冷軋熱鍍鋅退火爐節能技術研究

高軍，馬光宇，劉常鵬，張天賦，楊榮強，趙俁

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009；2.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧 鞍山114021）

中國現有280余條熱鍍鋅線，生產能力總計約為5 000萬t，隨著產品競爭日益激烈，企業對連續鍍鋅生產線的工藝與能耗等方面也越來越關注[1]。鞍鋼現有4條鍍鋅生產線，其中4#鍍鋅線退火爐于2007年投入運行，近兩年煤氣單耗出現明顯增加，在生產相同品種情況下，煤氣單耗高于其他產線10.2%。由于熱鍍鋅退火爐煤氣消耗量增加會影響爐子的安全生產及企業的生產成本，對煤氣單耗增加的原因進行了初步分析，認為是退火爐整體加熱效率降低引起的，因此，對鍍鋅退火爐整體加熱能效進行了檢測和診斷，分析了退火爐中各加熱段的溫度、空燃比控制參數及爐墻保溫等方面存在的問題，通過改進工藝參數、優化鍍鋅線退火爐工藝操作和提高燃燒效率等方式，降低了煤氣消耗，實現了節能目的。

1 鍍鋅線退火爐概況

冷軋熱鍍鋅機組1條生產線設計年產量為35萬t。退火爐是鍍鋅生產線的核心設備。鍍鋅線退火爐為立式結構，采用改良森吉米爾法，由無氧化段（含預熱段）、輻射管段、緩冷段、快冷段四部分組成。鍍鋅線退火爐示意圖見圖1。

退火爐主要燃料消耗為無氧化段焦爐煤氣和輻射管段混合煤氣，能耗占鍍鋅線總能耗的65%左右，因此，降低煤氣消耗對鍍鋅線節能尤為重要[2]。

圖1 鍍鋅線退火爐示意圖

2 熱工測試

圍繞退火爐預熱段、無氧化段及輻射管段的熱量收入、支出展開熱工測試。

2.1 測試內容

檢測退火爐燃燒用焦爐煤氣、混合煤氣成分及輻射管段的保護氣體成分；檢測無氧化段和輻射管煙氣成分，主要測試煙氣中的 O2、N2、CO、CO2等成分百分比；通過不同供熱段的測溫電偶孔檢測煙氣、保護氣體溫度；使用紅外熱像儀檢測不同加熱段爐墻溫度。焦爐煤氣、混合煤氣成分檢測點在入燒嘴前焦爐煤氣、混合煤氣管道上；輻射管段的保護氣體成分和溫度檢測點在輻射管段爐墻取出口；無氧化段和輻射管煙氣成份和溫度檢測點分別在無氧化段和輻射管段排煙管道取出口。

2.2 測試方案

由于鍍鋅退火爐尺寸大、爐段多，為了測試的精準性及可操作性，將預熱段、無氧化段作為整體，分別對無氧化段（含預熱段）和輻射管段進行熱量收入、支出分析。熱量收入主要包括燃料化學熱、氮氫保護氣體帶入的物理熱、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、保護氣體帶走熱及冷卻水吸熱等。

2.3 測試結果

分別按照無氧化段（含預熱段）和輻射管段的熱平衡進行測試，測試結果見表1、表2，熱平衡表見表3、表4。由表3、表4可以看出，無氧化段（含預熱段）系統熱效率為58.95%，輻射管段熱效率為帶鋼帶出物理熱-帶鋼帶入物理熱=12.04%。

表1 無氧化段熱平衡測試結果

表2 輻射段熱平衡測試結果

表3 無氧化段（含預熱段）熱平衡表

表4 輻射段熱平衡表

2.4 熱平衡結果分析

2.4.1 無氧化段（含預熱段）燃燒效率分析

（1）根據多次無氧化段的煙氣及焦爐煤氣成分檢測，計算出空氣過剩系數為0.85～0.87，低于生產工藝標準要求的0.90～0.97。空氣過剩系數低，雖可以較好地控制爐內的還原性氣氛，但燃料的利用率會下降，在預熱段后有較多未燃燒煤氣經燒嘴燃燒后通過換熱器排出，造成煤氣浪費。空氣過剩系數與煤氣節約量的關系如圖2所示。

圖2 空氣過剩系數與煤氣節約量的關系

從圖2可以看出，隨著空氣過剩系數的增大，煤氣節約量增多。因此，需要對無氧化段空燃比進行優化，進而提高空氣過剩系數。

（2）檢測發現預熱段換熱器后的排煙溫度為460℃，較高；排煙熱損失為27.55%，較大；換熱器熱效率為26.32%，與常規換熱器熱效率≥30%相比較低。因此，換熱器有較大提升空間，提高換熱效率對降低排煙溫度及節約煤氣有重要意義。

2.4.2 輻射管段燃燒效率分析

對輻射管排煙溫度進行檢測，測試摻冷前煙氣（為保證排煙風機的溫度要求，需要將煙氣摻冷風）溫度為523℃，摻冷后溫度為394℃。從表4可以看出，煙氣量大、溫度高，帶走的物理熱較多，占比為19.48%，排煙熱損失較大。煙氣帶走的物理熱對輻射管熱效率有很大影響，煙氣帶走的物理熱越多，輻射管的熱效率越低。

