淺析減少鋅蒸氣對鍍鋅和鍍鋁鋅退火爐影響的優化設計

(賽迪熱工環保工程技術有限公司，重慶 401122)

1 鋅灰對鍍鋅的影響和現狀

鋅灰在低溫凝結后掉下來污染板面，造成表面缺陷，和鋅鍋鋅渣的影響是同樣嚴重的。鋅的氧化溫度為225 ℃，熔點為419.5 ℃；變成氧化鋅后熔點為1 925 ℃。

針對鍍鋅機組，鋅鍋溫度為460 ℃，帶鋼經鋅鼻子的入鍋溫度為460～470 ℃，這一溫度所產生的鋅蒸氣不是太多，對板面影響也不嚴重，因此大多數機組沒有專門針對鋅灰的。如圖1所示，多數鍍鋅機組為熱張緊輥室和鋅鼻子配備了足夠的加熱器，鋅鼻子內部有氮氣通入，多數沒有考慮氣體加熱，但張力輥室內部溫度始終高于鋅的凝結溫度，鋅蒸氣沒有凝結的條件，這是目前鍍鋅普遍采用的技術。

圖1 鍍鋅的加熱器配置

但鋅蒸氣仍然會產生，快冷段溫度低于鋅蒸氣凝結溫度，為防止鋅蒸氣影響快冷段，同時針對越來越高的板溫控制精確要求，都設有一個小的均衡段，見圖2。

圖2 鍍鋅的均衡段配置

均衡段可以將快冷段和張力輥室有效隔開，防止鋅灰進入冷卻段凝結，影響冷卻段換熱器的工作。

但鋅蒸氣的產生是客觀存在的，如何最大限度消除鋅蒸氣是生產高質量鍍鋅板的要求，同時也為未來的鍍鋁鋅和鋅鋁鎂產品制定了標準和工藝要求。

2 鍍鋅機組為防止鋅灰的影響所采取的的方法

2.1 鋅鼻子保護氣體氮氣加熱的和加濕

其基本原理是鋅的氧化溫度為225 ℃，熔點為419.5 ℃；變成氧化鋅后熔點為1 925 ℃，利用這一特點將加濕后的氮氣加熱到225 ℃以上，利用化學反應方程式(1)所示形成ZnO。

Zn+H2O=ZnO+H2

(1)

ZnO會以固態形式回落到鋅鼻子內部的液體面上，和鋅渣一起存在；保護氮氣的露點為-60 ℃，為增加化學反應需要的氧化劑，要將露點控制在-20 ℃，則需要加入水蒸氣，通過加濕器或者蒸汽通入的辦法控制露點，水蒸氣和鋅蒸氣反應生成氧化鋅和氫氣，這一反應為氧化反應，不需要額外補入熱量；這一過程為可逆過程，所產生的氧化鋅落入鋅鼻頭內，因此鍍鋅機組采用氮氣加濕和低溫加熱(225 ℃)系統來消除鋅蒸氣是穩定成熟的，產生的氧化鋅由于高熔點，以固態存在，但長期堆積在鋅鼻子熔腔內部也會對鋅鍋和板面造成負面影響，因此必須有效去除，這就衍生了一項技術——鋅液循環泵，可以有效形成鋅鼻子熔腔內部和鋅鍋的鋅液循環，通過撈渣的方法有效去除，也就是說，鋅蒸氣通過氣體加濕反應生成氧化鋅，回落鋅鼻子熔腔，通過鋅液循環泵帶出來，通過鋅鍋的撈渣以浮渣的形式有效去除，這是去除鍍鋅鋅蒸氣對板面影響的非常有效的方法，但控制氮氣溫度和露點就是本技術的關鍵點，針對鍍鋅機組，將氮氣控制在250 ℃，露點控制在-20～-25 ℃是很容易做到的。

2.2 防止鋅蒸氣進入快冷段

均衡段可以有效分隔熱張力輥和快冷段，但這一設計需要足夠的位置，因此需增加BGHB隔板，如圖3所示。

圖3 BGH隔板的配置

增加BGH隔板可以有效將熱張緊輥室和快冷段有效隔離，包括爐壓隔離和溫度隔離，這樣就需要為BGH前后設置不同的保護氣體供入點，同時需要根據鋅鼻子的保護氣體通入情況判斷是否需要加熱和加濕，但需要注意的是鋅鼻子保護氣體采用了低溫加熱(225 ℃)和加濕工藝。

