邯鋼熱鍍鋅線無氧化加熱爐對鍍層黏附性影響分析

張洪濤

（河北鋼鐵集團邯鄲分公司冷軋廠， 河北　邯鄲　056015）

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邯鋼熱鍍鋅線無氧化加熱爐對鍍層黏附性影響分析

張洪濤

（河北鋼鐵集團邯鄲分公司冷軋廠， 河北邯鄲056015）

結(jié)合邯鋼冷軋廠熱基鍍鋅機組的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，分析影響鍍層黏附性的幾個關(guān)鍵因素，包括無氧化加熱爐燒嘴的傾斜度、加熱爐空燃比的設(shè)置以及爐區(qū)保護氣體的比例等，并提出解決鍍鋅產(chǎn)品鍍層脫鋅的措施。

熱鍍鋅黏附性加熱爐

鍍鋅板憑借良好的金屬耐腐蝕性和規(guī)則的表面質(zhì)量成為在建筑、農(nóng)業(yè)、交通等行業(yè)長期使用的金屬材料，也是近年來使用量增長較快的鋼材品種之一。鋼材的防腐在整個社會建設(shè)和發(fā)展中具有重要的經(jīng)濟意義，據(jù)統(tǒng)計，全世界每年因腐蝕而報廢的金屬制品重量大約相當(dāng)于金屬產(chǎn)量的1/5，其損失按照重量計算非常龐大。然而有些金屬因腐蝕而產(chǎn)生的損失不能僅僅以重量來計算，大量因腐蝕而報廢的金屬制品的制造價值往往比金屬本身的價值高。若鋼板和鍍層結(jié)合不牢導(dǎo)致鋅層脫落，從而失去鍍鋅層的犧牲陽極保護，長時間一定會造成基板腐蝕，失去鍍鋅板的使用價值，造成極壞的影響，已成為生產(chǎn)中重點關(guān)注的問題[1]。

1　熱鍍鋅無氧化加熱爐空燃比對鍍層附著性的影響

邯鋼熱鍍鋅線采用的是改良森基米爾加熱工藝，其爐形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　熱鍍鋅線加熱爐配置圖

熱鍍鋅線加熱爐的FF段（Free Flame Area）是影響鋅層附著性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，鍍層鋅層的脫落主要受到其氣氛和溫度的影響。正常狀態(tài)下將FF段空燃比控制在0.8～0.95，對其調(diào)整的要求有以下幾點：

1）若帶鋼進入到加熱爐在FF段后表面被氧化，則基本不能夠在輻射管和冷卻段被完全還原。FF段采取煤氣和空氣直接參與燃燒的方式，火焰直接進入爐內(nèi)，燒嘴和帶鋼表面距離只有400 mm。空燃比的設(shè)定必須保證空氣全部消耗完，以免未消耗完的氧對帶鋼產(chǎn)生氧化。加熱爐的空氣分配采取一根主管路分成10條支管路，由于距離原因造成燒嘴空氣量的分配不同，因此空燃比的調(diào)整不能高于0.95。

2）待加熱爐爐內(nèi)的耐材檢修完成后，在砌爐時使大量的水份留存在爐墻的內(nèi)部，檢修后對加熱爐進行烘爐既可以保證爐內(nèi)氣氛的迅速建立，又可以保證耐材的使用壽命。

3）當(dāng)焦?fàn)t煤氣熱值出現(xiàn)波動，低于3 800 kJ時會產(chǎn)生一定的氧化性。熱值的波動意味著組分發(fā)生了變化，可燃物的減少造成正常配比的空氣中的氧不能完全消耗。氧一旦剩余，在高溫下會立刻將帶鋼表面氧化。

假設(shè)為完全燃燒，焦?fàn)t煤氣燃燒反應(yīng)方程式為：2H2+O2=2H2O，CH4+2O2=CO2+2H2O，2CO+O2=2CO2，CH4+3O2=2CO2+2H2O。

根據(jù)反應(yīng)方程式可知，焦?fàn)t煤氣的各組分消耗氧氣的需求量是不同的。當(dāng)熱值大幅度降低后，如果不及時對加熱爐FF段內(nèi)的空燃比作出相應(yīng)調(diào)整，會產(chǎn)生剩余空氣，使帶鋼表面產(chǎn)生一定的氧化膜，影響鋅層的附著力。帶鋼進入鋅鍋內(nèi)鍍鋅時，要求帶鋼具有粗糙的純鐵表面，只有這樣帶鋼才有可能在鍍鋅時與鋅液中的鋁進行完美結(jié)合，形成黏附力較好的Fe2Al5中間層（鋅層形成過程如下頁圖2所示），而帶鋼表面還原程度的保障，需要靠調(diào)節(jié)加熱爐的工藝參數(shù)和煤氣熱值的穩(wěn)定性來共同完成。

