冷軋熱鍍鋅退火爐節能高效生產分析

方瑞，李堅，吳亭亭

（華東理工大學 煤氣化及能源化工教育部重點實驗室，上海 200237）

熱鍍鋅板材表面存在鋅層，在受損情況下能夠通過犧牲陽極的電化學保護方式使鍍層內的鋼材得到保護[1]，加之熱浸鍍層一般比電鍍層厚得多，耐腐蝕性強，成本低[2]，因此其在家電汽車產業的需求量日益增長。中國現有280余條熱鍍鋅線，生產能力約5000萬噸，產能過剩，產品競爭日益激烈[3]，企業對連續鍍鋅生產線的工藝與能耗等方面越來越關注。

退火是鋼材生產中常用的預備熱處理工藝，退火爐是熱鍍鋅生產線的核心設備。某鋼鐵公司（以下簡稱某鋼）一條熱鍍鋅生產線的退火爐近兩年的煤氣消耗量有顯著增加，爐子的安全生產、企業生產成本以及產品競爭力都受到影響。針對節能降耗，張想堂[4]從加熱方式、余熱回收、燃燒方式等方面探討了退火爐的節能設計，呂軍[5]在討論直接燃燒加熱段無氧化工藝時，運用“擋墻理論”提高了機組的質量與產量。文中在對退火爐熱工測試及結構檢查分析的基礎上，探究了其能耗增加的原因，并給出了相應工藝與設備改進方案，對爐子節能降耗及安全高效生產有一定指導作用。

1 退火爐工藝及試驗分析過程

1.1 工藝概況

某鋼退火爐選用的是典型改良森吉米爾法純水平臥式爐。臥式爐有爐子結構簡單、安裝容易、維修方便、操作難度低、建設成本低等優點，而缺點主要表現在生產率受爐長限制，爐子占地面積大，散熱面積大，爐輥易結瘤而影響帶鋼表面質量，爐內還原性氣氛不均勻等[6]。

退火爐生產普通純鋅鍍層鋼卷產品（GI）時，CQ、FH鋼種最大產量為49.40 t/h，DQ、HSS鋼種最大產量為33.80 t/h，機組最大速度為160 m/min。爐子由預熱段（PHS）、直接燃燒加熱段（DFS）、輻射管加熱段（RHS1）、輻射管均熱段（RHS2）、緩冷段（CS1）、快冷段（CS2）、熱張緊輥段（TDRS）、爐鼻子組成，全長約130 m。

帶鋼經冷軋變形后，內部會出現晶粒破碎或扭曲現象，這將導致加工硬化及殘余應力的出現，因此需要采用連續退火的過程處理。退火是將冷軋后的帶鋼在PHS段進行預加熱，到DFS段進行內部組織回復，在RHS1段內部組織經歷再結晶過程，在RHS2段保持恒定溫度，即在整個連續退火過程中，帶鋼的內部組織主要經歷回復、再結晶、晶粒長大等過程[7]，為晶粒長大提供充足的條件。根據各爐段預先設定的帶鋼退火溫度，某鋼退火爐中的帶鋼再結晶過程如圖1所示。

1.2 試驗過程

熱工測試是圍繞退火爐PHS、DFS及RHS段的熱量收入、支出展開試驗的。熱量收入主要包括燃料化學熱、助燃空氣及N2-H2保護氣體帶入物理熱、帶鋼入爐帶入熱；熱量支出包括出爐帶鋼帶走熱、煙氣帶走熱、爐體表面散熱、化學不完全損失熱以及預熱段入口密封門處的輻射逸氣熱等。試驗的主要儀器有德圖350煙氣分析儀、熱電偶、PT150高精度紅外測溫儀等。

由于退火爐尺寸大，爐段多，為了試驗的精準性及可操作性，將 PHS、DFS段作為整體與 RHS段分別進行熱量收入、支出分析。RHS段助燃空氣因其負壓吸氣進氣方式而無法精確測量氣量，將其帶入熱量用煙氣熱量等量替代。對于與爐子控制儀表測量重復的數據，均與其近期測得的平均數據進行校驗，剔除因操作不當產生的極度偏差數據，以保證試驗的準確性。

