CN111187901A - 一种降低热轧钢坯在加热炉内氧化烧损的方法 - Google Patents

一种降低热轧钢坯在加热炉内氧化烧损的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钢坯加热领域，提出了一种降低热轧钢坯在加热炉内氧化烧损的方法。该方法包括在钢坯进入高温炉之前，首先在低温炉内进行加热，所述低温炉加热温度为500～560℃之间，并通入富氧空气，其中富氧空气中的氧气浓度在50～70％之间，加热时间为10～50min，通过富氧、低温、短时加热，在钢坯表面迅速形成一层致密Fe3O4氧化皮保护膜，在进入高温炉后，该致密的Fe3O4氧化膜阻挡空气与钢坯内部组织的接触，从而抑制了钢坯的进一步氧化，与传统加热方法相比，采用本方法，氧化皮厚度减少50％以上。

Description

一种降低热轧钢坯在加热炉内氧化烧损的方法
技术领域
本发明涉及炼钢节能技术领域，尤其是涉及一种降低热轧钢坯在加热炉内氧化烧损 的方法。
背景技术
截至2018年底，我国钢铁产量达8亿吨，其中热轧钢产能超过5亿吨/年，热轧钢 材种类繁多，有板带、建筑钢筋、棒材、无缝钢管以及各类型材等。热轧钢生产过程需 要多火次加热，在连铸坯生产出来后，粗轧开坯时需要加热，中轧过程也需要数次加热， 为了降低轧制力，一般需加热到1100～1250℃之间，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，氧化烧损在1～2.5％之间。按平均烧 损量1.5％计算，如果能使氧化烧损量降低50％，可每年节约750万吨热轧钢，按热轧钢 平均4000元/吨计算，即可节约300亿元，具有巨大的经济效益和社会效益。
由于钢厂在炼焦、炼铁、炼钢过程中会产生副产品煤气，故热轧钢一般采用煤气加热，钢坯一般直接进入高温煤气加热炉进行加热，根据钢种的不同，加热温度一般在 1100～1250℃范围内。根据钢坯厚度和钢种的不同，每次加热时间在0.5～3小时之间 不等，在高温下进行长时间的加热，氧化烧损非常严重，一般烧损量可达1～2.5％之间， 钢厂损失巨大，因此，热轧钢厂急需能够减少氧化烧损的钢坯加热工艺。
鉴此，本发明专利提出了一种减少热轧钢坯氧化烧损的工艺方法。
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，提供一种降低热轧钢坯在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，从而起到防止进一步氧化的作用。
根据铁-氧反应平衡图，在纯铁在567℃以下时，生成的氧化产物中Fe3O4的吉布斯自由能最低，也即氧化产物中Fe3O4最稳定，生成的热力学倾向最大，也即在在567℃以 下时，生成Fe3O4的可能性最大；在567℃以上时，生成FeO的吉布斯自由能最低，此时 氧化产物中FeO最稳定，生成的热力学倾向最大。
一般钢坯的加热温度在1100～1250℃之间，此时，形成的氧化层具有三层结构，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。
鉴此，如果能够短时间内在钢坯表面生成一层致密的Fe3O4氧化膜，形成保护层，则能够阻挡氧化向钢坯内部推进，根据铁-氧反应平衡图，在567℃以下时，生成Fe3O4的吉布斯自由能最低，Fe3O4是稳定相。而传统热轧钢坯加热则直接把钢坯送入高温炉内 加热，因此，本发明在钢坯进入高温炉之间，加入了低温加热预制Fe3O4氧化皮的工序， 根据铁-氧平衡图，加热温度需低于567℃，才能稳定生成Fe3O4相，由于加热方式为煤 气加热，温度精确度不易控制，为了防止超温，本发明加热温度上限为560℃，另一方 面，如果加热温度过低，这氧化反应时间过长，故加热温度不宜低于500℃。
因此，本发明公开了一种降低热轧钢坯在加热炉内氧化烧损的方法，在钢坯进入高 温炉加热前，钢坯首先在低温炉内预热，使钢坯表面快速形成一层致密的Fe3O4氧化膜，阻挡空气向钢坯内部渗入，从而降低氧化烧损；其中，
所述钢坯在低温炉内采用煤气加热，预热温度为500～560℃，加热过程中向低温炉 内通入富氧空气，所述富氧空气中的氧气体积浓度为富氧空气浓度的50％～70％。
进一步的，所述钢坯在低温炉内加热时间为10～50min。
进一步的，所述钢坯首先在低温炉内预热，预制Fe3O4氧化膜，然后再送入高温炉加热到轧制温度。
进一步的，所述钢坯在500～560℃低温加热炉内预制形成Fe3O4氧化膜后，在1100～1250℃高温炉内的燃烧，使所述钢坯的Fe3O4氧化膜厚度至少减小50％。
为了能够短时间内生成Fe3O4氧化膜层，根据铁-氧反应平衡图，在567℃以下，在铁氧原子比Fe:O＝42.66:57.34时，全部生成Fe3O4，低于此原子比，则Fe原子过剩，鉴 此，为了能够迅速生成Fe3O4氧化膜层，需要较高的氧浓度，而空气中的氧浓度只有21％， 这就需要人工吹入氧气或富氧空气，富氧空气中的氧浓度不低于50％，氧浓度也不宜过 高，超过70％，则氧过剩，过剩的氧会把Fe3O4氧化成Fe2O3，致密度低于Fe3O4，故氧浓 度不宜高于70％。故本发明中选择氧气体积浓度为富氧空气浓度的50％～70％。
为了能在钢坯表面生成Fe3O4氧化膜层，需要一定的反应时间，在高浓度氧的作用下，反应时间一般在10～50min之间，低于10分钟，Fe3O4氧化膜厚度薄，高于50min， 则Fe3O4氧化膜厚度过厚。
如果钢坯在进入低温炉前，本身已经具有了高温下形成的氧化皮，则需要首先通过 高压水枪进行除鳞处理，把以FeO为主的疏松氧化皮去除，然后再送入低温炉进行预制氧化皮。热轧钢坯一般采用连铸法铸锭，在连铸过程中，会生成一层以FeO为主的氧化 皮，经高压水枪除鳞后，残存在钢坯表面的FeO氧化膜，根据Fe-O反应恒温转变相图， 在500～567℃下保温，由于在此温度范围内FeO相是非稳定相，Fe3O4是稳定相，故保 温一定时间后，FeO氧化膜会被氧化为Fe3O4相，根据我们的试验结果，在富氧空气条件 下(氧含量大于50％，小于70％)，保温时间大于20min，即可生成Fe3O4层。
采用本发明的低温、富氧预制Fe3O4氧化皮的方法，经10～50min的处理，可在钢 坯表面形成0.05～0.2mm厚的致密保护层，阻挡氧气和钢基体之间的接触，抑制进一步 氧化，从而减少了氧化烧损量。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、与传统防氧化技术相比，传统防氧化的方法是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 明采用首先在钢坯表面预制一层致密氧化皮来抑制进一步氧化的方法，不需要密封炉 体，成本低，易于实现连续生产；
