熱鍍鋅爐鼻子加濕工藝控制研究與改進

錢 鑫，劉茂林，崔 磊，謝義康，葛 浩，陳德春

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

0 前 言

隨著汽車和家電行業(yè)的快速發(fā)展，熱鍍鋅合金化鋼板以其優(yōu)良的耐蝕性能、涂裝性能、焊接性能和較高的表面強度等優(yōu)點己越來越多地應用于汽車、家電等行業(yè)。同時由于汽車外板、家電面板等高檔鍍鋅產品訂單量增多，客戶對于表面質量要求越來越高。在鍍鋅產品生產過程中，鋅灰不可避免會產生，并且也是鍍鋅產品主要缺陷之一，故對鋅灰的控制引起國內外各大鋼廠的廣泛關注。目前大部分連續(xù)熱鍍鋅線通過配置爐鼻子加濕控制系統(tǒng)、爐鼻子加熱系統(tǒng)、爐鼻子氣氛循環(huán)等系統(tǒng)來抑制鋅灰的產生、鋅蒸汽冷凝以及調節(jié)鋅鼻子內氣氛潔凈度。其中通過爐鼻子加濕控制鋅灰是最普遍的控制方式之一，爐鼻子露點也成為熱鍍鋅關鍵工藝控制參數。結合馬鋼4號熱鍍線產線生產經驗，本工作闡述了如何在抑制鋅灰產生的同時，減少加濕的負面影響。

1 鋅灰產生原因

鍍鋅產線爐鼻子是連接退火爐與鋅鍋的結合處，一般爐鼻子均是具有矩形截面的通道。在爐鼻子內460 ℃高溫、150 Pa壓力的工況條件下，熔融鋅液不可避免發(fā)生揮發(fā)現(xiàn)象。鋅液揮發(fā)后成為鋅蒸汽，即氧化鋅顆粒，彌漫在爐鼻子腔室內。由于鋅液溫度在460 ℃左右，揮發(fā)的鋅蒸汽處于460 ℃高溫狀態(tài)，在爐鼻子內壁遇冷凝結沉積，逐步形成鋅灰(如圖1所示)。當沉積的鋅灰嚴重到一定程度時，伴隨著設備震動以及爐鼻子內腔室氣流擾動，開始逐步墜落至帶鋼表面，形成長條狀鋅灰。

2 露點控制機理及影響

鋅灰的產生來源于爐鼻子內鋅蒸汽的揮發(fā)冷凝，目前一般的熱鍍鋅生產線鋅灰控制手段的核心要點：(1)抑制鋅液揮發(fā)；(2)減少鋅蒸汽的冷凝。馬鋼4號熱鍍鋅產線采用爐鼻子加濕，即通過控制爐鼻子露點，來抑制鋅液揮發(fā)。

2.1 露點控制機理

爐鼻子內露點的控制，是目前為止減少鋅灰生成最有效的手段。其原理是用保護氣經過加熱的脫鹽水罐，變成帶有壓力且含有水蒸氣的熱氣，填充到爐鼻子內，因為添加的加濕氣壓力大于爐鼻子內腔室壓力，所以在高溫環(huán)境下直接與鋅液面反應，在鋅液面持續(xù)生成氧化鋅薄膜，可以阻隔鋅液蒸發(fā)，避免了鋅蒸汽上升發(fā)生反應生成鋅灰的過程，有效減少鋅灰生成量[1]。氧化膜形成：H2O+Zn=ZnO+H2，此時鋅液面的ZnO薄膜抑制鋅液面的鋅液蒸發(fā)[2]。

2.2 露點的影響

所謂露點是指氣體中水蒸氣飽和時的氣體溫度[3]。合適的露點控制，可以有效抑制鋅液蒸發(fā)，減少鋅灰產生。但是由于鍍鋅產線加濕露點取樣位置、加濕孔位置以及爐鼻子內壁容積不同，不同產線加濕露點目標值有一定區(qū)別。如爐鼻子區(qū)域露點值過低，加濕系統(tǒng)濕氮氣補氣量不足，鋅液表面形成的氧化膜將無法阻擋鋅液蒸發(fā)，即無法有效減少鋅灰生產量。如露點過高，雖可有效減少鋅灰產生，但會造成漏鍍等缺陷。

爐鼻中水含量的高低是通過露點來反映的，馬鋼4號熱鍍鋅線爐鼻子露點控制系統(tǒng)是通過含有水蒸氣的濕氮氣與干氮氣混合后注入爐鼻子腔室；在保證干氮氣流量穩(wěn)定的同時，通過控制濕氮氣流量來實現(xiàn)露點調整。爐鼻子與退火爐腔室處于聯(lián)通狀態(tài)，退火爐內保護氣體(95%氮氣+5%氫氣)主要通過爐子頂部放散閥以及入口的密封輥外溢。爐鼻子內氣體主要是流向退火爐RCS(快冷段)，當加濕系統(tǒng)氮氣流量過大時，會影響退火爐ES(出口段)及RCS段露點乃至前段露點，惡化爐內氣氛，甚至會將部分鋅蒸汽帶入熱張緊輥室以及上端的快冷段，導致鋅灰在該部分區(qū)域冷凝沉積，如圖2,3所示。合適的氮氣可以在保證抑制鋅灰的前提下，減少對ES及RCS段露點的影響。

