护作用，防止氧气与钢坯内部组织接触，从而起到抑制进一步氧化的作用。

Fe-H₂O在高温下的反应平衡相图，当温度在450～567℃之间时，铁与高温水蒸汽反应，生产Fe₃O₄，而Fe₃O₄是一种致密的氧化层，能够起到防腐蚀和抑制进一步氧化的作用，故可在钢铁表面生成一层Fe₃O₄来抑制进一步氧化，其反应过程为:

H₂O→[O]+H₂；

3Fe+4[O]→Fe₃O₄。

高温水蒸汽与热铁接触而分解放出活性氧原子，活性氧原子与金属铁起作用而生成 Fe₃O₄核心，长大后沉淀在工件表面。进一步根据Fe-O反应平衡图可知，铁和氧反应可能会生成Fe₂O₃、FeO和Fe₃O₄等三种氧化物，但在低于567℃时，生成Fe₃O₄的自由能最低，也即Fe₃O₄是稳定相，因此，在低于567℃时，在钢铁表面生成的是致密的Fe₃O₄相而不是疏松的FeO相。要想在钢坯表面生成致密的Fe₃O₄保护层，需要在567℃以下与水蒸气进行反应，鉴此，本发明的主要技术方案：

一种降低钢坯在煤气加热炉内氧化烧损的方法，在钢坯进入1100～1250℃高温煤气加热炉加热工序前，增加一道高温饱和水蒸汽预热工序，钢坯首先在高温蒸汽预热炉内加热，通过高温饱和水蒸汽加热，在钢坯表面快速形成一层致密的Fe₃O₄氧化膜，钢坯在高温饱和水蒸汽加热结束后，再迅速转入1100～1250℃高温煤气加热。

进一步的，所述高温蒸汽预热炉内的加热工序中，所通入的水蒸汽温度控制在500～ 560℃，炉内压力控制在0.12～0.2MPa之间，加热时间为50～90min。压力越大，反应速度越快，炉内维持微正压，低于0.12MPa，铁与氧反应速度慢，压力超过0.2MPa，炉膛承受压力大，易损坏。低于50min，反应时间过短，Fe₃O₄氧化皮过薄，起不到保护作用，高于 90min，Fe₃O₄氧化皮厚度趋于稳定，即使延长加热时间，氧化皮也难以进一步增厚，造成能源浪费。

进一步的，所述高温饱和水蒸汽加热工序中还通入热空气以用于增大氧含量，所述热空气流量为蒸气流量的10～30％，低于10％，铁与氧的反应速度低，高于30％，水蒸汽含量过低，同样会降低反应速度。

所述热空气的温度控制在500～560℃。高于560℃，则易于生成FeO，低于500℃则铁与氧气的反应速度慢，故加热温度控制在500～560℃。

进一步的，所述在高温蒸汽预热炉内生成的致密Fe₃O₄氧化膜的厚度为10～100μm。

进一步的，所述钢坯转入1100～1250℃高温煤气加热炉后，钢坯表面所生成的氧化皮厚度至少减小50％。

进一步的，所述高温饱和水蒸汽为钢厂循环废热蒸汽。

本发明的创新点在于：钢坯首先利用500～560℃的高温饱和蒸汽加热，生成致密Fe₃O₄氧化皮后，再进入常规高温煤气加热炉进行加热。在蒸汽加热炉内生成一层致密Fe₃O₄氧化皮后，能够在一定程度上阻止氧气与钢铁基体的接触，从而减少高温煤气加热炉内的氧化烧损，钢坯进入蒸汽加热炉内后，连续通入500～560℃的高温饱和蒸汽与一定比例的热空气进行加热。

本发明提供的降低轧钢加热炉钢坯氧化烧损的方法，从钢坯入炉到出炉，综合采用节能降烧损措施，采用钢厂炼钢蒸汽余热对钢坯进行预热，结合水蒸气与热空气比例、炉温、炉压优化控制，最终实现轧钢加热炉高效节能和降低钢坯氧化烧损的目标。

与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果：

1、与传统把钢坯放入高温煤气炉内加热到1100～1250℃的加热方法相比，本发明的高温高压蒸汽预热、预制氧化皮的加热技术，能够在钢坯表面形成一层致密氧化皮，避免在高温加热阶段进一步氧化烧损，从而大幅度降低轧钢厂钢坯加热过程中的氧化烧损量；

2、传统防氧化技术着重于尽量避免氧化皮形成，从而采用氮气、氩气等惰性气体保护，需要炉体密封，结构复杂，且难以实现连续生产，而本发明采用预制致密氧化皮的方法来防止进一步氧化，不需要密封炉体，可连续通入高温蒸汽，易于实现连续生产；

