热镀锌炉鼻尖加湿系统技术优化

2021-03-08姜希伟秦凤华

工业炉 2021年1期

武斌，姜希伟，秦凤华

（中冶南方（武汉）热工有限公司，湖北武汉 430223）

当锌锅中的锌液被加热到一定温度以上或者带钢从连退炉经炉鼻子进入锌锅导致与锌液面接触部位温度较高时，锌液面会不断挥发出锌蒸汽。锌蒸汽在炉内区域会发生凝结，随着时间延长会逐渐增厚，在振动或者炉压波动等不稳定因素影响下，逐渐增厚的锌灰松动掉落在带钢上表面，产生多种表面质量缺陷，如炉鼻子处的锌蒸汽和灰尘将造成彗星缺陷；液态锌表面的颗粒或者氧化粉带钢的表面形成渣滓等缺陷。其中由于锌蒸汽和灰尘造成的彗星缺陷较为常见。

为解决这类问题，要对带钢进入锌锅前的温度及炉鼻子内的温度进行控制，一般在炉鼻子内增设加湿装置，抑制锌蒸汽挥发。

1 工作机理

带钢进入锌锅处的锌蒸汽流量与锌锅处的饱和锌蒸汽与锌锅上方锌颗粒的压力差成正比。锌的流量与带钢入锌锅处的表面积成正比，以及与边沿层的扩散成正比。锌蒸汽的产生量随带钢入锌锅处的气体流速增大而增加，为此，不推荐在锌锅处带钢浸入点或者炉鼻子内注入大量新鲜的保护气体。

1.1 抑制锌蒸汽方式

（1）CO-CO2注入：利用 CO-CO2混合气氛的分压大于锌蒸汽分压，抑制锌蒸汽的挥发。该方式简单可行，但抑制锌蒸汽挥发效果一般。

（2）加湿后的HN 保护气体：通过水蒸气与锌表面发生化学反应，产生氧化锌膜抑制锌蒸汽产生及挥发。该方式结构简单，通过化学反应抑制锌蒸汽，效果显著。

（3）抽取被锌灰污染的HN 保护气体：通过及时抽取锌灰污染的HN 气氛，降低锌蒸汽挥发产生的不良影响。该方式结构较复杂，锌蒸汽实现了及时排除，但未起到抑制锌蒸汽挥发的作用。

（4）N2密封：通过设置密封节流通道并注入惰性气氛，形成密封帘式气幕阻止锌蒸汽挥发至上部通道。该方式结构较复杂，效果良好，但锌鼻子节流通道更为狭窄，带钢上下抖动时表面易被节流通道划伤。

（5）对低温区气氛的抽取和冷凝：锌蒸汽向上部通道挥发的过程中，温度逐渐下降并部分凝结，如果凝结到带钢表面就会影响带钢表面质量。为此，要及时在低温区将锌蒸汽进行抽取并单独冷凝，避免其继续挥发影响带钢。该方式结构复杂，需要额外的抽取设备，且未达到抑制锌蒸汽的效果。

综合对比上述方式，以“通过加湿后的HN 保护气体”来控制炉鼻子处的锌蒸汽量的方式最为理想，得到普遍使用。从炉鼻子的底部注入加湿后的HN保护气体，使其接近锌液的表面。注入气体中的水蒸气氧化锌锅上面的锌，从而限制了锌蒸汽的挥发。

注入加湿后的HN 保护气体时，炉鼻子处的露点必须维持在一定范围内，一般在-15～-20 ℃，根据不同的工况和当地的气候进行适当调整。

1.2 技术比较

国内现有的大型热镀锌机组，采用的加湿系统大多源自外方等技术成熟的厂家，其相关的工艺流程基本一致，详见图1，参数对比见表1。

图1 典型工艺流程示意图

表1 国外厂家技术参数

由表1 可知，国外厂家对加湿系统的设置区别不大，也能很好地投入到机组生产中。然而，在长期的运行中，发现有相关技术方面可进行改进，现一一阐述。

2 技术优化

2.1 干湿气氛混合优化

干气氛接入加湿系统进气主管后分为两路：一路要经加湿罐后成为湿气氛，另一路不经过加湿罐，为干气氛。干湿气氛混合前，因为经过加湿罐的保护气氛要克服加湿过程中的阻力损失，致使出加湿罐后压力大大降低，而未经过加湿罐的气氛则压力相对较高，造成二者在混合时不易快速均匀混合完成。

