高效熱鍍鋅廢渣處理爐設(shè)計(jì)研究

何小鳳，李運(yùn)剛，陳 金，高建新

(河北聯(lián)合大學(xué),河北 唐山 063009)

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高效熱鍍鋅廢渣處理爐設(shè)計(jì)研究

何小鳳，李運(yùn)剛，陳 金，高建新

(河北聯(lián)合大學(xué),河北 唐山 063009)

基于目前熱鍍鋅廢渣處理工藝、設(shè)備的分析研究，結(jié)合廢渣的特點(diǎn)以及廢渣再生產(chǎn)品的定位，設(shè)計(jì)多功能熱鍍鋅廢渣處理爐，實(shí)現(xiàn)熱鍍鋅廢渣處理的連續(xù)化、能量的梯級(jí)利用和廢渣處理產(chǎn)品的多樣化。

熱鍍鋅渣； 處理爐； 多功能； 能量梯級(jí)利用

隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，人們已從重視產(chǎn)量變?yōu)橹匾暽a(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效鋼材，其中對(duì)防腐工程也提出了越來(lái)越高的要求。在各種保護(hù)鋼基體的涂鍍方法中，熱鍍鋅是非常優(yōu)良的一種，它是把鋼鐵材料及部件基體放入熔融的鋅槽中，在鋼鐵上不僅鍍上較厚的純鋅層，而且還生成一種鋅-鐵合金層[1-3]。其不僅具備電鍍鋅的耐腐蝕特點(diǎn)，由于有鋅鐵合金層，還具有電鍍鋅無(wú)法比擬的強(qiáng)耐蝕性，且鍍層金屬與基體金屬間有著良好的結(jié)合力，因此抗腐蝕性、成形性和裝飾性[4-6]較強(qiáng)。但是在熱鍍鋅過(guò)程中，鋅的直接利用率僅為60%左右，其余則形成鋅渣和鋅灰，一般鋅渣占20%左右。鋅渣是鍍件和鋅槽的槽體鐵以及工件經(jīng)酸洗后殘留在鍍件表面尚未漂洗盡的鐵鹽與鋅液作用形成的鋅鐵合金[7]，鋼絲熱鍍鋅時(shí)，鐵、鋅反應(yīng)中的鐵來(lái)源于鐵鍋內(nèi)壁、鐵質(zhì)壓輥、鋼絲等含鐵物，此外還有操作時(shí)鐵質(zhì)工具插入鋅液中，以及鋼絲、鋼板鍍鋅前處理不干凈所帶入的鐵鹽等?？v觀國(guó)內(nèi)外，二次鋅資源已成為鋅生產(chǎn)的重要原料，全球30%鋅來(lái)源于二次鋅資源，西方發(fā)達(dá)國(guó)家不僅有一系列專(zhuān)業(yè)二次鋅冶煉廠(chǎng)，而且主要鋅冶煉廠(chǎng)也從事二次鋅的回收，尤其近幾年鋅精礦供應(yīng)日趨緊張，國(guó)外3大著名鋅公司均紛紛改變?cè)辖Y(jié)構(gòu)，采用電弧爐煙塵等二次鋅資源作為鋅冶煉的主要原料。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年我國(guó)鋅產(chǎn)量535萬(wàn)t，用于熱鍍的鋅量約為160余萬(wàn)t，產(chǎn)生的熱鍍鋅渣高于20余萬(wàn)t。而且國(guó)家高速公路網(wǎng)和地鐵、輕軌等設(shè)施的建設(shè)，需要大量的鍍鋅鋼材制品，故產(chǎn)生的熱鍍鋅渣還將相應(yīng)增加。在鋅礦原生資源日漸短缺的情況下，則需要開(kāi)發(fā)鋅的二次資源，推動(dòng)鋅資源的良性循環(huán)。

