陶瓷纖維在涂鍍退火爐優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

楊 勇，楊柏松，董 靜，王本鋒，莊克生

（1.重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司，重慶401122；2.山東魯陽節(jié)能材料股份有限公司，山東淄博256100）

18 世紀(jì)50 年代熱鍍鋅技術(shù)出現(xiàn)，20 世紀(jì)60～70 年代先后發(fā)明了Galfan 與Galvalume，使鍍層耐蝕性提高了3～6 倍，上世紀(jì)80 年代鋅鋁鎂合金鍍層產(chǎn)品開始在日本商業(yè)化，中、高鋅鋁鎂鍍層其耐蝕性為熱鍍鋅鍍層的9～15 倍，并且滲透到建材、家電、汽車三大應(yīng)用領(lǐng)域。由于鋅鋁鎂合金鍍層板的耐腐蝕性比熱鍍鋅板高數(shù)倍，因此可以大幅度減薄鍍層厚度，為節(jié)約鋅資源開辟了新的途徑。低鋁低鎂合金鍍層有可能全面取代熱鍍鋅鍍層。

1 退火爐爐型設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及問題

用于建材領(lǐng)域的鋅鋁鎂涂鍍產(chǎn)品對(duì)鋼材熱處理的延展率的性能要求沒有汽車家電板的要求高，為進(jìn)一步提高帶鋼表面質(zhì)量，減少原砌筑材料剝落造成的帶鋼表面劃傷和壓印[1]，多采用明火無氧化爐結(jié)合輻射管的方法來實(shí)現(xiàn)，這對(duì)爐型設(shè)計(jì)提出了較高要求，針對(duì)無氧化爐出現(xiàn)了多種選擇，例如多行程無氧化立式型爐（見圖1）、無氧化L 型爐（見圖2）和無氧化臥式型爐（見圖3）。

圖1 多行程立式無氧化爐示意圖

圖2 單行程無氧化L 型爐示意圖

圖3 無氧化臥型爐示意圖

除上述三種無氧化爐結(jié)構(gòu)外，還包括因?yàn)椴贾玫年P(guān)系衍生出的折疊爐等等，但相比于臥式爐，立式無氧化爐的發(fā)展受到了一定限制，爐長(zhǎng)不能最大限度延伸，爐型結(jié)構(gòu)不合理；L 型無氧化爐和立式無氧化爐的設(shè)計(jì)上存在先天缺陷，設(shè)計(jì)為4 段供熱，32個(gè)燒嘴，有效加熱長(zhǎng)度不超過18 m，因?yàn)榕酝煹篮蜕舷螺伿业脑O(shè)計(jì)導(dǎo)致上下輥間距達(dá)到23 m 以上。

因此要想最大限度加高該爐子，燒嘴的燃燒尾氣流速不能過快，取而代之的是低煙氣流速的輻射傳熱燒嘴。立式爐燒嘴演變?yōu)槎讼蚬岬妮椛浔瓱?，如圖4 所示。

圖4 端向供熱的輻射杯燒嘴實(shí)物圖

端向輻射杯燒嘴的無氧化臥型爐，雖然解決了充分輻射傳熱的問題，但僅限于清潔燃料，對(duì)大多數(shù)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)采用焦?fàn)t煤氣為代表的用戶并不適用。

1.1 無氧化爐高度發(fā)展受限

繼續(xù)加高會(huì)導(dǎo)致高溫?zé)煔馍细?yán)重，上部區(qū)域和最下部區(qū)域控溫困難，亟待改變傳統(tǒng)的側(cè)燒嘴輻射結(jié)合爐氣對(duì)流的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一種爐型將高溫輻射傳熱發(fā)揮到極致，從而將輻射熱量留在控制區(qū)內(nèi)，有效傳遞給帶鋼，不對(duì)上部區(qū)域產(chǎn)生影響。