2 退火爐能耗增加的原因分析及解決方案

退火爐能耗約占連續熱鍍鋅生產線總能耗的35%[8]，因此退火爐的節能尤為重要。某鋼退火爐在PHS段，采用DFS段產生的煙氣對帶鋼進行預熱；在DFS段，通過上下交錯布置在爐墻兩側的直燃燒嘴采用明火加熱帶鋼；在RHS段，采用輻射管間接加熱。目前，臥式退火爐PHS/DFS段的熱效率能達到60%左右，RHS段輻射管熱效率可達55%[9]，而通過熱平衡算得某鋼退火爐PHS/DFS段的熱效率只有50%左右，RHS段輻射管熱效率只有 44%。因此，退火爐在節能降耗上有很大的提升空間。

2.1 DFS段氣氛的控制

退火爐使用的燃料是焦爐煤氣，煤氣中的主要成分為 CH4、H2、CO，與助燃空氣混合后在爐內燃燒。DFS段直燃燒嘴空氣過剩系數小于1時，煤氣為不完全燃燒，形成的煙氣成分主要為 CO2、H2O、N2及未燃盡的CO、H2，沒有過剩的自由O2，不會氧化帶鋼表面的活性鐵[10]，但 CO2和 H2O為弱氧化性氣體，對帶鋼表面生成氧化層有促進作用。目前普遍采取的措施為保持較低的空氣過剩系數，以此控制爐內的氧化性氣氛。

當通入一定量的煤氣時，利用公式（1）、（2）可計算出空氣過剩系數α。

式（1）中物質化學式代表其體積分數。通過計算得出在熱工測試期間 DFS段各燃燒控制區的空氣過剩系數，見表1。

表1 DFS爐不同燃燒區在不同時的空氣過剩系數Tab.1 Air excess rate of different zones at different time in DFS

由表1可以看出，DFS段各區（二區未點火）在4 h測試期間的一次空氣系數在0.79～0.87之間。盡管在PHS段會對DFS段煙氣中的可燃成分進行補燃，但煙氣分析儀測出煙氣中CO2的含量為7%，說明補燃效果不佳，PHS/DFS段整體的熱工制度不合理。空氣過剩系數過低可以較好地控制爐內的還原性氣氛，但對燃料的利用率將會下降。

事實上，DFS段只要控制爐內氣氛為弱氧化狀態，即能滿足生產要求。這是由于RHS段的N2-H2保護氣體中的 H2會對部分微弱氧化的帶鋼表面進行還原，根據國外的經驗，燒嘴的空氣系數應設置在 0.92～0.98之間[11]。

圖2是退火爐DFS段空氣過剩系數與煤氣節約量的對應關系圖。考慮到爐內氣氛的要求，控制DFS段燒嘴的空氣過剩系數在 0.95上下，對應的空煤比在4.0左右，便可以獲得工藝要求的處理效果。另外，煤氣成分是不停變化的，根據每日一次的成分分析來設定空燃比，會造成空氣過剩系數的不準確，建議在煤氣入爐前安裝在線熱值分析儀，通過調節手動/自動控制一體的電動閥門的閥芯位置來控制煤氣與空氣量。

2.2 RHS段輻射管燒嘴進氣方式

RHS段氣氛為N2-H2構成的還原性氣氛，目的是利用 H2將帶鋼表面的氧化薄膜還原成純鐵，使帶鋼表面以活性海綿狀態進入鋅液[12]。輻射管燒嘴采用“抽-吸”式進氣方式。“抽-吸”式是指由排煙風機抽風，在燒嘴的助燃空氣入口處產生負壓而吸入空氣，這種結構的缺陷是無法精確有效控制助燃空氣的量。測試過程中利用煙氣分析儀測量輻射管煙氣的成分，推算出各燃燒區域的空氣過剩系數，結果如圖3所示。

