浅析减少锌蒸气对镀锌和镀铝锌退火炉影响的优化设计

(赛迪热工环保工程技术有限公司，重庆 401122)

1 锌灰对镀锌的影响和现状

锌灰在低温凝结后掉下来污染板面，造成表面缺陷，和锌锅锌渣的影响是同样严重的。锌的氧化温度为225 ℃，熔点为419.5 ℃；变成氧化锌后熔点为1 925 ℃。

针对镀锌机组，锌锅温度为460 ℃，带钢经锌鼻子的入锅温度为460～470 ℃，这一温度所产生的锌蒸气不是太多，对板面影响也不严重，因此大多数机组没有专门针对锌灰的。如图1所示，多数镀锌机组为热张紧辊室和锌鼻子配备了足够的加热器，锌鼻子内部有氮气通入，多数没有考虑气体加热，但张力辊室内部温度始终高于锌的凝结温度，锌蒸气没有凝结的条件，这是目前镀锌普遍采用的技术。

图1 镀锌的加热器配置

但锌蒸气仍然会产生，快冷段温度低于锌蒸气凝结温度，为防止锌蒸气影响快冷段，同时针对越来越高的板温控制精确要求，都设有一个小的均衡段，见图2。

图2 镀锌的均衡段配置

均衡段可以将快冷段和张力辊室有效隔开，防止锌灰进入冷却段凝结，影响冷却段换热器的工作。

但锌蒸气的产生是客观存在的，如何最大限度消除锌蒸气是生产高质量镀锌板的要求，同时也为未来的镀铝锌和锌铝镁产品制定了标准和工艺要求。

2 镀锌机组为防止锌灰的影响所采取的的方法

2.1 锌鼻子保护气体氮气加热的和加湿

其基本原理是锌的氧化温度为225 ℃，熔点为419.5 ℃；变成氧化锌后熔点为1 925 ℃，利用这一特点将加湿后的氮气加热到225 ℃以上，利用化学反应方程式(1)所示形成ZnO。

Zn+H2O=ZnO+H2

(1)

ZnO会以固态形式回落到锌鼻子内部的液体面上，和锌渣一起存在；保护氮气的露点为-60 ℃，为增加化学反应需要的氧化剂，要将露点控制在-20 ℃，则需要加入水蒸气，通过加湿器或者蒸汽通入的办法控制露点，水蒸气和锌蒸气反应生成氧化锌和氢气，这一反应为氧化反应，不需要额外补入热量；这一过程为可逆过程，所产生的氧化锌落入锌鼻头内，因此镀锌机组采用氮气加湿和低温加热(225 ℃)系统来消除锌蒸气是稳定成熟的，产生的氧化锌由于高熔点，以固态存在，但长期堆积在锌鼻子熔腔内部也会对锌锅和板面造成负面影响，因此必须有效去除，这就衍生了一项技术——锌液循环泵，可以有效形成锌鼻子熔腔内部和锌锅的锌液循环，通过捞渣的方法有效去除，也就是说，锌蒸气通过气体加湿反应生成氧化锌，回落锌鼻子熔腔，通过锌液循环泵带出来，通过锌锅的捞渣以浮渣的形式有效去除，这是去除镀锌锌蒸气对板面影响的非常有效的方法，但控制氮气温度和露点就是本技术的关键点，针对镀锌机组，将氮气控制在250 ℃，露点控制在-20～-25 ℃是很容易做到的。

2.2 防止锌蒸气进入快冷段

均衡段可以有效分隔热张力辊和快冷段，但这一设计需要足够的位置，因此需增加BGHB隔板，如图3所示。

图3 BGH隔板的配置

增加BGH隔板可以有效将热张紧辊室和快冷段有效隔离，包括炉压隔离和温度隔离，这样就需要为BGH前后设置不同的保护气体供入点，同时需要根据锌鼻子的保护气体通入情况判断是否需要加热和加湿，但需要注意的是锌鼻子保护气体采用了低温加热(225 ℃)和加湿工艺。