1.2 燒嘴磚結(jié)構(gòu)不合理

無氧化立式爐段的燒嘴頻繁開啟，加之合溫度的劇烈變化，帶來了較多問題。某廠現(xiàn)在使用的無氧化明火段燒嘴，全部是進(jìn)口元器件，隨著長(zhǎng)時(shí)間使用，缺陷逐漸顯露出來。首先，最明顯的缺陷就是燒嘴磚厚度與支撐長(zhǎng)度不匹配，導(dǎo)致燒嘴磚體下沉，支撐變形，進(jìn)而無氧化爐爐段鋼結(jié)構(gòu)外墻變形；其次，燒嘴磚體與后蓋板的連接方式不合理，經(jīng)常出現(xiàn)連接桿脫落，導(dǎo)致燒嘴磚爐內(nèi)出現(xiàn)多次掉磚事故，對(duì)爐體內(nèi)部設(shè)備產(chǎn)生較為嚴(yán)重的損壞，同時(shí)碎磚絞入爐輥，與板帶擠壓出現(xiàn)大量廢次品；第三，燒嘴磚受急冷急熱影響剝落嚴(yán)重，粘附板面，造成板面質(zhì)量問題。

1.3 耐材選擇不合理

無論選擇無氧化L 型爐、無氧化立式型爐和無氧化臥式式型爐的哪種結(jié)構(gòu)，采用輻射傳熱都是最有效的選擇，這樣無氧化爐的耐火材料選擇就必須適應(yīng)不同的溫度需要，見表1。

表1 不同類型陶瓷纖維長(zhǎng)期使用溫度

1.4 鉻纖維組塊的使用

鉻纖維因其化學(xué)成分中含Cr2O3故被命名為含鉻纖維，和ZrO2一樣，在生產(chǎn)工藝方面都是通過高溫熔融甩絲成纖雙面針刺工藝加工制作，都對(duì)硅酸鋁纖維的析晶及晶粒長(zhǎng)大有明顯的抑制作用，因此含鉻纖維有著和含鋯纖維類似的使用性能。

業(yè)內(nèi)有部分企業(yè)采用鉻纖維組塊作為臥式無氧化爐的耐材，在溫度方面鉻纖維基本能滿足長(zhǎng)期1 250℃爐溫的使用要求，但含鉻纖維材料的生產(chǎn)過程中、及高溫使用條件下，與廢熔融渣、鐵/鋼渣、玻璃水泥等接觸時(shí)，其中所含的Cr2O3與CaO、Na2O 或K2O 反應(yīng)時(shí)極易形成六價(jià)鉻化合物（CaCrO4）。而六價(jià)鉻為吞入性毒物/吸入性極毒物，皮膚接觸可能導(dǎo)致過敏，更可能造成遺傳性基因缺陷，危害最大的是長(zhǎng)期或短期接觸或吸入時(shí)有致癌危險(xiǎn)。

國(guó)家在《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)污水排放標(biāo)準(zhǔn)》、《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)鉻霧酸以及六價(jià)鉻都制定了嚴(yán)格的排放要求。

2 改進(jìn)內(nèi)容及措施

2.1 無氧化爐耐火材料的選擇

傳統(tǒng)的臥式、立式直燃爐，尤其是針對(duì)熱軋板鋅鋁鎂涂鍍提高傳熱的有效手段是提高爐溫，同時(shí)提高爐襯的保溫性能。目前鋅鋁鎂無氧化爐的溫度以1 280 ℃較為普遍，個(gè)別項(xiàng)目中已經(jīng)達(dá)到1 350 ℃，在此高溫下，為保證窯爐的長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定運(yùn)行，耐火材料的選擇尤為關(guān)鍵，現(xiàn)有耐火材料中，分類溫度1 600 ℃的全多晶氧化鋁纖維是最具安全性的一種選擇，目前在部分直燃爐中已經(jīng)進(jìn)行了全爐段多晶氧化鋁纖維的使用。而對(duì)于1 280 ℃爐溫的直燃爐，可采用全多晶氧化鋁纖維內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，在考慮長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定運(yùn)行基礎(chǔ)上，綜合造價(jià)考慮，可選擇1600 型的多晶氧化鋁纖維與1430 型含鋯纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的1500 型晶盾復(fù)合模塊（以下簡(jiǎn)稱1500 型晶盾復(fù)合模塊），通過熱工計(jì)算確定熱面層——多晶氧化鋁纖維層的厚度，保證冷面1430 型含鋯纖維的長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定使用，此種復(fù)合模塊結(jié)構(gòu)已在多個(gè)項(xiàng)目中進(jìn)行了驗(yàn)證。本文以爐溫1 280 ℃的無氧化爐為例進(jìn)行計(jì)算。

