連續熱鍍鋅退火爐的節能技術與應用

吳新忠

（天津冶金軋一鋼鐵集團有限公司，天津300201）

連續熱鍍鋅退火爐的節能技術與應用

吳新忠

（天津冶金軋一鋼鐵集團有限公司，天津300201）

簡述了連續式熱鍍鋅退火爐的主要爐型和特點。結合天津冶金軋一華信制鋼有限公司熱鍍鋅退火爐的實際應用情況，分析了NOF法臥式連續退火爐在生產熱軋鋼帶酸洗后，直接熱鍍鋅的退火工藝及燃燒控制方法，并提出了退火爐的節能方法。

熱鍍鋅；退火爐；熱軋酸洗鋼帶；節能技術

1 引言

鍍鋅是金屬防銹的一種非常有效的方法，連續熱鍍鋅則是當今世界發展較快的鍍鋅技術。隨著熱鍍鋅技術的不斷進步，熱鍍鋅帶鋼的用途十分廣泛，目前已涵蓋建筑、汽車、輕工、家電、商品包裝及農牧漁業等多個方面。

連續熱鍍鋅退火爐是帶鋼連續熱鍍鋅生產線的核心部分，該部分要完成鋼帶熱鍍鋅前的退火工藝，退火工藝控制的好壞將直接影響熱鍍鋅帶鋼表面質量與機械力學性能，其tv值是個很重要的參數，在很大程度上決定著生產線的生產率。

2 連續熱鍍鋅退火爐的作用及爐型

2.1 熱鍍鋅連續退火爐主要作用

退火爐在熱鍍鋅線生產工藝中一般有以下4個作用：

（1）將鋼帶在還原性氣氛中加熱到退火溫度，并保持足夠時間，以此來消除冷軋工序產生的加工應力，細化晶粒，調整組織，消除組織缺陷，改善鋼帶機械性能。

（2）爐內退火過程是在氮-氫保護氣氛中完成的，帶鋼表面的氧化膜會被還原成活性海綿鐵狀態，為下一步熱鍍鋅準備好了熱基準表面。

（3）對鋼帶表面進行清潔。在直燒段，鋼帶表面上以軋制油為主的污染物通過明火焰燃燒揮發掉，可以得到清潔的鋼帶表面。

（4）完成退火工藝的鋼帶在退火爐末端通過幾臺急冷風機進行冷卻，迅速將帶鋼降溫至入鋅鍋前所需的溫度，使鋼帶在最佳溫度下完成熱鍍鋅工藝。

2.2 熱鍍鋅生產線所用連續退火爐的主要爐型

連續退火爐從結構形式上可分為臥式爐、立式爐和立臥混合爐三種爐型[1]。

（1）臥式退火爐。臥式退火爐一般分三段：預熱段、加熱段、冷卻段，爐內為無氧化加熱環境。在預熱段，熱煙氣初步預熱帶鋼表面并使油脂揮發。加熱段又可分為明火直燒段（全輻射美鋼聯法無明火段）和輻射管還原加熱段，在燃氣過剩的明火直燒段可以通過高效率的換熱迅速將鋼帶加熱到接近再結晶溫度并進一步去除原板面表面油脂和雜質，然后鋼帶進入充滿按一定比例氮-氫混合氣的輻射管加熱段，把鋼帶繼續加熱到再結晶溫度以上，并保溫均熱，最后鋼帶在冷卻段經過急冷風機進行冷卻到適合入鋅鍋溫度。

（2）連續立式退火爐。為了滿足鍍鋅線產量水平不斷提高的要求，退火爐勢必要提高加熱能力，如果選用臥式爐就要增加其爐長，同時爐子的占地面積、散熱面積都會增加，而且也會給穿帶和糾偏帶來困難。立式爐的引入彌補了臥式爐的不足。

立式退火爐一般由預熱段、加熱段、還原均熱段和冷卻段組成，有些爐子在冷卻段后設有均衡段。爐內也用氮-氫保護氣體還原，采用燃氣輻射管將鋼帶從室溫加熱到退火溫度。經還原均熱段保溫一段時間對鋼帶進行時效處理。冷卻段設置有快冷風機，均衡段設置電加熱體，它們的功能就是得到一個準確的入鋅鍋溫度。

2.3 退火爐爐型選擇

退火爐是鍍鋅工藝中的核心部分，是帶鋼連續熱鍍鋅生產線重要工藝段，因此，退火爐的選型至關重要。退火爐選型時通常可考慮如下的因素：

（1）帶鋼表面的要求：以建筑、交通和電氣機柜為主要用途的鋼帶通常對表面質量要求不是很高，連續熱鍍鋅機組可采用臥式爐；汽車及家電等高級裝飾性表面的熱鍍鋅板一般采用立式爐。