目前熱鍍鋅渣處理設(shè)備主要有鼓風(fēng)爐、工頻無(wú)芯感應(yīng)電爐、電弧爐及平罐等蒸餾設(shè)備。工頻無(wú)芯感應(yīng)電爐設(shè)備投資大，產(chǎn)能較小，不利于大規(guī)模的應(yīng)用。電弧爐的冷凝器選型復(fù)雜、冷凝效率不理想，一般只有80%左右，且為了確保安全和工藝需要，進(jìn)入電弧爐的物料通常要進(jìn)行干燥，使其水分降至0.4%以下，因此增加了設(shè)備投資和能源消耗，導(dǎo)致生產(chǎn)成本升高。鼓風(fēng)爐要求嚴(yán)格配料，且只能處理塊狀爐料。平罐因設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便使用的相對(duì)較多，然而到目前為止，國(guó)內(nèi)外報(bào)道的都是間接加熱和間斷作業(yè)，致使該設(shè)備的能源消耗較高[9-10]?？傮w來(lái)說(shuō)，這些設(shè)備大多存在生產(chǎn)過(guò)程間斷，能耗高，處理量小，回收率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，污染環(huán)境等不足。缺乏既能處理鋅渣又能利用回收的鋅生產(chǎn)鋅錠、高純超細(xì)鋅粉、氧化鋅的多功能連續(xù)設(shè)備，制約著二次鋅資源的回收和綜合利用。

有效的爐型是回收處理在二次鋅中占很大比重的熱鍍鋅渣的關(guān)鍵，基于目前熱鍍鋅廢渣處理工藝、設(shè)備的分析研究，結(jié)合廢渣的特點(diǎn)以及廢渣再生產(chǎn)品的定位，設(shè)計(jì)一種新型多功能熱鍍鋅廢渣處理爐，該爐能夠提煉廢渣中的鋅，生產(chǎn)多種產(chǎn)品，解決上述處理方法中存在的問(wèn)題，保證我國(guó)鋅資源產(chǎn)品對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的有效供給，推進(jìn)鋅工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，緩解資源的供需矛盾。

1 產(chǎn)品定位

對(duì)鋅渣的處理目前所得的產(chǎn)品有三種，鋅錠、鋅粉和氧化鋅。鋅錠是鋅冶煉的最終產(chǎn)品，可以進(jìn)入市場(chǎng)流通，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分為不同的牌號(hào)，其用途十分廣泛，主要用于鍍鋅工業(yè)，一般用于熱鍍鋅的鋅錠為1#。鋅粉按粒度可分為普通鋅粉、超細(xì)鋅粉和納米鋅粉，其主要用途是在化工生產(chǎn)中作還原劑；在濕法冶金中用于溶液凈化及金屬置換；制作堿性鋅錳電池的負(fù)極；作為生產(chǎn)富鋅油漆、富鋅涂料和其他防腐、環(huán)保等高性能涂料的關(guān)鍵原料。氧化鋅在化學(xué)工業(yè)、涂料工業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生和食品工業(yè)、玻璃工業(yè)、陶瓷工業(yè)、印染工業(yè)及電子工業(yè)中有著廣泛的用途。為了使鋅渣處理適應(yīng)市場(chǎng)的需要，提高處理的經(jīng)濟(jì)效益，從產(chǎn)品角度考慮，熱鍍鋅渣處理設(shè)備的設(shè)計(jì)，應(yīng)在盡可能少地增加設(shè)備投資的前提下，隨市場(chǎng)的變化靈活地產(chǎn)出不同的鋅制品。因此，該鋅渣處理爐的設(shè)計(jì)產(chǎn)品定位為鋅錠、超細(xì)鋅粉和氧化鋅粉。

2 處理工藝

根據(jù)設(shè)計(jì)原則和產(chǎn)品定位，熱鍍鋅渣處理工藝見(jiàn)圖1。本設(shè)計(jì)只對(duì)處理產(chǎn)品為鋅錠時(shí)所涉及的主要設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，對(duì)處理產(chǎn)品為鋅粉時(shí)所涉及的?；O(shè)備進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。