（1）爐膛溫度tk為1 280 ℃，爐殼溫度tc為76 ℃，環(huán)境溫度ta為25 ℃，爐墻總保溫厚度為330 mm。

襯里結(jié)構(gòu)熱面至冷面依次為：

①1500 型晶盾復(fù)合模塊（300 mm）

②1260 型陶瓷纖維背襯毯（10 mm）

③貝克納米板（10 mm）

④1260 型陶瓷纖維背襯毯（10 mm）

（2）熱工計(jì)算

①熱工計(jì)算公式（爐墻為例）

外壁向環(huán)境散熱Qc：

爐膛內(nèi)向爐外壁傳熱Qd：

熱阻R：

式中：tc為爐殼溫度，℃；ta為環(huán)境溫度，℃；tk為爐膛溫度，℃；δ1為保溫厚度，mm；λ1為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

最終外壁溫度數(shù)值是根據(jù)爐膛向外壁散熱Qd≈Qc向環(huán)境散熱差值決定，差值應(yīng)當(dāng)無限趨近與零，通過Excel 表格計(jì)算，各材質(zhì)界面及外壁溫度見表2。

表2 根據(jù)計(jì)算公式迭代的不同組合纖維厚度的界面及外壁溫度

根據(jù)熱工計(jì)算，目前50 mm 厚的1600 型多晶氧化鋁纖維與250 mm 厚的1430 型含鋯纖維界面溫度1 209.3 ℃，故在節(jié)約成本前提下，熱面采用部分1600 型氧化鋁纖維+冷面采用1430 型含鋯纖維模塊的氧化鋁纖維復(fù)合模塊，可根據(jù)不同爐溫進(jìn)行匹配，以滿足長(zhǎng)期的使用工況要求。

2.2 多晶氧化鋁纖維對(duì)于無氧化爐燒嘴區(qū)域舔火問題的解決方案

無氧化爐燒嘴舔火問題一段時(shí)間內(nèi)一直存在，該部位比正常爐膛溫度高150～200 ℃左右，滿足高溫要求的情況下，爐襯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。目前對(duì)易出現(xiàn)舔火情況的部位選用1600 型的多晶氧化鋁纖維，完全解決了燒嘴舔火情況出現(xiàn)時(shí)爐襯的耐溫問題，同時(shí)1600 型多晶氧化鋁纖維基礎(chǔ)上噴涂1800 高溫納米涂層，并通過特有的液體錨固釘固定，使熱面涂層與氧化鋁纖維牢固地結(jié)合成整體，高溫干燥后形成瓷化層，使該處的抗風(fēng)蝕性能可達(dá)60 m/s 以上，完全解決了燒嘴舔火的問題。

2.3 無氧化爐燒嘴磚的改進(jìn)措施

將燒嘴磚尺寸改為與襯里保溫厚度相等，噴射開口略微改動(dòng)，不會(huì)影響火苗形狀。結(jié)合該爐燒嘴頻繁開啟的特性，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，包括燒嘴磚周邊采用了多晶纖維組塊，強(qiáng)化了熱震穩(wěn)定性，提高了耐火度；燒嘴磚爐內(nèi)高溫面進(jìn)行了專項(xiàng)處理（見圖5）。

圖5 無氧化爐燒嘴磚的優(yōu)化設(shè)計(jì)示意圖及實(shí)物圖

優(yōu)化后采用1500 微晶HP 復(fù)合燒嘴磚，燒嘴磚總厚與爐襯總厚度相同，燒嘴磚熱面采用1500 微晶纖維組件，該纖維組件具有可耐1 600 ℃高溫，抗急冷急熱效果優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，此優(yōu)化結(jié)構(gòu)可解決因燒嘴頻繁開啟冷熱交替造成傳統(tǒng)燒嘴磚開裂、變形的問題，另一方面1500 微晶HP 復(fù)合燒嘴磚重量輕，減輕了對(duì)燒嘴磚支撐件的壓力，長(zhǎng)期使用可靠，同時(shí)保溫效果可在原燒嘴磚的基礎(chǔ)上提升5%～10%。