圖2　熱鍍鋅鋅層結(jié)構(gòu)及形成示意圖

當(dāng)焦?fàn)t煤氣熱值發(fā)生變化時，在生產(chǎn)中可采取非常規(guī)的空燃比調(diào)整。調(diào)整如下：當(dāng)煤氣熱值大于3800kcal/m3時，爐區(qū)采取自動控制，將空燃比設(shè)定為0.85～0.95；當(dāng)煤氣熱值為3700～3800kcal/m3時，爐區(qū)空燃比設(shè)定調(diào)整見表1；當(dāng)煤氣熱值為3 600～3 700 kcal/m3時，爐區(qū)空燃比設(shè)定調(diào)整見表2；當(dāng)煤氣熱值低于3 600 kcal/m3時，1 h內(nèi)應(yīng)急爐區(qū)空燃比設(shè)定調(diào)整見表3。

表1　煤氣熱值為3 700～3 800 kcal/m3的爐區(qū)空燃比設(shè)定值

表2　煤氣熱值為3 600～3 700 kcal/m3的爐區(qū)空燃比設(shè)定值

表3　煤氣熱值低于3 600 kcal/m3時，1 h內(nèi)應(yīng)急爐區(qū)空燃比設(shè)定值

若煤氣熱值低于3 600kcal/m3持續(xù)1h后，會導(dǎo)致爐溫下降。當(dāng)單區(qū)爐溫低于1200℃后，爐內(nèi)氧化氣氛會隨溫度降低而增加；當(dāng)爐溫在1 000～1 100℃區(qū)間內(nèi)，帶鋼進入弱氧化區(qū)間，表面鍍層附著力會下降；當(dāng)爐溫低于1 000℃后進入氧化區(qū)間，鍍層會由于帶鋼表面殘留物的不穩(wěn)定而呈斷續(xù)脫鋅狀態(tài)，此時必須停機調(diào)整煤氣熱值至正常后再啟動生產(chǎn)線，否則會使產(chǎn)品質(zhì)量處于失控狀態(tài)。

2　無氧化加熱爐燒嘴設(shè)備對鍍層黏附性的影響

邯鋼熱鍍鋅線改良森基米爾法加熱爐無氧化加熱段各區(qū)燒嘴采取上下燒嘴交替分布形式（見圖3）。

圖3　爐區(qū)燒嘴布置圖

隨著加熱爐使用時間的增加，爐區(qū)的耐材和爐殼會發(fā)生變形現(xiàn)象。當(dāng)燒嘴和爐殼出現(xiàn)變形后，燒嘴噴射出的火焰會隨發(fā)生路徑改變。

當(dāng)下燒嘴向上傾斜時會出現(xiàn)火焰接觸帶鋼的情況，將帶鋼局部氧化，而爐區(qū)后部的氫氣又無法對其進行還原，此時火焰接觸部位的鍍層就會沿帶鋼方向的固定部位脫落。

當(dāng)上燒嘴出現(xiàn)向下傾斜時，會發(fā)生和下燒嘴向上傾斜時相同的結(jié)果。

當(dāng)上燒嘴出現(xiàn)向上傾斜時，燒嘴火焰會向上燃燒，當(dāng)傾斜到一定角度時火焰會影響爐頂?shù)母邷赜嬒到y(tǒng)的測溫效果，使高溫計只能檢測到火焰的溫度，而不能檢測到該區(qū)爐膛的溫度。當(dāng)檢測到爐溫較高時，自動控制系統(tǒng)會逐步將該區(qū)的空氣和煤氣的流量下調(diào)，造成爐膛實際溫度降低，加熱效果下降，最終導(dǎo)致帶鋼脫鋅。

當(dāng)燒嘴出現(xiàn)左右傾斜時，會使燒嘴出現(xiàn)火焰干涉現(xiàn)象，對沖的火焰會燒向運行的帶鋼，使帶鋼局部氧化、鍍層局部脫落。

因此，在實際安裝和檢測燒嘴時要對燒嘴的角度進行調(diào)整并限制其角度。目前可根據(jù)帶鋼與燒嘴間的垂直距離調(diào)整安裝角度（如表4）。若安裝角度出現(xiàn)大的偏差，爐膛加熱后會使燒嘴隨著爐殼的變化進一步產(chǎn)生變形，造成爐內(nèi)帶鋼的氧化。