（2）產品的規格和品種：臥式爐的適用性和靈活性較立式爐強，立式爐較適合厚度0.2～2.0 mm規格范圍。

（3）機組的年處理量：立式爐的產量水平要明顯高于臥式退火爐，年產量超過30萬 t熱鍍鋅線必須采用立式爐，而機組的年處理量在20～25萬t以下或退火爐能力在60 t/h以下，多選擇用臥式爐。L型爐的生產能力只比臥式爐稍高一些。

（4）投資的比較：一般情況下，直接燃燒無氧化加熱臥式退火爐要比直接燃燒無氧化加熱立式退火爐投資省15%左右，而直接燃燒無氧化加熱立式退火爐要比全輻射管無氧化加熱立式退火爐節省投資15 %左右。

3 連續式退火爐的應用

天津冶金軋一華信制鋼有限公司現擁有4條改良森吉米爾法熱鍍鋅線。產品為熱軋酸洗直鍍帶鋼及冷軋熱鍍鋅帶鋼，主要用于建筑、C型鋼、焊管、高速公路護欄、電纜橋架用料等。

3.1 爐型選擇

華信公司熱鍍鋅帶主要面向建材結構件、高速公路護欄及管坯用料等，對表面質量、板型要求不高，經綜合考慮選用了NOF法臥式還原退火爐。

熱軋鋼帶經過酸洗線酸洗后，表面干凈，不含鐵粉與油污。本公司采用臥式爐NOF法退火工藝的鍍鋅機組，帶鋼的油污在經過明火加熱時，在1 150 ℃的爐膛溫度下，完全可以揮發掉，因此沒有投用專門的脫脂工序，而且NOF法還具有加熱速度快、熱效率高等優點[2]，對生產較厚規格的熱軋板特別有利，可以節省建設投資和運行費用。

3.2 退火工藝及燃燒控制

由于熱軋已經完成了晶體組織的形成，原帶鋼基板本身是等軸晶粒的組織結構，退火爐的主要作用只是將基板表面的薄層氧化鐵皮還原成適合鍍鋅的活性鐵狀態，而在還原爐內只要溫度高于500 ℃，氧化鐵就可被氫氣還原，所以帶鋼被加熱到550 ℃就能滿足工藝要求。

而對于短流程熱軋基板，借鑒法國斯坦因公司和美國電爐公司的經驗，退火溫度因熱軋卷板的卷取溫度而異[3]。短流程熱軋基板熱鍍鋅退火溫度與卷取溫度的關系見表1。

表1 短流程熱軋基板熱鍍鋅退火溫度與卷取溫度的關系

在連續熱鍍鋅退火爐上，除在無氧化加熱段采用短火焰燒嘴外，其余加熱段均采用燃氣輻射管間接加熱。

軋一華信公司退火爐燒嘴使用兩種燃燒控制方式：在無氧化明火加熱段使用的是雙限幅交叉控制方式，即助燃空氣和煤氣在線檢測并可連續調節，空燃比可直接、準確地調節到所需要求。在還原均熱段使用脈沖燃燒控制，即輻射管燒嘴只工作在開/關兩種狀態下，生產線開車前根據對燒嘴功率、空燃比、噴出速度等要求將燒嘴一次性調至最佳狀態，這樣每次啟動燒嘴時，燒嘴都工作于最佳狀態。控制燒嘴的供熱量是通過改變燒嘴的啟、停時間及各個燒嘴的工作時序完成的，通過輪詢方式自動定時切換使用燒嘴，可以提高輻射管的使用壽命，避免個別輻射管由于長時間連續工作而過早損壞。

在還原段，要嚴格控制爐內保護氣體氮氣與氫氣的混合比例，一般氮氣／氫氣=0.75／0.25，此比值可以根據實際產品情況進行調整，但是氫氣比例不宜過高。若過高，一是增加了安全隱患，二是增加了生產加工成本。

4 連續退火爐的節能技術

熱鍍鋅連續式退火爐排煙溫度高、熱效率低、能耗大是普遍存在的問題，所以退火爐節能技術是企業降低成本、減少排放、增加經濟效益的重要途徑。結合本企業實際情況及目前先進技術的研究與應用，筆者認為在熱鍍鋅連續退火爐節能技術上可以從以下幾方面考慮。

4.1 優化供熱制度

連續退火爐的直燒段熱效率比較高，在還原段靠輻射管加熱熱效率往往比較低。結合這一實際，在實際操作中，要提高直燒段爐溫，一般控制在1 150 ℃左右，在此段將帶鋼加熱到被還原所需的溫度，這樣在還原段僅是保持帶鋼一定還原溫度，盡量少啟用輻射管燒嘴加熱。另外，優化空燃比，在空燃氣管路上分別設有自動調節閥和流量孔板以控制空、煤氣流量，燃燒控制采用雙交叉比例燃燒控制和脈沖控制相結合，進而保持燃燒系統最佳狀態運行。