原燒嘴磚尺寸為325 mm，總質(zhì)量53 kg，改善后磚體尺寸為228 mm，總質(zhì)量40 kg，減輕13 kg。且燒嘴支撐也隨之改進(jìn)縮短，爐墻外殼支撐力明顯減少，在500 ℃高溫下也不易變形，對(duì)爐體使用壽命的延長(zhǎng)有很大幫助。改善后的燒嘴不會(huì)加強(qiáng)爐內(nèi)溫度的傳導(dǎo)，對(duì)外墻的保溫性也沒有影響。連接方式由原來的拉釘改為預(yù)埋螺栓，保證磚體與后蓋板連接穩(wěn)固且不易脫落。

改善后的備件成本能夠降低20%左右，且使用時(shí)長(zhǎng)較之前的高出近30%（原使用壽命在2～3 a，改進(jìn)后的預(yù)計(jì)在3～4 a）。

無氧化爐燒嘴磚受到?jīng)_刷和急冷急熱的工況影響，容易產(chǎn)生開裂、剝落，采用陶瓷套管和熱噴涂是一種有效的應(yīng)對(duì)策略；目前采用的對(duì)策是，利用多晶纖維特性將其分條交錯(cuò)貼服在燒嘴磚熱面，可有效防止燒嘴磚表面開裂、剝落，使用周期超過1 年，且更換方便。

推薦無氧化爐采用組合式陶瓷纖維組塊，但燒嘴磚周邊必須做有效防護(hù)，同時(shí)也是提高燒嘴磚壽命的有效方法。

2.4 多晶氧化鋁纖維對(duì)無氧化爐燒嘴區(qū)域掉渣問題的改進(jìn)

在無氧化爐帶鋼生產(chǎn)工藝中，為提高爐膛內(nèi)的純凈度，減少雜質(zhì)或顆粒物對(duì)帶鋼的劃傷、損傷，常規(guī)是通過采用熱面鋪設(shè)不銹鋼板層來達(dá)到潔凈度的要求，但在直燃段中因爐溫高，不銹鋼襯板無法達(dá)到高溫不變形的要求，所以在該處多晶氧化鋁纖維充分發(fā)揮了它“耐溫高、無渣球”的作用，改進(jìn)包括各個(gè)方向的砌塊、燒嘴區(qū)域的特殊處理等（見圖6），目前已在多個(gè)無氧化爐中進(jìn)行了使用。

圖6 無氧化爐燒嘴磚附近區(qū)域多晶氧化鋁纖維實(shí)物圖

3 熱軋板為主體的臥式退火爐

為改變立式爐側(cè)部高速燒嘴燃?xì)庋杆偕细〉膯栴}，普遍采取的措施是提高溫度，強(qiáng)化輻射，并不是有意提高爐段高度，這樣在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上繼續(xù)增大燒嘴功率，只能增加燒嘴火焰直徑、剛度、增加燒嘴功率的控制難度，而且只是提高了燒嘴區(qū)的輻射溫度，并不能有效提高爐區(qū)均勻輻射溫度。

因此將爐段改為正面均勻輻射的設(shè)計(jì)勢(shì)在必行，由此而來的就是預(yù)混的正面輻射燒嘴。

這一設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是采用平面密布的輻射杯燒嘴，增加了輻射面積，也使輻射溫度更高更均勻，同時(shí)減少爐氣的流動(dòng)速度，使得各段的控制變得相對(duì)容易。但該設(shè)計(jì)僅僅適合于立式無氧化爐，臥式無氧化爐沒有爐氣上浮的弊病，仍然建議采用傳統(tǒng)的側(cè)向高速燒嘴。