2、与传统的直接把热轧钢坯放入高温炉内加热到1100～1250℃的加热方面相比，本发明的低温、富氧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，抑 制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，节约钢材，降低成本，提高效益；
3、本发明的预制致密Fe3O4氧化层方法简单易行，预制氧化皮过程同时也是预热钢坯的过程，不损耗能量；
4、本发明的加热方法简单易行，不需要对钢厂现有加热设备做重大改造，只需要增加低温加热炉即可。
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。
本发明的通过低温、富氧加热预制致密Fe3O4氧化层的方法，其实施方法如下，在钢坯进入高温炉加热前，钢坯首先在低温炉内预热，使钢坯表面快速形成一层致密的 Fe3O4氧化膜，阻挡空气向钢坯内部渗入，从而降低氧化烧损；所述钢坯在低温炉内采用 煤气加热，预热温度为500～560℃，加热过程中向低温炉内通入富氧空气，所述富氧空 气中的氧气体积浓度为富氧空气浓度的50％～70％，加热时间为10～50min。对于普通 碳钢，加热时间短，对于不锈钢等高合金钢，则加热时间适当延长，在加热时，通入富 氧空气，氧浓度为50～70％。在钢坯送入低温加热炉前，如果钢坯表面本身有氧化皮层， 则首先采用高压水枪进行除鳞处理，清理表面的氧化皮，然后在送入低温预制氧化皮加 热炉，对于残存在表面的FeO，在低温、富氧保温过程中，残存的FeO层会转化为Fe3O4。 钢坯在低温炉加热结束后，迅速转入高温炉煤气加热，按照一般的加热制度进行加热。
预制Fe3O4层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，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
加热不锈钢0Cr19Ni9钢坯，钢坯厚度100mm，宽150mm，为了分别测量预制Fe3O4保护层和最终氧化皮厚度，同时在低温炉内加热两块钢坯，其中一块钢坯加热结束后立 即冷却，取样测量预制Fe3O4保护层厚度，另外一块加热结束后立即转入高温炉加热。 低温炉内煤气加热温度为560℃，加热时间为20min，在加热时，通入富氧空气，所述 富氧空气中的氧气浓度为50％。在低温炉加热20min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层厚度，测得Fe3O4保护层厚度为0.05mm；另 外一块立即转入高温热炉内加热，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0.15mm。
对比例1
加热不锈钢0Cr19Ni9钢坯，钢坯厚度100mm，宽150mm，钢坯直接送入高温炉加 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0.50mm。
实施例2
加热轴承钢GCr15圆棒坯，钢坯直径150mm，为了分别测量预制Fe3O4保护层和最 终氧化皮厚度，同时在低温炉内加热两根棒坯，其中一根棒坯加热结束后立即冷却，取 样测量预制Fe3O4保护层厚度，另外一根加热结束后立即转入高温炉加热。低温炉内煤 气加热温度为530℃，加热时间为35min，在加热时，通入富氧空气，所述富氧空气中 的氧气浓度为60％。在低温炉加热35min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层厚度，测得Fe3O4保护层厚度为0.1mm；另外一根钢棒 立即转入高温热炉加热，加热温度1200℃，加热时间1.2h，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0.23mm。
对比例2
加热轴承钢GCr15圆棒坯，钢坯直径150mm，直接送入高温炉加热，加热温度 1200℃，加热时间1.2h，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0.62mm。
实施例3
加热普通碳素钢Q235钢坯，钢坯厚度250mm，宽300mm，为了分别测量预制Fe3O4保护层和最终氧化皮厚度，同时在低温炉内加热两块钢坯，其中一块钢坯加热结束后立 即冷却，取样测量预制Fe3O4保护层厚度，另外一块加热结束后立即转入高温炉加热。 首先采用低温炉中利用煤气加热，加热温度为500℃，加热时间为50min，在加热时， 通入富氧空气，所述富氧空气中的氧气浓度为70％。在低温炉加热50min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层厚度，测得Fe3O4保护 层厚度为0.2mm；另外一块立即转入高温炉加热，加热温度1250℃，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0.3mm。
对比例3
加热普通碳素钢Q235钢坯，钢坯厚度250mm，宽300mm，直接送入高温炉加热， 加热温度1250℃，加热时间50min，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0.83mm。
实验结果分析：
比较实施例1与对比例1，对于不锈钢0Cr19Ni9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0.5mm减小到0.15mm，氧化 烧损减少幅度达70％。
比较实施例2和对比例2，对于GCr15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0.62mm减小到0.23mm，氧化烧损 减少幅度达62.9％。
比较实施例3和对比例3，对于普通碳素钢Q235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0.83mm减小到0.3mm， 氧化烧损减少幅度达63.8％。
由此可见，本发明方法对于减少氧化烧损效果非常明显。
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中。

