재가열로에서의 스케일 형성

가열로에서의 스케일 형성  

재가열로는 철강 압연에서 중요한 요소를 구성하며, 여기서 철강 반제품이 압연 제품의 소성 특성을 달성하기 위해 원하는 온도로 가열됩니다. 압연용 강재 반제품을 가열하는 기본 목적은 (i) 강재를 연화하여 압연에 적합하게 하는 것, (ii) 충분히 높은 초기 온도를 제공하여 완전한 오스테나이트 온도 영역에서 압연 공정이 완료되도록 하는 것입니다. .

재가열로에서 재가열되는 동안 강철은 용해로를 통과하여 온도가 점차적으로 소크 영역까지 증가합니다. 거기에서 온도는 강철의 열적 및 화학적 균질성을 위해 일정하게 유지됩니다. 재가열로는 기체, 액체 또는 고체 연료와 공기 중 하나를 사용하는 직접 연소로입니다. 노 내부의 대기 조성은 일반적으로 주로 질소(N2), 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O) 및 유리 산소(O2)로 구성됩니다. 대기 조성은 작동 중에 크게 달라질 수 있습니다. 이러한 변화는 공연비의 기능이며, 이는 차례로 용광로 및 제철소 작동 조건에 따라 달라집니다.

철강 재가열용 재가열로는 개념적으로 3개의 구역으로 나뉩니다. 재가열로의 배출 끝에서 시작하여 이러한 구역은 (i) 침지 구역, (ii) 가열 구역/구역 및 (iii) 예열 구역입니다. 담금질 구역에서 연료와 공기는 정상 또는 감소된 1차 연료 화학량론에서 노 버너를 통해 연소됩니다. 이 구역은 용광로 온도가 높습니다. 강철의 온도는 이 영역의 단면을 통해 균등화됩니다. 이 구역의 배기 가스는 가열 구역으로 이동합니다. 예열 구역과 소킹 구역 사이에 있는 가열 구역은 강재 표면 온도를 압연 온도 부근까지 증가시키기 위해 높은 복사열 전달이 필요합니다. 이 구역에서 연소 공기의 O2 농축은 열 전달을 촉진하고 노 체적 가스 흐름을 감소시키며, 이 모든 것이 생산성과 열 효율 증가라는 유익한 결과를 가져옵니다. 예열 구역에서 선행 구역의 가스 흐름은 주로 대류에 의해 유입되는 강철에 열을 제공합니다. 이 구역의 시작 부분이나 가열 구역의 끝에 추가 공기가 추가되어 남아 있는 모든 연료를 태웁니다. 배기 가스의 현열은 강재로의 열 전달 또는 복열기에 의해 회수됩니다. 이 구역에서 가스의 속도는 가능한 한 낮아서 강으로의 열 전달에 더 많은 체류 시간이 제공됩니다.

재가열로에서 강철을 가열하는 동안 뜨거운 강철 표면은 노 내 산화 분위기와 반응하여 스케일로 알려진 산화철 층이 형성됩니다. 이 현상으로 인한 항복 손실은 재가열된 강철의 1.0%에서 3%까지 다양합니다.

스케일을 형성하기 위한 강철의 산화는 기본적이며 일반적으로 재가열로에서 재가열 공정의 불가피한 결과입니다. 스케일 형성의 주요 결과는 두 가지 주요 영역에서 발생하는 상당한 경제적 손실입니다. 즉 (i) 철 산화물로서의 강철 수율 손실 및 (ii) 롤인 스케일 결함으로 인한 결함 표면을 통한 우수한 품질의 제품 손실 또는 거칠어진 표면. 규모는 귀중한 철강의 손실을 구성합니다.

스케일 형성은 재가열로에서 일어나는 복잡한 반응입니다. 재가열로 처리에서 강철을 가열하는 동안 발생하는 형태 및 미세 구조는 스케일 형성 및 변형에 의해 상당히 수정됩니다.

재가열로에서 강철을 재가열하는 동안 발생하는 스케일의 양은 여러 요인에 따라 달라집니다. 이러한 요인에는 (i) 강의 조성, (ii) 초기 강의 표면 상태, (iii) 재가열 온도, (iv) 스케일 형성에 대한 공격성을 결정하는 재가열로의 분위기 조성, 그리고 (v) 재가열 사이클에 의해 결정되는 퍼니스에서의 체류 시간. 결과적인 스케일 형성에 대한 재가열 매개변수의 변화 효과를 예측할 수 있으려면 다양한 노 조건에 해당하는 산화 데이터를 사용할 수 있어야 합니다. 또한 노 분위기의 개선된 제어는 더 낮고 안정적인 O2 함량을 가능하게 하여 스케일 형성을 통한 철강 손실을 줄입니다.