为了减少锌蒸气氧化后在炉鼻子内部锌液面漂浮、黏附在带钢上，设置锌液泵抽出锌灰，减少黏附在带钢表面的杂质[1]。

上述技术针对较高质量要求的镀锌机组完全满足生产要求，因此完整的镀锌机组针对锌蒸气的较完善的应对之策如下：

(1)氮气低温加热系统(225 ℃)和合适的加湿系统(-20 ℃露点)；

(2)配有均衡段和BGH隔板。

3 针对镀铝锌(Galvalume，55%Al)的实践和探索

理论上讲，防止锌灰凝结，镀锌和镀铝锌(Galvalume，55%Al)的机理是一样的，通过保护气体加湿和加热，与锌蒸气进行同样的化学反应，所产生的ZnO落入锌鼻头内，通过内部循环泵将锌灰带出，通过捞渣带出，这一方法理论上是可行的。

这一实验在某国营大厂反复实践，并有国外著名公司参与，但其效果甚微；暴露了诸多问题，具体如下：

(1)受铝的熔点影响，镀铝锌的入锅温度提高到600 ℃，而镀锌入锅温度为460 ℃，导致锌蒸气的产生呈几何级数增长。

(2)继续采用低温氮气加热(225 ℃)和加湿设计已经无法满足要求，首先低温的保护气体通入会造成局部板低温，使成涂镀不均；其次提高温度后同时造成板面氧化，需要通入氢气进行平衡，同时还原反应是需要热量补入的，因此补入的热量需要加大。

(3)产生的氧化锌即使是回落到锌鼻子内部，此温度段的循环泵还不能满足600 ℃铝锌液的腐蚀和流动要求，基本在极短时间内就报废了(这是在某国营大厂实验的结果)。

4 针对镀铝锌的上述问题所采取的对策

根据上述分析，目前通过加湿的方法造成锌灰回落，但回落后的锌灰无法及时从锌鼻子内部抽出，主要是铝锌液循环泵目前还不能得到彻底解决，因此认为该技术还不成熟[2]。但保护气体加热技术已经相对成熟了，具体有以下措施：

(1)针对某国营大厂，目前采用的技术为保护气体高温加热(450～600 ℃)，而且是高氢系统(45%H2+55%N2)，配合新增的BGH隔板造成热张紧辊室及锌鼻子温度独立、保护气体独立，炉压独立，不影响快冷段及全炉。采用图4所示的保护气体，最高气体温度为600 ℃，且不受氢含量的限制。

(2)BGH隔板将热张紧辊室和锌鼻子形成了高压腔，温度不低于580 ℃，通过和环境的压差将含有锌蒸气的保护气体通过管道和阀门外排，但阀门和外排系统不能堵塞，需要增加保温电加热系统和足够的保温，同时因为含有氢气，为防止回火防爆，需要点火系统将外排的保护气体点燃，但外排的量非常有限，通过点燃火炬的方法将含锌蒸气的保护气体烧掉，可以有效解决锌蒸气排放问题，但该方法的致命缺点是出口阀门极易受到锌蒸气凝结而无法转动，甚至堵塞，清理工作很繁重，如图5所示的锌蒸气外排系统成为一种有效的消除锌蒸气对板面影响的方法。

图4 保护气体前处理系统

图5 锌蒸气外排系统

(3)锌灰循环冷却过滤回用。未来将开发一种锌灰过滤回用系统，首先抽出的含锌灰的保护气体温度不能低于419.5 ℃，采用316 L的设计是满足要求的。其次，冷却系统也可以达到要求，接下来进行过滤。循环泵涉及较高的氢气含量，如何解决循环系统泄露的问题就是关键，尤其是循环风机，但这一技术可以借鉴罩式炉全氢风机的设计设计点，采用plug-in的设计是可以解决的，也在无法杜绝漏气和爆炸危险之前慎用该技术。

5 结 论

(1)镀锌机组采用低温加热氮气系统，配合加湿系统，是安全实用的；但需要配合锌液循环泵才可以完全消除锌蒸气对板面的影响。

(2)镀铝锌采用的加热系统针对高氢，同时温度必须达到450 ℃；结合锌鼻子的加热和保温，确保无死角，锌蒸气没有凝结的位置。

(3)BGH隔板是必要的，同时锌鼻子和热张紧辊室配置独立系统。

(4)保护气体加湿技术在锌液循环泵没有解决之前是没有必要采用的。

(5)含锌蒸气的保护气体外排设计要慎重，确保锌蒸气未得到有效处理前，不能低于450 ℃，以防止火炬堵塞。

(6)针对含有锌蒸气保护气体的plug-in的循环风机是亟待开发的。