淺析減少鋅蒸氣對鍍鋅和鍍鋁鋅退火爐影響的優(yōu)化設(shè)計

(賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司，重慶 401122)

1 鋅灰對鍍鋅的影響和現(xiàn)狀

鋅灰在低溫凝結(jié)后掉下來污染板面，造成表面缺陷，和鋅鍋鋅渣的影響是同樣嚴(yán)重的。鋅的氧化溫度為225 ℃，熔點為419.5 ℃；變成氧化鋅后熔點為1 925 ℃。

針對鍍鋅機組，鋅鍋溫度為460 ℃，帶鋼經(jīng)鋅鼻子的入鍋溫度為460～470 ℃，這一溫度所產(chǎn)生的鋅蒸氣不是太多，對板面影響也不嚴(yán)重，因此大多數(shù)機組沒有專門針對鋅灰的。如圖1所示，多數(shù)鍍鋅機組為熱張緊輥室和鋅鼻子配備了足夠的加熱器，鋅鼻子內(nèi)部有氮氣通入，多數(shù)沒有考慮氣體加熱，但張力輥室內(nèi)部溫度始終高于鋅的凝結(jié)溫度，鋅蒸氣沒有凝結(jié)的條件，這是目前鍍鋅普遍采用的技術(shù)。

圖1 鍍鋅的加熱器配置

但鋅蒸氣仍然會產(chǎn)生，快冷段溫度低于鋅蒸氣凝結(jié)溫度，為防止鋅蒸氣影響快冷段，同時針對越來越高的板溫控制精確要求，都設(shè)有一個小的均衡段，見圖2。

圖2 鍍鋅的均衡段配置

均衡段可以將快冷段和張力輥室有效隔開，防止鋅灰進入冷卻段凝結(jié)，影響冷卻段換熱器的工作。

但鋅蒸氣的產(chǎn)生是客觀存在的，如何最大限度消除鋅蒸氣是生產(chǎn)高質(zhì)量鍍鋅板的要求，同時也為未來的鍍鋁鋅和鋅鋁鎂產(chǎn)品制定了標(biāo)準(zhǔn)和工藝要求。

2 鍍鋅機組為防止鋅灰的影響所采取的的方法

2.1 鋅鼻子保護氣體氮氣加熱的和加濕

其基本原理是鋅的氧化溫度為225 ℃，熔點為419.5 ℃；變成氧化鋅后熔點為1 925 ℃，利用這一特點將加濕后的氮氣加熱到225 ℃以上，利用化學(xué)反應(yīng)方程式(1)所示形成ZnO。

Zn+H2O=ZnO+H2

(1)

ZnO會以固態(tài)形式回落到鋅鼻子內(nèi)部的液體面上，和鋅渣一起存在；保護氮氣的露點為-60 ℃，為增加化學(xué)反應(yīng)需要的氧化劑，要將露點控制在-20 ℃，則需要加入水蒸氣，通過加濕器或者蒸汽通入的辦法控制露點，水蒸氣和鋅蒸氣反應(yīng)生成氧化鋅和氫氣，這一反應(yīng)為氧化反應(yīng)，不需要額外補入熱量；這一過程為可逆過程，所產(chǎn)生的氧化鋅落入鋅鼻頭內(nèi)，因此鍍鋅機組采用氮氣加濕和低溫加熱(225 ℃)系統(tǒng)來消除鋅蒸氣是穩(wěn)定成熟的，產(chǎn)生的氧化鋅由于高熔點，以固態(tài)存在，但長期堆積在鋅鼻子熔腔內(nèi)部也會對鋅鍋和板面造成負面影響，因此必須有效去除，這就衍生了一項技術(shù)——鋅液循環(huán)泵，可以有效形成鋅鼻子熔腔內(nèi)部和鋅鍋的鋅液循環(huán)，通過撈渣的方法有效去除，也就是說，鋅蒸氣通過氣體加濕反應(yīng)生成氧化鋅，回落鋅鼻子熔腔，通過鋅液循環(huán)泵帶出來，通過鋅鍋的撈渣以浮渣的形式有效去除，這是去除鍍鋅鋅蒸氣對板面影響的非常有效的方法，但控制氮氣溫度和露點就是本技術(shù)的關(guān)鍵點，針對鍍鋅機組，將氮氣控制在250 ℃，露點控制在-20～-25 ℃是很容易做到的。

2.2 防止鋅蒸氣進入快冷段

均衡段可以有效分隔熱張力輥和快冷段，但這一設(shè)計需要足夠的位置，因此需增加BGHB隔板，如圖3所示。

圖3 BGH隔板的配置

增加BGH隔板可以有效將熱張緊輥室和快冷段有效隔離，包括爐壓隔離和溫度隔離，這樣就需要為BGH前后設(shè)置不同的保護氣體供入點，同時需要根據(jù)鋅鼻子的保護氣體通入情況判斷是否需要加熱和加濕，但需要注意的是鋅鼻子保護氣體采用了低溫加熱(225 ℃)和加濕工藝。