3、本发明的高温水蒸气预热钢坯的方法，充分利用钢厂余热进行加热，提高了钢厂的余热利用率，降低了能耗；

4、本发明的加热方法简单易行，不需要对钢厂现有高温煤气加热设备做改造，只需要增加蒸汽加热炉即可。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段，创作特征，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，然而，本发明并不限于这些实施方式。

本发明的通过高温高压水蒸汽加热预制致密Fe₃O₄氧化膜的方法，其实施方法如下，在钢坯进入高温煤气加热炉(1100～1250℃)加热前，首先进入高温蒸汽预热炉进行加热，加热温度为500～560℃，加热时间为50～90min，对于普通碳钢，加热时间短，对于高合金钢，则加热时间适当延长，在加热时，同时通入热空气，热空气流量为蒸汽流量的10～30％，蒸汽预热炉内维持适当正压，压力为0.12～0.2MPa。钢坯在低温加热结束后，迅速转入高温煤气加热炉按照正常的加热制度进行加热。

预制Fe₃O₄层能在很大程度上阻挡氧化向钢坯内部推进，但不能完全杜绝钢坯氧化活动，预制Fe₃O₄保护层的钢坯转入加热温度为1100～1250℃的高温煤气加热炉内加热时，还会生成一定厚度的由FeO、Fe₂O₃和Fe₃O₄组成的氧化皮。

具体应用见以下各实施例，在以下各应用实例中，本发明中所述FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄的物相分析采用X光衍射仪(XRD)和电子背散射衍射(EBSD)法进行测定。氧化皮厚度采用扫描电镜进行测定，沿氧化后的钢坯纵向锯切试样，磨平抛光横向断口后，采用扫描电镜测量表层氧化皮厚度。

实施例1

加热普通碳素钢10号钢坯，钢坯厚度150mm，宽200mm，为了分别测量预制的Fe₃O₄保护膜和最终氧化皮厚度，同时在高温蒸汽炉内加热两块钢坯，其中一块钢坯加热结束后立即冷却，取样测量预制Fe₃O₄保护膜厚度，另外一块加热结束后立即转入高温煤气加热炉加热。高温蒸汽预热炉内加热温度为560℃，加热时间为50min，在加热时，通入热空气，空气温度560℃，空气流量为水蒸汽流量的30％,炉内压力0.12MPa，加热结束后，其中一块钢坯立即取出，采用水喷淋冷却到室温，取样后测量预制Fe₃O₄保护膜厚度，测得Fe₃O₄厚度为0.1mm；另外一块立即转入煤气加热炉加热，加热温度1200℃，加热时间1h，加热完成后，采用水喷淋冷却钢坯温度至室温，测量氧化皮厚度为0.35mm。

对比例1

加热普通碳素钢10号钢坯，钢坯厚度150mm，宽200mm，钢坯直接送入高温煤气加热炉加热，加热温度1200℃，加热时间1h，加热完成后，采用水喷淋冷却钢坯温度至室温，测量氧化皮厚度为0.75mm。

实施例1与对比例1相比，在相同的高温煤气炉内加热条件下，首先在高温蒸汽预热炉内预制Fe₃O₄保护膜后，再转入高温煤气加热炉内加热，所产生的氧化皮厚度比直接在高温煤气炉内加热减少了53.3％。

实施例2

加热低合金钢30CrMoA圆棒坯，钢坯直径100mm，为了分别测量预制Fe₃O₄保护膜和最终氧化皮厚度，同时在高温蒸汽炉内加热两根钢棒，其中一根钢棒坯加热结束后立即冷却，取样测量预制Fe₃O₄保护膜厚度，另外一加热结束后立即转入高温煤气加热炉加热。高温蒸汽预热炉内加热温度为540℃，加热时间为70min，在加热时，通入热空气，空气温度540℃，空气流量为水蒸汽流量的20％，炉内压力0.15MPa，加热结束后，其中一根钢棒立即取出，采用水喷淋冷却到室温，取样后测量预制Fe₃O₄保护膜厚度，测得Fe₃O₄膜厚度为0.05mm；另外一根立即转送入煤气加热炉加热，加热温度1200℃，加热时间1.5h，加热完成后，采用水喷淋冷却钢坯温度至室温，测量氧化皮厚度为0.32mm。

对比例2

加热低合金钢30CrMoA圆棒坯，钢坯直径100mm，直接送入煤气加热炉加热，加热温度1200℃，加热时间1.5h，加热完成后，采用水喷淋冷却钢坯温度至室温，测量氧化皮厚度为0.68mm。