為了減少鋅蒸氣氧化后在爐鼻子內部鋅液面漂浮、黏附在帶鋼上，設置鋅液泵抽出鋅灰，減少黏附在帶鋼表面的雜質[1]。

上述技術針對較高質量要求的鍍鋅機組完全滿足生產要求，因此完整的鍍鋅機組針對鋅蒸氣的較完善的應對之策如下：

(1)氮氣低溫加熱系統(225 ℃)和合適的加濕系統(-20 ℃露點)；

(2)配有均衡段和BGH隔板。

3 針對鍍鋁鋅(Galvalume，55%Al)的實踐和探索

理論上講，防止鋅灰凝結，鍍鋅和鍍鋁鋅(Galvalume，55%Al)的機理是一樣的，通過保護氣體加濕和加熱，與鋅蒸氣進行同樣的化學反應，所產生的ZnO落入鋅鼻頭內，通過內部循環泵將鋅灰帶出，通過撈渣帶出，這一方法理論上是可行的。

這一實驗在某國營大廠反復實踐，并有國外著名公司參與，但其效果甚微；暴露了諸多問題，具體如下：

(1)受鋁的熔點影響，鍍鋁鋅的入鍋溫度提高到600 ℃，而鍍鋅入鍋溫度為460 ℃，導致鋅蒸氣的產生呈幾何級數增長。

(2)繼續采用低溫氮氣加熱(225 ℃)和加濕設計已經無法滿足要求，首先低溫的保護氣體通入會造成局部板低溫，使成涂鍍不均；其次提高溫度后同時造成板面氧化，需要通入氫氣進行平衡，同時還原反應是需要熱量補入的，因此補入的熱量需要加大。

(3)產生的氧化鋅即使是回落到鋅鼻子內部，此溫度段的循環泵還不能滿足600 ℃鋁鋅液的腐蝕和流動要求，基本在極短時間內就報廢了(這是在某國營大廠實驗的結果)。

4 針對鍍鋁鋅的上述問題所采取的對策

根據上述分析，目前通過加濕的方法造成鋅灰回落，但回落后的鋅灰無法及時從鋅鼻子內部抽出，主要是鋁鋅液循環泵目前還不能得到徹底解決，因此認為該技術還不成熟[2]。但保護氣體加熱技術已經相對成熟了，具體有以下措施：

(1)針對某國營大廠，目前采用的技術為保護氣體高溫加熱(450～600 ℃)，而且是高氫系統(45%H2+55%N2)，配合新增的BGH隔板造成熱張緊輥室及鋅鼻子溫度獨立、保護氣體獨立，爐壓獨立，不影響快冷段及全爐。采用圖4所示的保護氣體，最高氣體溫度為600 ℃，且不受氫含量的限制。

(2)BGH隔板將熱張緊輥室和鋅鼻子形成了高壓腔，溫度不低于580 ℃，通過和環境的壓差將含有鋅蒸氣的保護氣體通過管道和閥門外排，但閥門和外排系統不能堵塞，需要增加保溫電加熱系統和足夠的保溫，同時因為含有氫氣，為防止回火防爆，需要點火系統將外排的保護氣體點燃，但外排的量非常有限，通過點燃火炬的方法將含鋅蒸氣的保護氣體燒掉，可以有效解決鋅蒸氣排放問題，但該方法的致命缺點是出口閥門極易受到鋅蒸氣凝結而無法轉動，甚至堵塞，清理工作很繁重，如圖5所示的鋅蒸氣外排系統成為一種有效的消除鋅蒸氣對板面影響的方法。

圖4 保護氣體前處理系統

圖5 鋅蒸氣外排系統

(3)鋅灰循環冷卻過濾回用。未來將開發一種鋅灰過濾回用系統，首先抽出的含鋅灰的保護氣體溫度不能低于419.5 ℃，采用316 L的設計是滿足要求的。其次，冷卻系統也可以達到要求，接下來進行過濾。循環泵涉及較高的氫氣含量，如何解決循環系統泄露的問題就是關鍵，尤其是循環風機，但這一技術可以借鑒罩式爐全氫風機的設計設計點，采用plug-in的設計是可以解決的，也在無法杜絕漏氣和爆炸危險之前慎用該技術。

5 結 論

(1)鍍鋅機組采用低溫加熱氮氣系統，配合加濕系統，是安全實用的；但需要配合鋅液循環泵才可以完全消除鋅蒸氣對板面的影響。

(2)鍍鋁鋅采用的加熱系統針對高氫，同時溫度必須達到450 ℃；結合鋅鼻子的加熱和保溫，確保無死角，鋅蒸氣沒有凝結的位置。

(3)BGH隔板是必要的，同時鋅鼻子和熱張緊輥室配置獨立系統。

(4)保護氣體加濕技術在鋅液循環泵沒有解決之前是沒有必要采用的。

(5)含鋅蒸氣的保護氣體外排設計要慎重，確保鋅蒸氣未得到有效處理前，不能低于450 ℃，以防止火炬堵塞。

(6)針對含有鋅蒸氣保護氣體的plug-in的循環風機是亟待開發的。