재가열로에서 강재를 재가열할 때 강재 표면에 스케일이 형성(산화)되는 현상은 피할 수 없고 제어하기 어렵다. 스케일 형성의 단점은 철강 소모 및 압연기로 가는 도중 스케일이 떨어져 청소가 필요하고 일반적으로 환경 문제를 유발한다는 것입니다.

강철의 고온 산화 메커니즘은 그림 1에 나와 있습니다. 산화 메커니즘은 (i) 벌크 기상에서 산화 가스의 이동, (ii) 가스/스케일 경계면에서의 상 경계 반응에 따라 달라질 수 있습니다. , 또는 (iii) 스케일/기체상 계면으로 Fe 양이온의 확산

그림 1 강철의 고온 산화 메커니즘

연소의 기체 생성물이 있는 상태에서 강철의 스케일 형성은 재가열로에서 산화 공정의 복잡성을 가중시킵니다. 스케일 형성의 이러한 복잡성의 주요 요소는 재가열로에서 매개변수 상호 작용의 결과인 불일치입니다.

용광로의 과잉 공기를 70%에서 20%로 줄이면 규모에 따라 손실되는 강철을 최대 35%까지 절약할 수 있습니다. 또한 용광로 내 강철의 체류 시간이 길고 온도가 높으면 과도한 양의 스케일이 형성됩니다.

일반적으로 재가열로에는 두 가지 O2 공급원이 있습니다. (i) 연료의 연소를 위해 버너에 공급되는 연소공기와 (ii) 여러 가지 원인에 의해 화로에 부압이 발생하여 공기가 유입될 때 발생하는 공기유입이다. 용광로 분위기로.

강을 압연 온도로 가열하는 일반적인 또는 기존의 가열은 사용되는 연료의 화학량론적 비율 또는 그보다 약간 높게 작동하는 버너에 의해 가열되는 재가열로에서 강을 가열하는 것입니다. 100% 화학량론적 비율은 연료의 완전 연소를 생성하고 N2, CO2, H2O로만 구성되고 자유 O2가 없는 연도 가스 분위기를 생성하는 공기/가스 비율로 정의됩니다. 100% 화학량론보다 약간 높은 공기/가스 비율에서의 연소는 연도 가스에서도 소량의 O2를 생성합니다.

강재가 재가열로를 통해 앞으로 이동함에 따라 온도가 상승합니다. 그러나 온도 증가 속도는 퍼니스의 개별 구역에서의 소성 속도에 따라 다릅니다. 재가열의 초기 단계에서 강재는 열 응력의 발생을 피하기 위해 낮은 가열 속도에 노출됩니다. 그런 다음 강재는 담금 영역까지 강렬한 가열에 노출되며, 담금 온도는 후속 압연을 위해 균일한 강 온도를 달성하기 위해 유지됩니다.

강철 표면 온도가 상승함에 따라 로 산화 분위기(O2, CO2, H2O 등)와 반응하여 산화층(스케일층)을 생성합니다. 스케일 레이어의 두께는 여러 요인에 따라 달라집니다.

강철의 스케일 형성에는 많은 장점과 단점이 있습니다. 장점은 즉 (i) 스케일이 연속 주조기에서 표면에 묻힌 금형 분말의 불순물, 산화물 및 표면 균열과 같은 표면 결함을 제거하여 결과적으로 매끄럽고 깨끗한 강철 표면, (ii) 방출되는 열입니다. 산화 과정에서 강철에 대한 발열 반응은 총 열 입력의 약 2% ~ 3%를 차지하며 (iii) 스케일 층은 강철에서 환경으로의 열 흐름을 감소시킵니다(낮은 열전도율로 인해) 철강이 압연기로 운송될 때. 재가열로에서 강재를 재가열하는 동안 스케일 형성의 단점은 (i) 용광로 작동 조건에 따라 1% ~ 3% 범위의 강 손실, (2) 용광로 내부의 스케일 축적 및 세척을 위한 용광로 정지 기간 및 (iii) 용광로 환경에서 더 긴 가열 기간이 필요한 철강으로의 열 전달 속도 저하

유리한 수준으로 재가열하는 동안 스케일 형성을 최소화하는 것이 중요합니다. 따라서 재가열로 작동 중에 모든 관련 매개변수를 모니터링하고 제어해야 합니다.