4.2 在輻射管與燒嘴選型上要求盡量匹配

在退火爐還原段，輻射管與燒嘴選型方面，燒嘴功率與輻射管表面積密切相關，若燒嘴功率選擇大了，易造成煤氣燃燒不充分，在排煙管道中進行二次燃燒，輻射管壽命大大降低；若燒嘴功率選擇小了，輻射管換熱效果不好，熱效率低，所以盡量做到科學合理匹配，既確保煤氣充分燃燒，又保證輻射管充分換熱，一般在燒嘴選型時，按照輻射管表面輻射功率：（3～6）W/cm2來考慮。

4.3 增設余熱鍋爐與使用帶有增強型熱交換器的輻射管

連續退火爐直燒段的排煙溫度高達600 ℃左右，可以利用此部分煙氣通過余熱鍋爐來加熱熱水或生產蒸汽，可有效回收熱源，產生的熱水或者蒸汽可用于鍍鋅后對鍍鋅帶鋼烘干或供生活熱水。

提高助燃空氣溫度，降低排煙溫度的方式是一種比較簡便的措施，是提高輻射管內用于預熱燃燒空氣的熱交換器的換熱能力。空氣進入輻射管熱交換器內，被煙氣預熱后進入燒嘴燃燒，這樣既可以提高燃燒效率，又可以降低排煙溫度。

傳統的低溫空氣換熱器可以將空氣溫度提高到350～400 ℃，而采用增強型熱交換器可以將空氣溫度預熱到650～700 ℃。排煙溫度可以降低70～100 ℃，實現節約煤氣5%～10%。

4.4 退火爐爐體材料選擇

傳統的連續退火爐爐體材料選用粘土磚作為工作層內襯，輕質磚與纖維氈作為保溫層，這樣爐體外皮溫度一般在150 ℃左右，爐體散熱損失比較大。現在多采用耐火纖維預制塊做爐墻內襯，確保了爐墻保溫，這樣爐體外皮溫度可控制在80 ℃以下，實現節能。目前，有的生產線退火爐爐頂也采用耐火纖維預制塊，實踐證明，該預制塊經高溫煙氣沖刷，耐火纖維容易脫落，掉在帶鋼表面上，影響產品質量，因此建議爐頂不要采用該預制塊。

4.5 蓄熱式技術的應用

一般連續熱鍍鋅生產線退火爐使用的燃料是高熱值的焦爐煤氣或天然氣，所以只需采用空氣單蓄熱的預熱方式，在NOF段采用蓄熱式燒嘴，在輻射管加熱/均熱段采用蓄熱式輻射管，可把助燃空氣預熱到1 000 ℃左右，煙氣溫度降低至150℃，使輻射管熱效率由40%提高的80%左右，進一步實現節能。

5 結束語

隨著市場對鍍鋅板帶的需求持續擴大，將不斷有高性能、低成本的熱鍍鋅線建成投產。在保證滿足工藝要求、產量和質量的前提下，企業可根據產品用途、原料類型等自身實際情況采用適合的退火爐技術方案和退火工藝，研究節能措施的應用，降低能源消耗，獲得最佳的經濟效益。

[1] 鄭海燕，陳永弘.熱軋熱鍍鋅退火爐的選型和退火周期的確定[J].河北冶金，2004（1）：18-20.

[2] 李九嶺.帶鋼連續熱鍍鋅[M].3版.北京：冶金工業出版社，2010.

[3] 張玉琴，李學黨.連續熱鍍鋅退火爐設備配置及特點[J].中國重型裝備，2008（3）：48-50.

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Study and Application of Energy Saving Technology of Continuous Hot Galvanizing Annealing Furnace

WU Xin-zhong
（Tianjin Metallurgy Zhayi Iron and Steel Group Co., Ltd., Tianjin 300201, China）

The paper briefly describes the main types and characteristics of continuous hot galvanizing annealing furnace. In combination with the actual application of hot galvanizing annealing furnace at Tianjin Metallurgy Zhayi Huaxin Steel-making Co., Ltd., the author analyzes the annealing process and combustion control method of direct hot galvanizing at NOF method horizontal continuous annealing furnace after the picking of hot rolling strip and puts forward the approaches for energy saving at annealing furnace.

hot galvanizing; annealing furnace; hot rolling; pickling; strip; energy saving technology

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.05.007

2014-06-08

2014-06-28

吳新忠（1980—），男，本科，工程師，主要從事連續熱鍍鋅退火爐退火工藝方面的研究工作。