高铝热镀锌锌灰对立式退火炉的影响与应对方案的研究

高铝热镀锌锌灰对立式退火炉的影响与应对方案的研究

陈浩杰

宝钢湛江钢铁有限公司 广东 湛江 524002

摘要：本文通过对高铝热镀锌锌灰在立式退火炉的影响进行分析，通过对应用实际情况的梳理总结，明确锌灰的确实影响，同时对可执行的应对方案从现有应用案例进行评估。通过本文可指导配备立式退火炉的高铝热镀锌产线的锌灰攻关方向。

关键词：锌灰；高铝锌铝镁

引 言

热浸镀工艺是最多应用于镀锌、镀铝硅等镀层的传统工艺，应用于镀锌上面通常称之为热镀锌工艺。同时根据镀层中铝含量的占比，将以锌为主的镀层分类为高铝、中铝、低铝镀层，高铝热镀锌产品主要指镀铝锌产品和高铝锌铝镁产品。高铝热镀锌产品普遍用于建筑行业，由于优良的室外耐腐蚀性能，深受用户的喜爱。而高铝热镀锌产品的生产有着较严苛的生产要求，需要一整套先进设备来进行生产控制，保证产品质量与稳定运行。炉鼻子处发生大量锌灰蒸发是制约高铝热镀锌产线稳定运行的主要问题之一，均需制定相应的措施以减少锌灰影响。

1 现状

这里说的高铝热镀锌产品主要指镀铝锌产品和高铝锌铝镁产品，从成分体系发展来说，高铝锌铝镁是镀铝锌的升级产品。国内生产镀铝锌产品的有烨辉公司、宝钢股份宝山和梅山基地等，生产高铝锌铝镁产品的有博思格、宝钢股份东山基地等，由于两者成分上的一系相承，在生产工艺和设备上是基本一致的。产线布置基本都是前清洗、退火炉、锌锅、平整、后处理，等等，见图一。

图一 产线布置图

以某钢厂的镀铝锌机组为例，该机组入口清洗段构成为卧式碱浸+碱刷+电解清洗+热水刷洗+漂洗，之后进入卧式退火炉，退火炉主要由NOF段、辐射管加热段、冷却段构成，之后通过炉鼻子将带钢送入锌锅，锌锅有主锅和预熔锅组成，均为圆锅形状，之后通过镀后冷却塔，再进入平整、后处理等各段出口工序。这种形式也是目前镀铝锌产品和高铝锌铝镁产品的主要产线构成。

锌灰指的是在还原性气氛下炉鼻子内部锌液面形成的锌蒸汽，在蒸发后接触到低温区域所形成的灰尘状或颗粒状的锌粉积聚。如炉鼻子上部存在的部分低温区域会产生锌灰的积聚，在收到气流影响或设备振动的因素掉落到锌液面时，严重时会造成带钢表面有不符合质量要求的锌灰缺陷，一般呈现为片状或条状，并且当锌灰大量蒸发时甚至会污染炉子，形成炉内辊印缺陷。长时间锌灰积累的情况下，会影响炉内如换热器等设备的稳定运行。某镀铝锌机组发生卧式退火炉冷却段换热器堵塞情况，造成产线停机紧急更换换热器。目前该机组定期对换热器进行检查与更换。

图二 换热器锌灰堵塞情况

宝钢东山基地在20年新增了高铝锌铝镁品种，其退火炉是法国斯坦因公司的立式退火炉，这在国内来说是高铝产线的首次变革，立式退火炉与卧式退火炉在加热与冷却的设备布局与应用上存在极大差异，锌灰的影响会以什么样的状况呈现出来是一个值得研究的课题。

2 对立式退火炉的影响

这里根据宝钢东山基地的高铝锌铝镁产线生产情况，对立式退火炉情况中锌灰的影响进行梳理总结。

2.1 锌灰的分布与分析

根据多次开炉跟踪，锌灰主要分布在冷却段至炉鼻子段，如图三所示。

图三 立式退火炉示意图（锌灰见点线）

对各段的锌灰异物取样进行微观分析如下：

图四 锌灰样与微观照片

1#、 2#、 3#、 4#锌灰的相组成均为 Zn 相和 ZnO 相， 主要相为Zn 相； 1#、 2#锌灰的 ZnO 相较高， 约 10-20%； 3#、 4#锌灰的 ZnO 相较少， 5%以下。

2.2 锌灰影响情况

根据生产跟踪，已明确由于锌灰造成的影响情况如下：

（1）CPC设备发生信号故障，CPC是炉内的纠偏装置简称，该设备通过检测带钢位置，反馈位置信号后通过执行机构对CPC炉辊进行移动，起到对带钢纠正到正中的作用。跟踪发现安装在炉壁上的绝缘块会积聚锌灰，因锌灰导电，造成信号故障，最终导致CPC设备无法使用。