圖1 熱鍍鋅渣處理工藝

3 爐型的確定

3.1 熱鍍鋅渣蒸餾爐

冶金爐整體優(yōu)化的共同性目標(biāo)是：提高單位爐床面積或單位爐膛容積的處理量；盡量提高能源利用率，即降低單位產(chǎn)品能耗且同時(shí)減少溫室氣體與有害成分的排放量；盡可能提高爐齡。按照這個(gè)目標(biāo)，結(jié)合本設(shè)計(jì)的原則，擬定鋅渣熔化、蒸餾兩大步驟在一臺(tái)爐子中進(jìn)行，以便熱量的梯級(jí)利用；鋅蒸汽的冷凝或?；?、氧化設(shè)備為單獨(dú)設(shè)備，并與蒸餾爐形成軟連接，以便在產(chǎn)品變化時(shí)更換。

鋅渣蒸餾爐主要由燃燒室、蒸發(fā)池、鋅蒸氣出口、空氣預(yù)熱室、加熱板、熔鋅池及煙道等組成，其構(gòu)造見(jiàn)圖2。

1-空氣回流管； 2-預(yù)熱空氣管； 3-上升煙道； 4-燃燒室； 5-蒸發(fā)池； 6-空氣入口； 7-熱空氣室； 8-熱空氣入口； 9-熔化池圖2 蒸餾爐結(jié)構(gòu)圖

各部分的功能如下：

(1)燃燒室。預(yù)熱后的空氣和天然氣在此相遇，燃燒放出熱量對(duì)蒸發(fā)池進(jìn)行加熱。

(2)蒸發(fā)池。鋅液從熔鋅池通過(guò)流鋅管流入蒸發(fā)池進(jìn)行蒸發(fā)，蒸發(fā)池上部用碳化硅板封死，蓋板接收熱氣流、爐壁、爐頂輻射的熱量后，又把此熱量以輻射傳熱的方式傳給蒸發(fā)池中的鋅液，使鋅液溫度上升達(dá)到其沸點(diǎn)而氣化成鋅蒸氣。

(3)鋅蒸氣出口。蒸發(fā)池產(chǎn)出的鋅蒸氣從此口排出進(jìn)入下一單元設(shè)備，若最終產(chǎn)品是鋅錠，則接鋅蒸氣冷凝器。

(4)空氣預(yù)室?？諝忸A(yù)熱室安裝有10根內(nèi)有空氣流的碳化硅管，由于爐內(nèi)為負(fù)壓操作，空氣進(jìn)入碳化硅管，并被熱煙氣加熱到約1 000 ℃，再通過(guò)爐頂?shù)臒峥諝馊肟谶M(jìn)入爐內(nèi)并與天然氣進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生高達(dá)1 500 ℃的高溫?zé)煔狻?/p>

(5)熔鋅池。其作用是把固態(tài)的鋅渣熔化成液態(tài)鋅。熔化過(guò)程所需的熱量由高溫?zé)煔馓峁?。熔鋅池與蒸鋅池存在一定的位差，前者高，后者低，鋅液靠位差從熔鋅池經(jīng)流鋅管流入蒸發(fā)池蒸發(fā)，其供鋅速度由熔鋅池的鋅液面高低來(lái)控制。熔鋅池上部加碳化硅板，使鋅液和煙氣隔離，防止鋅蒸發(fā)損失。在流鋅管口附近設(shè)置液封裝置，防止空氣進(jìn)入蒸發(fā)池。

經(jīng)過(guò)初步設(shè)計(jì)及計(jì)算，確定整個(gè)蒸餾爐的尺寸，據(jù)此繪制整個(gè)蒸餾爐的CAD圖。圖3為熱鍍鋅廢渣連續(xù)蒸餾爐總剖面圖。圖4～圖6為圖3上標(biāo)注的各個(gè)剖面的剖面圖。