实施例2与对比例2相比，在相同的高温煤气炉内加热条件下，首先在高温蒸汽预热炉内预制Fe₃O₄保护膜后，再转入高温煤气加热炉内加热，所产生的氧化皮厚度比直接在高温煤气炉内加热减少了52.9％。

实施例3

加热不锈钢06Cr19Ni10N钢坯，钢坯厚度240mm，宽280mm，为了分别测量预制Fe₃O₄保护膜和最终氧化皮厚度，同时在高温蒸汽炉内加热两块钢坯，其中一块钢坯加热结束后立即冷却，取样测量预制Fe₃O₄保护膜厚度，另外一块加热结束后立即转入高温煤气加热炉加热。高温蒸汽预热炉内加热温度为500℃，加热时间为90min，在加热时，通入热空气，空气温度500℃，空气流量为水蒸汽流量的10％，炉内压力0.2MPa，加热结束后，其中一块钢坯立即取出，采用水喷淋冷却到室温，取样后测量预制Fe₃O₄保护膜厚度，测得Fe₃O₄厚度为0.01mm；另外一块立即转送入煤气加热炉加热，加热温度1250℃，加热时间2h，加热完成后，采用水喷淋冷却钢坯温度至室温，测量氧化皮厚度为0.25mm。

对比例3

加热不锈钢06Cr19Ni10N钢坯，钢坯厚度240mm，宽280mm，直接采用煤气加热炉加热，加热温度1250℃，加热时间2h，加热完成后，采用水喷淋冷却钢坯温度至室温，测量氧化皮厚度为0.52mm。

实施例3与对比例3相比，在相同的高温煤气炉内加热条件下，首先在高温蒸汽预热炉内预制Fe₃O₄保护膜后，再转入高温煤气加热炉内加热，所产生的氧化皮厚度比直接在高温煤气炉内加热减少了51.9％。

实验结果分析：

比较实施例1与对比例1，对于10号普通碳钢而言，与传统的直接高温加热工艺相比，采用本发明的高温蒸汽预热工艺可使氧化皮厚度由0.75mm减小到0.35mm，氧化烧损减少幅度达53.3％。

比较实施例2和对比例2，对于低合金钢30CrMoA钢坯坯而言，与传统的直接高温加热工艺相比，采用本发明的低温、富氧预热工艺可使氧化皮厚度由0.68mm减小到0.32mm，氧化烧损减少幅度达52.9％。

比较实施例3和对比例3，对于不锈钢06Cr19Ni10N钢坯而言，与传统的直接高温加热工艺相比，采用本发明的低温、富氧预热工艺可使氧化皮厚度由0.52mm减小到0.25mm，氧化烧损减少幅度达51.9％。

以上实施例，只是本发明的较佳实例，并非来限制本发明实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利。

Claims

1.一种降低钢坯在煤气加热炉内氧化烧损的方法，其特征在于，在钢坯进入1100～1250℃高温煤气加热炉加热工序前，增加一道高温饱和水蒸汽预热工序，在高温蒸汽预热炉内，通过高温饱和水蒸汽加热，在钢坯表面预制一层致密的Fe₃O₄氧化膜，钢坯在高温饱和水蒸汽加热结束后，再迅速转入1100～1250℃高温煤气加热。

2.如权利要求1所述的一种降低钢坯在煤气加热炉内氧化烧损的方法，其特征在于，所述高温饱和水蒸汽加热工序中，所通入的水蒸汽温度控制在500～560℃，高温蒸汽预热炉内的压力控制在0.12～0.2MPa之间，加热时间为50～90min。

3.如权利要求2所述的一种降低钢坯在煤气加热炉内氧化烧损的方法，其特征在于，所述高温饱和水蒸汽加热工序中还通入热空气以用于增大氧含量，所述热空气流量为蒸气流量的10～30％，所述热空气的温度控制在500～560℃。

4.如权利要求1-3所述的一种降低钢坯在煤气加热炉内氧化烧损的方法，其特征在于，钢坯经高温蒸汽预热后，在钢坯表面预制的致密Fe₃O₄氧化膜的厚度为10～100μm。

5.如权利要求4所述的一种降低钢坯在煤气加热炉内氧化烧损的方法，其特征在于，所述在高温蒸汽炉内预制致密Fe₃O₄氧化膜的钢坯转入1100～1250℃高温煤气加热炉后，与未经高温蒸汽加热处理的钢坯相比，钢坯表面所产生的氧化皮厚度至少减小50％。

6.如权利要求3所述的一种降低钢坯在煤气加热炉内氧化烧损的方法，其特征在于，所述高温饱和水蒸汽为钢厂循环废热蒸汽。