3 加濕工藝探索

加濕器中的汽化可以通過液體表面的蒸發(fā), 也可以通過液體內部產生汽泡來實現(xiàn)。在汽化過程中, 由于能量較大的液體分子逸出液面, 液體內分子的平均動能減小, 促使液體的溫度降低, 汽化速度減小。要維持液體繼續(xù)汽化, 就必須對液體加熱。因此, 增加退火爐出口段水含量可以通過2種方法解決: 一是增加進氣量; 二是提升加濕器中水的溫度[4]。

馬鋼4號鍍鋅線爐鼻子加濕是通過干氮氣與濕氮氣的比例來完成的，在實際生產控制過程中，干氮氣流量為固定值，濕氮氣流量根據露點實際值與目標值差值上下波動，以準確達到露點目標值。

3.1 加濕系統(tǒng)補氣閥總管壓力探索確認

馬鋼4號鍍鋅線通過調整氮氣補氣閥總管壓力，以爐鼻子露點設定目標為-15 ℃前提，跟蹤干氮氣、濕氮氣及爐子后區(qū)露點波動情況，統(tǒng)計結果見表1。

表1 總管壓力調整跟蹤試驗數據Table 1 Main pipe pressure adjustment tracking test data

(1)總管壓力為0.01 MPa時，由于壓力過低，濕氮氣流量過小，爐鼻子露點偏低，無法達到-15 ℃目標要求，并且在該參數工況下，爐鼻子露點波動較大，說明該總管壓力條件下，爐鼻子露點無法有效地實現(xiàn)目標值閉環(huán)控制，長期在較低露點區(qū)域波動。

(2)總管壓力為0.04 MPa時，壓力提高，干氮氣及濕氮氣流量均有所提升，但是爐鼻子露點仍無法達到目標值。

(3)總管壓力為0.08 MPa時，壓力繼續(xù)提高，干氮氣及濕氮氣流量持續(xù)上升，該參數工況下，爐鼻子露點可穩(wěn)定控制并達到目標要求。同時該條件下，ES段及RCS段露點上升不明顯，該總管壓力試驗合格。

(4)總管壓力為0.12 MPa時，干氮氣及濕氮氣流量持續(xù)上升，爐鼻子露點可穩(wěn)定控制并達到目標要求，干濕氮氣流量對ES段及RCS段露點影響逐漸顯著。

(5)總管壓力為0.16 MPa時，爐鼻子露點可穩(wěn)定控制并達到目標，但由于干氮氣及濕氮氣流量過大，導致ES及RCS段露點出現(xiàn)明顯的上升，該工藝條件下，濕氮氣流量過大，超出鋅液表面形成氧化膜所需的流量值，過剩的濕氮氣影響ES及RCS段露點。

從試驗中不難看出，由于爐鼻子腔室內氣氛流動主要是向RCS區(qū)域流動，在增大爐鼻子加濕系統(tǒng)干氮氣及濕氮氣流量的同時，ES及RCS段露點受到顯著影響?？偣軌毫^小時，濕氮氣流量過小，爐鼻子露點始終偏低，無法達到要求?？偣軌毫^高時，會導致濕氮氣流量一直偏高，爐鼻子露點雖能達到要求，但嚴重影響了ES及RCS段露點，即濕氮氣在鋅液表面形成氧化膜后，仍有富余的濕氮氣流向RCS區(qū)域，影響該段露點。從上述試驗效果來看，合適的爐鼻子加濕系統(tǒng)氮氣補氣總管壓力為0.08～0.12 MPa。

3.2 生產實際跟蹤確認

在爐鼻子加濕系統(tǒng)氮氣補氣總管壓力0.08～0.12 MPa范圍內，可滿足保證達到露點以及對ES/RCS段露點影響較小的原則，但仍需通過生產長期跟蹤確認抑制鋅灰的效果，具體跟蹤試驗結果見表2。

表2 總管壓力生產試驗跟蹤Table 2 Main pipe pressure production test follow up

由表2可知，隨著總管壓力增大，濕氮氣量增多，可保證爐鼻子不出現(xiàn)長條鋅灰的時間持續(xù)增長，但當總管壓力過大時，露鐵缺陷也隨之增多，說明此時的加濕量明顯超過抑制鋅灰的需求，并且過剩的濕氮氣會導致其他缺陷產生。從該試驗結果看，適合馬鋼4號鍍鋅線爐鼻子加濕系統(tǒng)總管壓力為0.10 MPa。

4 結束語

在實際生產過程中，一般連續(xù)鍍鋅生產線爐鼻子均是通過控制干氮氣和濕氮氣比例來實現(xiàn)抑制鋅灰，濕氮氣流量過大會影響退火爐出口區(qū)域露點，并且產生次生的缺陷，流量過小無法起到抑制鋅灰的作用。露點的控制本質是濕氮氣流量的控制，加濕系統(tǒng)總管壓力對于濕氮氣流量影響巨大。由于每條鍍鋅產線工況存在差異，加濕點不同，露點取樣位置不同，爐鼻子加濕系統(tǒng)的壓力、干濕氮氣流量控制等參數均不相同。通過本工作的試驗跟蹤說明，在確定加濕工藝時，應遵循以下3點原則：(1)保證達到露點控制要求；(2)抑制鋅灰產生；(3)不影響或者對ES/RCS段露點影響較少。在滿足該3點原則的前提下，可探索出適合產線的加濕系統(tǒng)工藝。