为此，采用两方面的措施解决上述问题：

（1）在不经过加湿罐的气氛管路上增设减压阀；

（2）在干湿气氛混合处设置管道混合器。

工艺流程如图2 所示。

图2 干湿气氛混合流程示意图

2.2 气氛再加热

干湿气氛混合后，一般干球温度在15～20 ℃，在通入炉鼻尖时，温度相对于锌蒸汽温度太低，造成部分锌蒸汽易凝结在带钢表面，对质量产生不利影响。为此，在混合后保护气体通入炉鼻尖之前，设置有管道加热器再加热，尽可能减小保护气体与锌蒸汽温度差。

通过管道加热器，最高将保护气体加热到400℃以上后通入炉鼻尖，既缩小了与炉鼻尖内部锌蒸汽的温差，同时也提高了保护气体的含湿能力，更好地抑制锌蒸汽的产生。

管道混合器利用可控硅控制功率输出，满足不同工况条件和气候条件的要求。管道电加热器设置为常开形式，当系统停止运行，出气阀关闭时，加热器自动关闭，防止干烧。

2.3 露点闭环控制

热镀锌加湿系统可实现露点的闭环控制，露点与干湿气氛流量闭环控制，在操作界面设定露点值，干湿气氛流量自动调节，也具备手动调节的功能。加湿系统的控制、露点的控制可设置到操作界面。

首先检测气氛参数，包括混合前各气氛的流量、干球温度、露点温度，混合后气氛的总流量、干球温度及露点温度；其次，对各混合前气体进行流量调节，设置流量自动调节阀；再次，要对露点控制的模块升级，增加露点计算的核心数学模型，实现对各混合前气氛的流量自动设定。各气氛管道上的流量调节阀动作，按设定值调节流量；最后，混合气氛露点计算的模块有自学习功能，按照实际检测的露点温度对理论计算模型不断修正，实现最终的精准快速控制。

加湿系统露点计算核心数学模型如下：本计算按两种不同露点的气氛做说明，事实上两种以上的不同露点的气氛计算原理一致。

计算混合气氛露点核心模块如下：

上述方程组中，各参数的意义见表2。

表2 各参数的意义

数学模型计算的干球温度、露点温度以及流量等与混合总管上实测数值进行比较，对模型的计算参数进行修正，修正结果会在下次流量设定值计算中使用。

通过该项技术，可按露点目标值快速对各不同露点的气氛按流量进行配比，在达到目标露点过程中，调节精度高，响应速度快，避免了按操作经验反复配比，节约保护气氛用量。另外，可针对于不同的季节温度和生产条件对露点目标值快速响应，保障带钢生产质量。

2.4 除锌渣装置

除锌渣装置主要有锌锅液位检测系统、除锌泵、炉鼻尖内部导向板与沟槽设置。锌灰泵功率与锌锅液位连锁控制与检测。

炉鼻子内设置有导向板和沟槽，在炉鼻子的内部上侧安装有喷管，喷管喷入气流的下沿将带钢与锌液液面的交界处覆盖，在炉鼻子的下端内设有沟槽，沟槽底部与炉鼻子与除锌泵入口管相连，除锌泵出口管与炉鼻子之外锌液连通。

该技术应用原理：带钢从炉鼻子的内部穿过时，喷管喷入加湿的保护气氛，加湿的气氛喷在带钢与锌液液面的交界处，一方面含湿的气体对与带钢接触的锌液进行氧化反应，抑制锌蒸汽的产生。另一方面，即使炉鼻子内的锌液在钢带的高温下蒸发后形成了锌蒸汽，但是锌蒸汽被加湿气氛裹挟而不易上升，凝结在炉鼻子内壁上。覆盖在带钢的锌灰及浮在锌液表面的锌灰吹向沟槽。沟槽内的含有锌灰及其他杂质的锌液在吸灰泵的作用下通过泵入口管、泵出口管排出到炉鼻子外的锌中。

一般除锌泵为真空叶片泵（含气动马达）两用一备，流量Q=24～48 m3/h，扬程L=30 m，最大转速n=1 450 r/min，输出功率2.5 kW，工作温度460 ℃。