同時，對輻射管段分區進行摻冷前煙氣及混合煤氣的成分檢測和計算，得出空氣過剩系數為1.35～1.55，高于工藝標準要求的 1.05～1.15，說明有大量的空氣未參加燃燒，由于煙氣整體溫度下降，輻射管表面的溫度也會相應降低，爐膛溫度降低，需布置更多的輻射管以使爐膛保持工藝要求的高溫[1]。為了在不增加輻射管布置的前提下保持高溫，考慮通過優化輻射管段空燃比系數，提高輻射管段燃燒效率。

2.4.3 各加熱段爐墻散熱檢測

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。耐火材料老化破損會增加爐墻的散熱量，降低熱效率。對爐體表面進行溫度檢測，各段爐體表面溫度均較高，爐體表面散熱損失較大。從表3、表4可以看出，連退爐無氧化段（含預熱段）和輻射管段爐體表面散熱損失分別為14.54%、9.15%。溫度檢測結果表明，無氧化段及輻射管段爐墻局部最高溫度分別達到228℃、301℃，說明爐內保溫磚及耐材發生脫落、破損，造成爐體散熱損失大，需要在停爐檢修過程中對該部分保溫磚及耐火材料進行處理。

3 鍍鋅線退火爐節能技術方案

3.1 無氧化段及預熱段優化

3.1.1 提高無氧化段空氣過剩系數

無氧化段由于熱值波動及儀表測量值不準確，空氣過剩系數較低，需適當提高無氧化段空氣過剩系數，通過控制爐內氣氛為弱氧化狀態，來滿足生產要求。一方面，修改程序中空燃比系數來提高空氣過剩系數；另一方面，在煤氣入爐在線熱值分析儀上，手動調整操作畫面上的空氣過剩系數，使其在0.95上下，實現無氧化段空氣過剩系數為0.95的目標，降低煤氣消耗。

3.1.2 預熱段換熱器維護

換熱器效率低會造成空氣預熱溫度低，影響燃燒效果。檢修期間，對預熱段換熱器進行清洗，并采取查漏維修措施；年修期間，對換熱器進行更換。預計實現空氣預熱溫度提高50～70℃左右的目標。

3.2 輻射管段優化

3.2.1 降低輻射管段空氣過剩系數

輻射管段空氣過剩系數大，高于工藝標準要求，應依據檢測結果重新調整空燃比，從而降低空氣過剩系數。一方面，改進燃燒空燃比設定，適當調低空燃比系數；另一方面，調整燒嘴負荷平衡，制定負荷平衡調整方法，優化燃燒系統加熱效率，保證每個輻射管均能進行均勻的熱功率轉換，使鋼板均勻加熱，同時，防止輻射管過溫燒壞。

3.2.2 輻射管段結構優化

通過標定煤氣測量儀表，測量每個燒嘴的煤氣和空氣的孔板流量，并對節流螺絲和空氣手閥進行調整，使其滿足平均分配流量的要求。針對煤氣調節閥門開不到位、煤氣閥門卡堵、煤氣量檢測儀表不準確等問題，對閥門及檢測儀表進行維修和校準。通過調整輻射管燒嘴負荷平衡，優化空氣、煤氣混合的比例和速度，將燒嘴火焰拉長，避免產生高溫區，提高產品加熱質量，大大延長輻射管使用壽命[3]。

3.3 減少爐墻表面散熱

一般情況下，鍍鋅退火爐輻射管段側墻與爐頂采用平鋪多層纖維毯，由錨固釘固定在爐殼上，外襯為不銹鋼襯板。錨固釘與爐殼焊接且貫穿整個耐火材料厚度[4]。為了方便爐子檢修，爐底采用耐火磚的砌磚結構。由于爐墻散熱損失嚴重，通過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，并及時將受損部位更替為耐火陶瓷纖維折疊塊，對爐墻保溫情況進行完善，減少爐墻表面散熱[5]。

4 實施效果

改進前后退火爐爐體表面平均溫度如表5所示，爐墻的散熱損失明顯減少。

表5 改進前后退火爐爐體表面平均溫度 ℃

實施各項鍍鋅線退火爐節能技術措施后，無氧化段空氣過剩系數提高至約0.95，預熱段換熱器效率提高了3%～4.5%，輻射管段空氣過剩系數降至1.10～1.15范圍，輻射管段熱效率提高了2%～3%，鍍鋅線退火爐煤氣單耗由0.955 GJ/t降為0.927 GJ/t，年節約煤氣9 800 GJ，節能效果顯著。

5 結論

對鞍鋼冷軋熱鍍鋅線退火爐預熱段、無氧化段和輻射管段進行了熱工測試和燃燒效率分析。通過優化程序中空燃比控制系數，將無氧化段空氣過剩系數提高至0.95左右，提高了燃料的利用率；將輻射管段空氣過剩系數降低至1.10～1.15范圍，提高了輻射管的熱效率。爐墻維護處理后，散熱損失明顯減少。鍍鋅線退火爐煤氣單耗由0.955 GJ/t降為 0.927 GJ/t，年節約煤氣 9 800 GJ，節能效果顯著。