表4　熱鍍鋅加熱爐燒嘴安裝角度表

3　爐區(qū)保護氣體對鍍層黏附性的影響

爐內(nèi)保護氣體主要是指在加熱爐內(nèi)通入的對帶鋼具有保護作用、阻止帶鋼進入鋅鍋前表面被氧化的氣體，一般由氫氣和氮氣（也可以使用氦氣等惰性氣體）按一定比例混合而成，又稱為HNx。在帶鋼連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)過程中，向爐內(nèi)通入適量的氫氣可把帶鋼表面存在的微氧化膜還原，使其表面變成具有活性的海綿純鐵，增強帶鋼的浸鍍結(jié)合力。氮氣作為中性氣體可填充到爐膛的空間內(nèi)，避免空氣的進入，保護帶鋼在加熱爐內(nèi)不被氧化，也可以避免氫氣與氧反應(yīng)產(chǎn)生氫爆。生產(chǎn)線中提供保護氣體的設(shè)施包括氮氫混合站、氮氣分配站、氮氣純化裝置。氮氫混合站是熱鍍鋅生產(chǎn)線中非常重要的配套設(shè)施，關(guān)系到熱鍍鋅生產(chǎn)線的正常運行；氮氣分配站是保證爐外旋轉(zhuǎn)部件密封和停爐安全的一套系統(tǒng)；氮氣純化裝置可以去除氮氣內(nèi)的氧，保證氮氣的純度。這三種配置是根據(jù)鍍鋅的生產(chǎn)工藝要求,專門設(shè)計的一套全自動的控制系統(tǒng)[2]。

開爐前在氮氣中輸入體積分數(shù)為5%的氫氣，啟動爐內(nèi)風(fēng)機使其保持正壓狀態(tài)。當(dāng)爐子出現(xiàn)漏點時將氫氣釋放入大氣內(nèi)，可以檢測爐子的密封性。在生產(chǎn)過程中，熱處理時氫與氧可在任何溫度下反應(yīng)生成水，因此爐內(nèi)的露點會發(fā)生變化，尤其在生產(chǎn)線啟停的過程中露點變化明顯，如圖4。

從生產(chǎn)實際中觀察，若爐內(nèi)露點連續(xù)呈水平狀態(tài)或上升狀態(tài)，則會存在兩種問題。一種是爐內(nèi)冷卻風(fēng)機進口部位為嚴重負壓點，有空氣被吸入，造成爐內(nèi)氧化氣氛，當(dāng)露點高于18℃、氧含量（氧的質(zhì)量分數(shù)）高于50×10-6時會出現(xiàn)漏鋼和脫鋅現(xiàn)象；另一種為高純氮氣內(nèi)混入空氣或氧氣，造成爐內(nèi)露點和氧含量升高，產(chǎn)生脫鋅現(xiàn)象。若出現(xiàn)第二種現(xiàn)象應(yīng)立即開啟氮氣純化設(shè)備的除氧器加熱裝置，將氮氣內(nèi)混入的氧消耗掉，保證正常的生產(chǎn)進行。

圖4　熱鍍鋅線正常開車48 h的露點變化

4　結(jié)語

邯鋼厚板帶熱鍍鋅生產(chǎn)線于2003年投產(chǎn)，是國內(nèi)最早的以熱軋板為基板的鍍鋅線。綜合分析其生產(chǎn)中出現(xiàn)的鍍層黏附性的各種情況及對鍍層黏附性的影響因素并得到了生產(chǎn)實踐的檢驗，很好地保證了熱鍍鋅鍍層的黏附性。

[1]李九嶺.帶鋼連續(xù)熱鍍鋅[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1987：130.

[2]許秀飛.鋼帶熱鍍鋅技術(shù)問答[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：142-171.

（編輯：賀焱）

Analysis of the Influence of Non-oxidizing Furnace on Coating Adhesion of Handan Steel Hot Galvanizing line

ZHANG Hongtao
（Cold Rolling Mill of Handan Iron and Steel Company，Hebei Iron and Steel Group，Handan Heibei 056015）

With the production experience of hot galvanizing base unit in Hangang cold rolling mill,some key factors that affect the adhesion of the coating are analyzed,including the inclination of non-oxidzing furnace burner,the setting of air-fuel ratio in heating furnace and proportion of shielding gas in furnace area,and the solutions of coating ezincification of galvanized products are put forward.

hot dip galvanizing,adhesion,furnace

TG174.44

A

1672-1152（2016）02-0091-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.02.35

2015-12-31

張洪濤（1977—），男，從事熱鍍鋅生產(chǎn)技術(shù)工作，熱鍍鋅線工程師。