由圖3可以看出，輻射管的空氣過剩系數均在1.3以上，甚至超過了 2。這樣一來，由燒嘴燃燒生成的煙氣量也大大增加，煙氣帶走的熱量相應增加，熱量利用率降低。由于煙氣整體溫度下降，輻射管表面的溫度也會相應降低，要想使爐膛保持在工藝要求的高溫，需布置更多的輻射管來滿足要求，這樣會給企業帶來成本上的壓力。

退火爐現采用的“抽-吸”式輻射管燒嘴在助燃空氣吸入量的控制上表現得并不好。日本最初發展了“抽-鼓”式燒嘴，它在溫度控制精度、空氣/煤氣比調節的難易程度、對燃料熱值變化的適應能力以及燃燒系統的可維護性和可靠性等方面比“抽-吸”式都有明顯的優勢。輻射管段煤氣的燃燒一般控制空氣過剩系數在 1.05左右，可以達到充分燃燒與輻射管表面高溫的要求，減少煙氣帶走熱量。若將整個輻射管段的燒嘴全部由“抽-吸”式換成“抽-鼓”式，會使輻射管煤氣用量減少，熱效率相應提高。在改造前需要對一段時間內輻射管所需的風量進行統計，然后進行風機選型，選型時一定要預留一定的鼓風機風量冗余量。由于空氣由鼓風機嚴格供給，生成的煙氣量少，對處理煙氣的排煙風機的負荷也有一定緩解。

2.3 煙氣余熱回收

DFS段產生的煙氣在PHS段預熱帶鋼后，煙氣溫度仍有900 ℃左右PHS/DFS段煙氣系統流程如圖 4。可以看出，煙氣僅將助燃空氣加熱至300 ℃，煙氣余熱未較好得到利用。在處理煙氣的過程中，有兩處摻冷風處理過程，其目的是保護空氣換熱器和排煙風機。若停用摻冷風過程，增設一臺省煤器來降低煙溫，生成的水蒸汽可用于加熱清洗段的堿液和加熱熱風干燥段的冷風[13]。另外在摻冷風后，煙氣由爐膛時的900 ℃降至550 ℃左右，故選擇較為耐熱的空氣加熱器也可以減少煙氣有效熱損失。

RHS段輻射管燒嘴要求溫度峰值小的長火焰燒嘴[14]，且輻射管加熱器對燃氣品質的要求沒有明火加熱高。退火爐輻射管加熱的均熱段采用W型輻射管，其一端布置燒嘴，另一端布置換熱器，煙氣的余熱沒有得到充分利用。對于W型輻射管燒嘴，可將其改造成蓄熱式燒嘴，即在原有的輻射管兩端各設置1個蓄熱式燒嘴，通過換向閥控制實現燒嘴的交替燃燒。助燃空氣和熱煙氣交替流經兩燒嘴的蓄熱體，通過蓄熱體交換熱量，將助燃空氣預熱至接近輻射管管壁溫度，煙氣溫度降至 200 ℃以下，從而實現煙氣熱量的極限回收。此外，采用蓄熱式燃燒技術應將輻射管燒嘴的燃料換成熱值較低的高爐煤氣，這樣既可以節能，又不會因燃燒火焰溫度過高而降低輻射管的使用壽命，還可以減少NOx的產生。

在實際生產中，DFS段最終排至煙囪的煙氣溫度仍有380 ℃，RHS爐也有300 ℃，可以建一套過熱水系統余熱回收裝置（見圖5）。該裝置有投資小、熱回收效率高的優點，回收的熱量同樣可以用于清洗段的熱水漂洗及熱風干燥氣[15]。值得注意的是，采用過熱水余熱回收技術要求前后二級供需的熱量平衡，需配有及時的外來水蒸汽及煙氣調節旁通來調節，以防止系統因超壓汽化發生的風險[16]。

2.4 爐墻外表面散熱

PHS段爐墻和爐頂的耐火保溫材料有陶瓷纖維塊和陶瓷纖維，爐底鋪設耐火磚、隔熱磚、硅酸鈣板。DFS段爐墻和爐頂采用1600/1425等級的纖維和陶瓷纖維毯，爐底和 PHS段鋪設的耐熱材料一樣。RHS段爐墻和爐頂鋪設陶瓷纖維、陶瓷纖維、礦棉板，爐底鋪設隔熱磚與硅酸鈣板。耐火材料的選擇與爐型、爐段、燃料種類、加熱工藝及爐子的熱工制度等眾多因素相關。