Claims (5)

1.一种降低热轧钢坯在加热炉内氧化烧损的方法，其特征在于，在钢坯进入高温炉加热前，钢坯首先在低温炉内预热，使钢坯表面快速形成一层致密的Fe3O4氧化膜，阻挡空气向钢坯内部渗入，从而降低氧化烧损；其中，
所述钢坯在低温炉内采用煤气加热，预热温度为500～560℃，加热过程中向低温炉内通入富氧空气，所述富氧空气中的氧气体积浓度为富氧空气浓度的50％～70％。
2.如权利要求1所述的降低热轧钢坯在加热炉内氧化烧损的方法，其特征在于，所述钢坯在低温炉内加热时间为10～50min。
3.如权利要求1所述的降低热轧钢坯在加热炉内氧化烧损的方法，其特征在于，所述钢坯首先在低温炉内预热，预制Fe3O4氧化膜，然后再送入高温炉加热到轧制温度。
4.如权利要求1所述的降低热轧钢坯在加热炉内氧化烧损的方法，其特征在于，所述钢坯在低温炉内预热后表面形成0.05～0.2mm厚的致密Fe3O4氧化膜。
5.如权利要求1-3任一项所述的降低热轧钢坯在加热炉内氧化烧损的方法，其特征在于，所述钢坯首先在500～560℃低温加热炉内预制形成Fe3O4氧化膜后，然后在1100～1250℃高温煤气加热炉内的加热，与传统未预制致密Fe3O4氧化膜的加热方法相比，采用本方法加热的钢坯氧化层厚度至少减小50％。
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