다양한 조건에서 강의 고온 산화에 대한 주제가 광범위하게 연구되었습니다. 순수한 금속의 산화에 대한 이론적 고려는 두 가지 주요 제어 메커니즘이 있음을 보여줍니다. 처음에는 산화 속도가 표면 화학 반응에 의해 결정될 때 스케일의 선형 성장이 있습니다. 이것은 일반적으로 스케일 층이 형성되고 스케일 층을 통한 반응물 중 하나의 확산 속도가 제어 메커니즘이 될 때까지 짧은 시간 동안 지속됩니다. 순수한 철의 경우 산화 속도를 제어하는 ​​것은 금속/스케일 경계면에서 바깥쪽으로 철이 확산되는 것입니다. 이것은 단위 면적당 산화된 무게가 경과 시간의 제곱근에 비례한다는 포물선 법칙으로 직접 이어집니다.

강이 혼합 가스 분위기에서 가열되면 재가열로의 경우와 같이 순철의 거동에서 현저한 편차가 일반적으로 관찰됩니다. 이것은 강철의 합금 원소로 인해 발생할 수 있습니다. 이것은 고전적인 성장 메커니즘에서 많은 편차를 야기하며, 가장 분명한 것 중 하나는 스케일 성장에 의해 생성된 표면 응력의 작용으로 전위 운동이 억제된다는 것입니다. 이는 철 확산을 억제하고 스케일링 속도를 낮춥니다. 더욱이, 선형 산화의 초기 불연속 기간을 구별하는 것이 종종 어려운 반면 전체 산화 기간에 걸쳐 포물선 법칙과의 상당한 편차가 자주 관찰됩니다.

강철에 형성된 스케일에는 금속 스케일 계면에 정상인 경우 스케일을 통해 운반되는 산화 가스에 대한 대체 경로가 발생하는 균열이 종종 포함되었습니다. 이는 스케일을 통한 확산이 더 이상 제어 메커니즘이 아니며 강화된 산화가 발생할 수 있음을 의미합니다. 이러한 균열은 일산화탄소(CO)와 같은 기체 산화 생성물이 스케일-금속 계면에서 누출되거나 스케일 성장 중에 생성된 응력의 결과로 발생할 수 있습니다. 강철의 기하학적 구조는 스케일의 균열 생성에도 영향을 줄 수 있습니다.

CO2, H2O 및 O2의 연도 가스 구성 요소는 강철의 표면 온도가 약 750℃ 이상일 때 모두 강철로 산화됩니다. CO2 및 H2O 대기에서 다른 강철의 산화에 대한 제한 단계는 산화물 표면에서 CO2 또는 H2O가 O2 및 CO 또는 H2로 해리. 그러나, O2 분위기에서의 산화의 경우, 초기 산화 기간 동안의 제한 단계는 기상에서 반응 표면으로의 O2 수송 속도인 것으로 밝혀졌다. 산화물 층이 특정 두께에 도달한 후 산화는 산화 속도가 산화물 층을 통한 이온 종의 확산과 공석에 의해 제어되는 포물선 속도 법칙을 따릅니다.

700℃, 800℃, 900℃에서 철의 산화율에 대한 O2 수준의 영향은 포물선 산화율이 ​​특히 더 높은 온도에서 O2 비율이 증가함에 따라 증가한다는 것을 보여줍니다. 가장 현저한 증가는 950℃에서 0.4%와 2% O2 사이에서 발생합니다.

수증기와 CO2가 철의 산화에 미치는 영향은 철의 스케일 형성 속도가 750℃에서 수증기의 영향을 받지 않지만 850℃와 950℃에서 1.2배와 1.6배 증가한다는 것을 보여준다. 각기. 또한 CO2는 수증기보다 작은 증가량을 생성하는 것으로 나타났습니다. 600 deg C ~ 1100 deg C의 온도 범위에서 철의 CO2 산화의 경우, 스케일 형성 속도는 각각 짧은 노출 시간과 긴 노출 시간에 대해 선형 및 포물선 시간 법칙을 따르는 것으로 나타났습니다.