在爐子外表散熱的熱工測試過程中，按爐長比例分別在兩側爐列不同爐段選取若干測溫點。在爐列1與爐列2的側墻（沿爐長方向）分別取11個測溫點——預熱段3個，無氧化加熱段3個，輻射管加熱均熱段5個。爐列1測點標記為1—11，爐列2測點標記為12—22。記錄并計算出爐列1、2側墻各測點在4 h測試時間內的最高溫度、最低溫度及平均溫度，爐列1、2在整個測試期間各測點的溫度波動如圖6所示。

由溫度波動圖可以明顯看出，DFS段的側墻溫度波動較PHS段和RHS段稍大，這與該爐段的燃料直接在爐膛內燃燒的方式有關。RHS段的溫度波動最小，這也間接反映出該段爐膛內部溫度較穩定，滿足其對溫度穩定性要求較高的特性。注意到，爐列1第6個測點（DFS段）出現正向的異常峰值，最高溫度達 140 ℃，經仔細檢查，發現該測點附近外部保溫材料有部分燒損狀況。由此可見，觀察一段時間內爐墻表面溫度波動圖，可以對爐體保溫材料的使用情況進行預判。

爐窯的耐火材料不僅要保證爐體不被高溫或火焰燒損，還有保持爐溫的重要作用。類似上述耐火保溫材料老化破損的情況會增加爐墻的散熱量，降低熱效率。某鋼退火爐側墻與爐頂采用全纖維模塊結構，為了方便爐子檢修，爐底采用耐火磚、隔熱磚及硅酸鈣板組成的砌磚結構。耐火纖維材料屬于新型的保溫材料，具有質量輕、抗震性好、保溫效果好等優勢，這符合如今纖維結構代替砌磚結構作為耐火保溫材料的趨勢。因此，定期檢查原退火爐耐火保溫材料的使用情況以及將陶瓷纖維固定在爐殼上的錨固釘的牢固性，并及時將受損部位更替為耐火陶瓷纖維折疊塊和耐火纖維噴涂層等保溫材料，對減少燃料消耗、節約能源大有裨益。

2.5 整改結果

退火爐PHS/DFS段與RHS段工藝及設備采取改進措施后，熱損減少量及前后熱效率的對比見表2。從表2中看出，通過采取降低能耗的相應措施，退火爐各段的熱效率有顯著提高，PHS/DFS段熱效率由51.8%提高至60.0%，RHS段熱效率由44.3%提高至55.8%。

表2 工藝設備改進前后各段熱損減少量及熱效率Tab.2 Reduction of heat loss and thermal efficiency after improving process and equipment

3 結論

1）增加進爐（焦爐）煤氣成分在線檢測頻率，并根據實時煤氣熱值制定DFS段燒嘴燃燒空煤比，將DFS段空氣過剩系數提高至0.95左右，能夠在保證爐內還原性氣氛的同時，提高燃料的利用率；在RHS段將“抽-吸”式進氣方式換成“抽-鼓”式，精確控制輻射管燒嘴空氣過剩系數，能夠達到輻射管內燃燒充分與表面溫度的要求，減少煙氣帶走熱，提高輻射管的熱效率。

2）DFS、RHS段在原有煙氣加熱助燃空氣的基礎上，將摻冷風機換成省煤器、過熱水余熱回收裝置等，能夠提高煙氣余熱的回收效率，回收的熱能可供多功能使用。RHS段輻射管可嘗試采用蓄熱式燃燒技術，長期看來有益于企業的節能降耗。

3）爐墻外表面的溫度波動圖能定性地體現出爐內加熱溫度的狀況，及時為保溫材料的使用情況進行預判，對爐子減少表面散熱損失大有意義。應定期對退火爐墻體的耐火保溫材料及固定用錨固釘進行檢查維修，防止耐火保溫材料的脫落、燒損，減少爐體的散熱損失。