圖3 熱鍍鋅渣連續(xù)蒸餾爐總剖面圖

圖4 熱鍍鋅渣連續(xù)蒸餾爐B剖面圖

圖5 熱鍍鋅渣連續(xù)蒸餾爐H剖面圖

圖6 熱鍍鋅渣連續(xù)蒸餾爐D剖面圖

3.2 鋅蒸氣冷凝器

冷凝器的作用是把蒸餾爐產(chǎn)出的鋅蒸氣冷凝成液態(tài)鋅，然后鑄錠得到鋅錠。設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮它的冷卻強(qiáng)度并且調(diào)節(jié)容易。由于鋅的產(chǎn)量不大，設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免增添其他附屬設(shè)備，擬采用的設(shè)備構(gòu)造見(jiàn)圖7。

1-冷凝器外殼； 2-鋅封板； 3-鋅蒸氣入口； 4-冷凝器內(nèi)膽； 5-液鋅接收池圖7 鋅蒸氣冷凝器示意圖

(1)冷凝器外殼。外殼為多孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)孔的數(shù)量控制空氣流量，從而控制冷凝器的冷卻強(qiáng)度。

(2)鋅封板。鋅封板可利用冷凝的鋅液使內(nèi)膽的高溫鋅蒸氣與空氣隔離，從而避免氧化，使鋅蒸氣順利冷凝。

(3)鋅蒸氣入口。通過(guò)冷凝器鋅蒸氣的入口與蒸餾爐鋅蒸氣出口的連接，使鋅蒸氣順利通過(guò)管道進(jìn)入冷凝器內(nèi)膽。

(4)冷凝器內(nèi)膽。為鋅蒸氣的冷凝空間，在此空間內(nèi)通過(guò)與內(nèi)膽壁的熱交換，鋅蒸氣被冷凝。

(5)液鋅接收池。冷凝后的鋅液在此收集，鑄錠后得到產(chǎn)品鋅錠。

4 爐體結(jié)構(gòu)

4.1 蒸餾爐外殼

爐體外殼的形狀為長(zhǎng)方形。殼體由框架和鋼板組成，框架用不同規(guī)格的角鋼、槽鋼等型材焊接而成。可控氣氛爐要求爐殼鋼板與爐體框架全密封焊接，使?fàn)t子的密封性能更好。爐體外殼表面需要涂刷底漆，防止銹蝕，外表面還要再涂一層銀灰漆或銀粉漆，以減少爐殼表面的輻射熱損失[8]，同時(shí)也增加美觀。

爐殼鋼板厚度取8 mm，爐底板承受的重量很大，用較厚(10 mm)的鋼板制作，底板下面用槽鋼加固。爐頂板因承重不大，可用薄鋼板(3 mm)制作，用螺栓連接。

(1)爐底。鋪砌爐底用保溫磚(硅藻土磚)，應(yīng)干燥，要干砌，磚縫要錯(cuò)開(kāi)，空隙內(nèi)填密度為400 kg/m3的輕質(zhì)磚，且砌成格子形式。爐底砌磚必須平整，在紅磚上是一層槽鋼，起支撐整個(gè)爐子的作用，在上面鋪四層保溫磚，然后向上依次是150 mm厚的礬土磚，116 mm厚的高鋁磚。

(2)爐墻。以爐口為基準(zhǔn)確定中心位置，先砌筑爐襯內(nèi)壁耐火層，灰縫不大于2 mm，然后向外干砌至爐殼內(nèi)壁。施工時(shí)要錯(cuò)縫砌筑，內(nèi)外層不得有直通灰縫和膨脹縫，爐墻轉(zhuǎn)角處必須相互咬合。

(3)爐頂。爐頂是爐膛組成中的薄弱環(huán)節(jié)，爐頂是否牢固可靠，對(duì)爐子工作有重大影響。爐頂按其結(jié)構(gòu)分為拱頂和吊頂兩種。本設(shè)計(jì)采用拱頂(如圖5所示)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，適合產(chǎn)量不大的爐子。由于爐頂溫度較高爐頂要鋪設(shè)120 mm厚的保溫層。