為了減少鋅蒸氣氧化后在爐鼻子內(nèi)部鋅液面漂浮、黏附在帶鋼上，設(shè)置鋅液泵抽出鋅灰，減少黏附在帶鋼表面的雜質(zhì)[1]。

上述技術(shù)針對較高質(zhì)量要求的鍍鋅機組完全滿足生產(chǎn)要求，因此完整的鍍鋅機組針對鋅蒸氣的較完善的應(yīng)對之策如下：

(1)氮氣低溫加熱系統(tǒng)(225 ℃)和合適的加濕系統(tǒng)(-20 ℃露點)；

(2)配有均衡段和BGH隔板。

3 針對鍍鋁鋅(Galvalume，55%Al)的實踐和探索

理論上講，防止鋅灰凝結(jié)，鍍鋅和鍍鋁鋅(Galvalume，55%Al)的機理是一樣的，通過保護氣體加濕和加熱，與鋅蒸氣進行同樣的化學(xué)反應(yīng)，所產(chǎn)生的ZnO落入鋅鼻頭內(nèi)，通過內(nèi)部循環(huán)泵將鋅灰?guī)С觯ㄟ^撈渣帶出，這一方法理論上是可行的。

這一實驗在某國營大廠反復(fù)實踐，并有國外著名公司參與，但其效果甚微；暴露了諸多問題，具體如下：

(1)受鋁的熔點影響，鍍鋁鋅的入鍋溫度提高到600 ℃，而鍍鋅入鍋溫度為460 ℃，導(dǎo)致鋅蒸氣的產(chǎn)生呈幾何級數(shù)增長。

(2)繼續(xù)采用低溫氮氣加熱(225 ℃)和加濕設(shè)計已經(jīng)無法滿足要求，首先低溫的保護氣體通入會造成局部板低溫，使成涂鍍不均；其次提高溫度后同時造成板面氧化，需要通入氫氣進行平衡，同時還原反應(yīng)是需要熱量補入的，因此補入的熱量需要加大。

(3)產(chǎn)生的氧化鋅即使是回落到鋅鼻子內(nèi)部，此溫度段的循環(huán)泵還不能滿足600 ℃鋁鋅液的腐蝕和流動要求，基本在極短時間內(nèi)就報廢了(這是在某國營大廠實驗的結(jié)果)。

4 針對鍍鋁鋅的上述問題所采取的對策

根據(jù)上述分析，目前通過加濕的方法造成鋅灰回落，但回落后的鋅灰無法及時從鋅鼻子內(nèi)部抽出，主要是鋁鋅液循環(huán)泵目前還不能得到徹底解決，因此認為該技術(shù)還不成熟[2]。但保護氣體加熱技術(shù)已經(jīng)相對成熟了，具體有以下措施：

(1)針對某國營大廠，目前采用的技術(shù)為保護氣體高溫加熱(450～600 ℃)，而且是高氫系統(tǒng)(45%H2+55%N2)，配合新增的BGH隔板造成熱張緊輥室及鋅鼻子溫度獨立、保護氣體獨立，爐壓獨立，不影響快冷段及全爐。采用圖4所示的保護氣體，最高氣體溫度為600 ℃，且不受氫含量的限制。

(2)BGH隔板將熱張緊輥室和鋅鼻子形成了高壓腔，溫度不低于580 ℃，通過和環(huán)境的壓差將含有鋅蒸氣的保護氣體通過管道和閥門外排，但閥門和外排系統(tǒng)不能堵塞，需要增加保溫電加熱系統(tǒng)和足夠的保溫，同時因為含有氫氣，為防止回火防爆，需要點火系統(tǒng)將外排的保護氣體點燃，但外排的量非常有限，通過點燃火炬的方法將含鋅蒸氣的保護氣體燒掉，可以有效解決鋅蒸氣排放問題，但該方法的致命缺點是出口閥門極易受到鋅蒸氣凝結(jié)而無法轉(zhuǎn)動，甚至堵塞，清理工作很繁重，如圖5所示的鋅蒸氣外排系統(tǒng)成為一種有效的消除鋅蒸氣對板面影響的方法。

圖4 保護氣體前處理系統(tǒng)

圖5 鋅蒸氣外排系統(tǒng)

(3)鋅灰循環(huán)冷卻過濾回用。未來將開發(fā)一種鋅灰過濾回用系統(tǒng)，首先抽出的含鋅灰的保護氣體溫度不能低于419.5 ℃，采用316 L的設(shè)計是滿足要求的。其次，冷卻系統(tǒng)也可以達到要求，接下來進行過濾。循環(huán)泵涉及較高的氫氣含量，如何解決循環(huán)系統(tǒng)泄露的問題就是關(guān)鍵，尤其是循環(huán)風(fēng)機，但這一技術(shù)可以借鑒罩式爐全氫風(fēng)機的設(shè)計設(shè)計點，采用plug-in的設(shè)計是可以解決的，也在無法杜絕漏氣和爆炸危險之前慎用該技術(shù)。

5 結(jié) 論

(1)鍍鋅機組采用低溫加熱氮氣系統(tǒng)，配合加濕系統(tǒng)，是安全實用的；但需要配合鋅液循環(huán)泵才可以完全消除鋅蒸氣對板面的影響。

(2)鍍鋁鋅采用的加熱系統(tǒng)針對高氫，同時溫度必須達到450 ℃；結(jié)合鋅鼻子的加熱和保溫，確保無死角，鋅蒸氣沒有凝結(jié)的位置。

(3)BGH隔板是必要的，同時鋅鼻子和熱張緊輥室配置獨立系統(tǒng)。

(4)保護氣體加濕技術(shù)在鋅液循環(huán)泵沒有解決之前是沒有必要采用的。

(5)含鋅蒸氣的保護氣體外排設(shè)計要慎重，確保鋅蒸氣未得到有效處理前，不能低于450 ℃，以防止火炬堵塞。

(6)針對含有鋅蒸氣保護氣體的plug-in的循環(huán)風(fēng)機是亟待開發(fā)的。