온도에 대한 산화 속도의 의존성은 잘 확립되어 있으며 Arrhenius 관계를 따르는 것으로 알려져 있습니다(이 관계는 반응 속도의 온도 의존성을 나타냄). 일반적으로 산화는 (i) 선형 유형의 산화를 특징으로 하는 초기 단계, (ii) 산화가 포물선형인 최종 단계, (iii) 선형에서 포물선형으로 전환되는 중간 단계의 세 단계로 분류할 수 있습니다. 메커니즘이 발생합니다. 스케일 형성은 강철의 표면 온도와 용광로에서의 체류 시간에 크게 의존합니다. 또한 연소 생성물에 존재하는 O2의 비율에 따라 다릅니다.

온도는 강철의 산화에 영향을 미칩니다. 저온(900℃ 이하)에서 O2 함량은 강의 산화에 거의 영향을 미치지 않습니다. 고온(1150℃ 이상)에서 노 분위기의 O2 함량이 0.3%에서 3%로 증가하면 산화율이 ​​50% 증가합니다. 3% 이상의 O2 수준의 추가 증가는 산화에 거의 영향을 미치지 않습니다.

그러나 재가열로에 존재하는 것과 같은 복잡한 분위기에서의 산화는 다성분 가스의 산화가 세 가지 산화 메커니즘을 모두 유발할 수 있음을 보여줍니다.

철(Fe)은 반응 역학에 의해 결정된 비율로 황철석(FeO), 자철광(Fe3O4) 및 적철광(Fe3O4)의 세 가지 잘 알려진 산화물을 형성하기 위해 산화되며, 여기서 우세한 산화물은 자철광입니다. 산화에 대한 기본적인 이해는 초기 단계 이후에 재가열 중 노분위기에 의해 공급된 철(Fe 2+)이 외부로 확산되어 산소와 반응하는 과정이 진행된다는 것이다. 이 공정은 포물선형 성장 속도로 진행되어 금속 표면에서 바깥쪽으로 점차적으로 FeO, Fe3O4, Fe2O3의 3가지 산화물 유형의 층이 형성되는 것으로 정의됩니다.

Wustite는 금속 옆에 형성되는 스케일의 가장 안쪽 상이며 Fe가 풍부한 상입니다. O2가 가장 낮습니다. FeO로 표시되며 570℃ 이하에서는 안정하지 못하다. 그러나 온도가 증가함에 따라 스케일 내의 함량이 증가하고 강 온도가 700℃ 이상일 때 스케일층의 약 95%를 차지한다. Wustite의 밀도 약 5.87g/cu cm입니다. Wustite는 광범위한 조성에 걸쳐 열역학적으로 안정적인 단일 상 구조로 존재합니다. Wustite의 비화학량론은 온도가 증가함에 따라 증가하고 화학량론적 조성 FeO에 도달하지 않는 것으로 보입니다. Wustite상은 다른 스케일 상 및 강 자체에 비해 융점이 1370 ~ 1425deg C로 상대적으로 낮습니다. Wustite 층의 용융 (세정)은 스케일 형성 속도를 가속화하고 결정립계 침투를 증가시킵니다. . 이는 표면 품질을 저하시킬 뿐만 아니라 용광로의 연료 소비를 증가시키고 수율을 감소시킵니다.

자철석 단계인 Fe3O4는 스케일의 중간 단계입니다. 500℃ 이하 스케일의 주요 평형 성분입니다. 밀도 범위는 5g/cu cm ~ 5.4g/cu cm입니다. 그것은 금속 결핍 산화물로 존재하지만 우스타이트보다 훨씬 작은 수준입니다. 다양한 연구에서 양이온과 음이온이 모두 Fe3O4에서 확산되는 것으로 나타났습니다. 온도가 약 700℃로 증가함에 따라 마그네타이트 상을 희생시키면서 wustite 형성이 일어나고 고온에서 마그네타이트는 전체 스케일 층의 약 4%만 차지합니다. 마그네타이트는 우스타이트보다 더 단단하고 마모성이 있습니다.

적철광 상인 Fe2O3는 스케일의 가장 바깥쪽 층이며 산소 함량이 가장 높습니다. 그것은 약 800℃ 이상의 온도에서 형성됩니다. 적철광의 밀도는 약 5.24g/cu cm입니다. 적철광은 고온에서 전체 스케일 층의 약 1%를 차지합니다. 자철광 상과 마찬가지로 적철광은 단단하고 연마성이 있습니다.