4.2 蒸餾爐燃燒室、空氣預(yù)熱室爐襯

爐襯是指用耐火材料和隔熱材料砌筑的爐體襯層，其結(jié)構(gòu)一般分三層：耐火層、中間層、隔熱層。

(1)耐火材料。耐火材料指能抵抗高溫下物理、化學(xué)作用的非金屬筑爐材料。砌筑熱處理爐的爐襯，要根據(jù)爐內(nèi)溫度、氣氛、熔融材料的成分，選用不同類(lèi)型的耐火材料。

(2)隔熱材料。隔熱材料是指密度小、熱導(dǎo)率低，對(duì)熱可起屏蔽作用的材料，具有氣孔率高、比熱容小等特點(diǎn)。它能有效地減少爐壁的傳熱損失，節(jié)約能源。

(3)爐襯厚度及結(jié)構(gòu)。爐襯各層所用材料應(yīng)按可靠耐用、熱損失小、避免優(yōu)材劣用等要求，根據(jù)使用條件合理選擇。本設(shè)計(jì)根據(jù)爐溫選擇爐襯及爐襯的厚度，由于爐子不大，中間層略去，取耐火層120 mm，保溫層235 mm。

(4)爐襯材料及爐襯性能。根據(jù)爐膛溫度和熱處理爐的傳熱條件，耐火層采用輕質(zhì)高鋁磚，其具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和熱震穩(wěn)定性，導(dǎo)熱系數(shù)小等特點(diǎn)。隔熱層采用硅藻土保溫磚，其容重輕，強(qiáng)度高，導(dǎo)熱系數(shù)小，不刺癢，不變形，無(wú)毒無(wú)臭，施工安全方便，它不僅可以提高溫度，縮短加熱時(shí)間，并能提高熱利用率，達(dá)到保溫節(jié)能效果。

4.3 蒸餾爐鋅渣熔化池、鋅液蒸發(fā)池及冷凝器儲(chǔ)鋅池襯體

鋅渣熔化池、鋅液蒸發(fā)池、冷凝器儲(chǔ)鋅池襯體需要防漏、耐鋅液腐蝕，本設(shè)計(jì)采用耐熱、抗鋅液腐蝕的搗固材料，建爐時(shí)一體搗固成型。

不定形耐火材料是由骨料和一種或多種結(jié)合劑組成的混合料，分致密型和隔熱型兩類(lèi)。按制作或施工的方法，不定形耐火材料有耐火混凝土(澆注料)、可塑料、噴涂料、搗打料、涂抹料、投射料等。

常用的耐火混凝土包括：磷酸耐火混凝土、礬土水泥耐火混凝土、水玻璃耐火混凝土及硅酸鹽水泥耐火混凝土。常用的生產(chǎn)與施工方法有振動(dòng)成型、機(jī)壓成型及搗打成型等。本爐鋅渣熔化池、鋅液蒸發(fā)池、冷凝器儲(chǔ)鋅池襯體選用礬土水泥耐火混凝土作為爐內(nèi)的搗固材料。

4.4 鋅渣熔化池及鋅液蒸發(fā)池蓋板材質(zhì)

鋅渣熔化池及鋅液蒸發(fā)池蓋板的作用有兩個(gè)方面：一是密閉作用，防止鋅液與外部氣體接觸氧化和蒸發(fā)損失；二是導(dǎo)熱作用，把高溫?zé)煔庵械臒崃總鹘o鋅液，因此蓋板材質(zhì)必須導(dǎo)熱性好。另外，蓋板的工作溫度在600～1 500 ℃，又必須耐高溫。從目前的材料看，選擇碳化硅材質(zhì)制作最佳。