3.1 無氧化爐設(shè)計(jì)突破傳統(tǒng)溫度限制

如圖7 所示，傳統(tǒng)的機(jī)組混合了熱軋板和冷軋板的生產(chǎn)，最大的特征就是針對(duì)冷軋板設(shè)計(jì)清洗段，爐區(qū)功能可以將熱軋板帶加熱到670 ℃，以實(shí)現(xiàn)表面還原；同時(shí)也適應(yīng)冷軋板，可以將冷軋板帶加熱到750 ℃或者780 ℃，然后通過爐內(nèi)保護(hù)氣體冷卻器冷卻到鋅鋁鎂要求的涂鍍溫度[1]。

圖7 新型熱基無氧化爐鋅鋁鎂機(jī)組的爐區(qū)布置圖

因此采用高氫無氧化爐的設(shè)計(jì)允許突破傳統(tǒng)的鋼材相變點(diǎn)之前的加熱溫度，從而達(dá)到減少氧化的目的。

3.2 均熱段僅僅起到還原及補(bǔ)熱的作用

均熱段的供熱不再為鋼材加熱提供熱源，而是滿足表面還原所需的熱量，及帶鋼的保溫，也就是說需要維持帶鋼始終處于升溫狀態(tài)。

因此優(yōu)化的該段供熱采用電輻射管設(shè)計(jì)較合理，同時(shí)解決了NOx排放物超標(biāo)的問題。

3.3 冷卻段提高氫氣在保護(hù)氣中的比例用于帶鋼還原

該設(shè)計(jì)的核心是來自爐區(qū)出口段的氫氣比例較高，還原速度較高，同時(shí)針對(duì)明火燃燒段，燃?xì)馐歉鶕?jù)氣體燃燒速度進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的，氫氣流入無氧化爐后會(huì)先期燃燒，這樣無形中造成了無氧化段助燃空氣氧氣不足，燃燒不完全，產(chǎn)生較多的CO，進(jìn)入預(yù)熱段后，CO 形成了對(duì)帶鋼的有效保護(hù)，因此如何處理CO 就成為無氧化爐預(yù)熱段的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

本設(shè)計(jì)采用的是在預(yù)熱段和加熱段結(jié)合部增加兩只補(bǔ)燃燒嘴，該燒嘴僅用于控制無氧化爐預(yù)熱段的CO 濃度低于爆炸極限，但仍保留部分CO 進(jìn)入煙道，同時(shí)在煙道增加另外兩只補(bǔ)燃燒嘴，該補(bǔ)燃燒嘴的空氣通入量需要徹底燃燒剩余CO，確保下游設(shè)備安全。

通常的無氧化爐爐內(nèi)燒嘴趨于大型化，為450～500 kW，而補(bǔ)燃燒嘴設(shè)定為245 kW。

4 實(shí)施前主要指標(biāo)及改造后達(dá)到指標(biāo)

根據(jù)某廠無氧化爐實(shí)施前由于耐火材料脫落造成的廢次品統(tǒng)計(jì)情況見表3。

表3 由于耐火材料脫落造成的損失

廢次品大部分為停車降速造成，由于爐內(nèi)掉磚造成的停車降速所產(chǎn)生的廢次品占總廢次品的6%左右，即平均每年150 t 左右。

在2013 年7 月中修中，已經(jīng)使用改善后新備件，年指標(biāo)中可以看出，廢品量較前三年減少近300 t，其中由于掉磚產(chǎn)生的廢次品為90 t 左右，事故率降低近30%。

5 結(jié)論

（1）立式無氧化爐會(huì)受到高度的限制，無法滿足較大產(chǎn)量的生產(chǎn)要求，最終還是會(huì)回到臥式無氧化爐為主的狀態(tài)。

（2）無氧化爐燒嘴磚受到?jīng)_刷和急冷急熱的工況影響，容易產(chǎn)生開裂、剝落現(xiàn)象，采用陶瓷套管和熱噴涂是一種有效的應(yīng)對(duì)策略；目前采用的對(duì)策是利用多晶纖維的特性將其分條交錯(cuò)貼服在燒嘴磚熱面，可有效防止燒嘴磚表面出現(xiàn)開裂、剝落等缺陷，使用周期超過一年；同時(shí)也方便更換。

（3）推薦無氧化爐采用組合式陶瓷纖維組塊，但燒嘴磚周邊必須做有效防護(hù)，同時(shí)也是提高燒嘴磚壽命的有效方法。