재가열로는 직화식로입니다. 재가열 중에 많은 반응이 일어날 수 있습니다. 그러나 재가열로에서 열을 제공하는 주요 반응은 다음과 같습니다.

C + O2 =CO2

2C + O2 =2 CO

2 CO + O2 =2 CO2

CH4 + 2O2 =CO2 + 2H2O

S + O2 =SO2

2H2 + O2 =2H2O

연소 생성물은 항상 산화성이 높으며 표면 온도가 증가하고 노 분위기의 O2 및 이산화탄소(CO2)가 부분 농축됨에 따라 스케일 형성 속도가 증가합니다. 일산화탄소(CO)의 분압이 증가하면 속도가 감소합니다. 연소 생성물의 O2 비율은 스케일 손실을 최소화하기 위해 일반적으로 약 1% ~ 2%로 유지됩니다.

연소 생성물의 수준은 사용된 연소 공기의 비율에 따라 다릅니다. 완전 연소의 경우 연소는 완전 연소 생성물을 생성합니다. 연소 공기의 비율이 감소함에 따라 산화제 H2O 및 CO2가 감소하는 반면 CO 및 H2와 같이 로에 환원 환경을 제공하는 산화제는 증가한다는 것을 알 수 있습니다. 공기/가스 비율도 단열 화염 온도에 큰 영향을 미칩니다. 일반적으로 연소 공기 온도가 높으면 화염 온도가 급격히 증가합니다.

재가열로에서 철강의 산화에 대한 공연비의 영향에 대해 다양한 연구가 이루어졌다. 이러한 연구는 공연비가 1.1에서 0.9로 감소할 때 강철 산화에 상당한 감소가 있음을 보여줍니다. 공연비의 추가 감소는 효과가 제한적일 뿐입니다.

일반적으로 모든 용광로 구역의 버너는 100% 화학량론적 연소 수준 또는 약간 이상에서 작동하며 제품이 용광로를 통과할 때 결과 시간, 온도 및 대기 프로파일이 그림 2의 그래프(a)로 표시됩니다. 규모의 실질적인 감소를 위해 강재를 압연 온도까지 가열하는 동안 재가열로에서 형성되는 경우 사용되는 연료의 화학량론적 비율보다 훨씬 낮은 수준에서 작동하는 버너에 의해 가열로가 연소되어야 합니다(예:화학량론적 비율의 80~90% 범위). 연소로의 침지 구역에 CO 및 H2뿐만 아니라 N2, CO2 및 H2O를 포함하는 연도 가스 분위기 가연성 물질(CO 및 H2)을 연소시키기 위해 필요한 공기가 퍼니스의 전방 말단으로 유입되어 가연물(CO 및 H2)을 연소시키십시오. 제품이 로를 통과할 때 생성되는 시간, 온도 및 대기 프로파일은 그림 2의 그래프(b)에 표시됩니다.

CO 및 H2 연도 가스 구성 요소는 강철로 환원되며 CO2, H2O 및 O2의 다른 연도 가스 구성 요소와 함께 고려됩니다. 연도 가스 혼합물은 CO/CO2와 H2/H2O의 비율과 강철의 표면 온도에 따라 강철로 환원되거나 산화됩니다. CO/CO2 및 H2/H2O 비율은 % 화학양론적 연소 비율에 반비례합니다. 따라서 강철 온도가 낮을 ​​때 소킹 영역에서 환원성 분위기가 생성되고 산화성 분위기로 전환될 수 있다면 스케일 감소의 가능성이 있습니다.

환원 조건에서 소성하면 용광로 분위기에서 동일한 양의 CO와 H2가 생성됩니다. 이것은 화학량론적 연소에서 생성되는 CO2 및 H2O에 추가됩니다. 스케일 형성 감소에 필요한 CO/CO2 및 H2/H2O 비율은 강철 표면 온도의 함수입니다. 이 비율은 차례로 난방의 주어진 지점에서 필요한 실제 공연비를 정의합니다. 연소가 화학량론적 조건에 있거나 그보다 약간 높은 기존 가열로의 CO/CO2 및 H2/H2O 비율은 로 분위기에 CO 또는 H2가 존재하지 않기 때문에 0입니다. 그 결과 대기가 산화되거나 강철로 변합니다.

그림 2 재가열로의 시간, 온도 및 분위기 프로파일