4.5 冷凝器材料

冷凝器主要由冷凝器外殼、冷凝器內(nèi)膽、鋅液接收池構(gòu)成(見(jiàn)圖7)。冷凝室室體材料要求有很好的導(dǎo)熱性和耐高溫、耐鋅液腐蝕性能，本設(shè)計(jì)選用碳化硅材料。冷凝強(qiáng)度調(diào)節(jié)室的工作原理是通過(guò)調(diào)節(jié)冷凝室外壁與大氣接觸面積調(diào)節(jié)冷凝室冷卻強(qiáng)度，它不需要耐高溫和耐鋅液腐蝕。因此，選用普通粘土耐火磚砌筑。

5 排煙和供風(fēng)系統(tǒng)

5.1 排煙系統(tǒng)

冶金爐的排煙方式分為自然排煙和機(jī)械排煙兩種。前者指煙囪排煙、直接排放和依靠自然抽力的排煙等；后者指排煙機(jī)排煙、噴射排煙等。本設(shè)計(jì)結(jié)合實(shí)際情況，采用自然排煙方式。

5.2 供風(fēng)系統(tǒng)

工業(yè)爐燃料燃燒所用的空氣，除了少數(shù)靠爐內(nèi)負(fù)壓吸入和燃料噴射帶入外，大都采用通風(fēng)機(jī)機(jī)械送風(fēng)，設(shè)備多為離心式通風(fēng)機(jī)。

工業(yè)爐常用的離心式通風(fēng)機(jī)按照要求壓力分為兩類(lèi)。要求全壓小于300 mm水柱時(shí)，一般選用4-72型風(fēng)機(jī)，其葉片為后彎型，特性穩(wěn)定，效率可達(dá)90%左右；要求全壓大于300 mm水柱時(shí)，一般可選用9-27型或9-28型風(fēng)機(jī)，其葉片為前彎型，可以產(chǎn)生較高的全壓，但效率較低。

選用風(fēng)機(jī)時(shí)還要注意防爆、氣體含塵量、氣體性質(zhì)，環(huán)境特性等要求；在同樣風(fēng)量、風(fēng)壓下，宜選用轉(zhuǎn)速較高的風(fēng)機(jī)，同時(shí)在風(fēng)機(jī)特性容許的范圍內(nèi)，適當(dāng)留有余地以利調(diào)節(jié)。

6 結(jié)論

該爐實(shí)現(xiàn)了廢渣的加入和鋅液產(chǎn)出操作不停爐，連續(xù)生產(chǎn)不僅勞動(dòng)生產(chǎn)率提高，而且降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，并且操作環(huán)境得到改善；實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用，提高了熱利用率，降低了燃料消耗；實(shí)現(xiàn)了熱鍍鋅廢渣處理產(chǎn)品的多樣化，可根據(jù)產(chǎn)品的不同，在不停爐的情況下進(jìn)行設(shè)備的軟連接和更換，提高了鋅渣處理對(duì)市場(chǎng)的適應(yīng)性，提高了經(jīng)濟(jì)效益。在鋼鐵企業(yè)、熱鍍鋅行業(yè)、熱鍍鋅廢渣處理廠(chǎng)，具有較大的推廣價(jià)值，對(duì)熱鍍鋅行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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Design of high-efficiency treatment furnace of hot-dip galvanizing slag

HE Xiao-feng,LI Yun-gang,CHEN Jin,GAO Jian-xin

Based on the analysis of the present treatment process and equipment of hot-dip galvanizing slag,and combined with the characteristics of slag and its location of recycled product,the multifunctional treatment furnace of hot-dip galvanizing slag was designed,the continuous treatment of hot-dip galvanizing slag,cascade utilization of energy and diversity of slag treatment product were realized.

hot-dip galvanizing slag; treatment furnace; multifunction; cascade utilization of energy

何小鳳(1970—)，女，副教授，碩士研究生。

2014-01-20

唐山市科技局項(xiàng)目“多功能高效熱鍍鋅廢渣處理爐研究”(11150201A-16)

X756； TF806

B

1672-6103(2015)01-0039-05