图五 绝缘块锌灰积聚

（2）摄像头玻璃被锌灰封堵，立式退火炉利用各段的窥视孔对运行带钢状态进行监控，整体由摄像机、带氮气冷却的玻璃孔组成，跟踪发现在生产高铝锌铝镁产品后，摄像头的玻璃会逐步积聚锌灰，随时间推移，将这个玻璃封堵住。根据图六所示1为摄像头正常情况，2为锌灰封堵后情况。

图六 摄像头封堵情况

（3）换热器锌灰积聚

换热器因为温度低，更容易发生锌灰积聚，跟踪换热器情况见图七，锌灰积聚明显。

图七 换热器锌灰积聚情况

2.3 相关影响的进一步分析

锌蒸汽初始从炉鼻子锌液面产生，后逐步扩散到炉子区域，在扩散过程中，会在低温区域冷却凝结成锌灰，根据以上的锌灰分布、锌灰分析、锌灰的影响，均符合锌灰发生的规律，锌蒸汽在炉内冷却区域的凝结会产生各方面的影响，炉内典型冷却区域有各类需氮气冷却或冷凝水冷却的检测仪表、轴承、摄像头玻璃，以及炉子的快冷段换热器。

3 应对方案研究

实际这里的锌灰是指热镀锌机组炉鼻子内部产生的一种混合污染物其主要成分是 ZnO 和Zn。在还原性氮气保护环境下，460℃左右液态锌会自由蒸发，并在气流的搅动作用下扩散，在遇到低温物体时，如遇到温度相对较低的炉鼻子内壁，会冷凝在其上并吸附。吸附形成的这种锌灰的化学成分和液态锌类似，是一种粉状疏松物，吸附力弱，随着吸附量越来越大会发生掉落。针对锌灰的产生机理，有以下几个方案可供研究。

（1）增加气氛清洁置换系统

图八 气氛清洁置换系统示意图

在这个系统内， 炉鼻子本体和炉子之间要隔断， 气氛单向流动， 即气流单向从锌灰隔断室流向炉鼻子本体， 阻止锌灰进入到炉子内部，从而降低定期开炉清灰工作量，之后增设炉鼻子内部气氛体外抽出过滤排放系统，即锌灰抽出后经过滤排放（不回炉鼻子本体， 或者直接排放到大气， 或者排放到上游的炉膛内部），在抽排的同时，向炉鼻子本体中补充热氮气，维持炉鼻子本体的“微正压”和能量平衡，最后生产排程中考虑过渡料，在过渡料期间， 通过炉鼻子内部增湿的吹扫管道将疏松的锌灰吹落，达到在线清洁。

这个系统在GA/GI产线已有应用实例，有一定的除“灰”效果，高铝热镀锌产线是具备应用该系统的条件。

（2）炉鼻子增湿方案

为了减少乃至切断锌的“蒸发”，在炉鼻子内部“增湿”。目前业内普遍采用的是所谓“增湿”，即向炉鼻子内部金属液体上方通入一定量的“湿氮气”，氮气中含有适量水分，让水和高温金属液体发生氧化反应，生成一层致密的保护膜，从而阻止锌的蒸发。

本方案在其他热镀锌品种上已经很成熟，高铝热镀锌产线具备应用条件，但需考虑增湿对合金层的影响，需进行大量验证。

（3）炉鼻子改造方案

基于锌蒸汽蒸发原理，理论上存在减小炉鼻子液面面积已减少蒸发量的可行性，可通过改造炉鼻子结构。但需考虑带钢能稳定保持在炉鼻子正中，避免擦碰炉鼻子，同时也需考虑炉鼻子内壁结渣情况，因炉鼻子面积减小，炉鼻子结渣后更易影响到带钢表面质量，严重时发生断带情况。

图九 炉鼻子示意图

4 结束语

高铝热镀锌产品和其他热镀锌产品一样，不管是产品质量还是设备运行，都存在锌灰的影响，可以说是一种固有特性。在现有装备上，是有不少方法可以减轻锌灰的影响，提高产品质量和运行水平，根据现有文献等资料，高铝锌灰的抑制手段并没有像纯锌、合金化产品的控制措施那么健全和有效，对我们而言是一个研究的方向或者区域，通过针对高铝热镀锌产品锌灰的研究与对应措施的试验，将起到对热镀锌领域技术的补全作用。

参考文献

[1]Lewis J. Berry a, Craig H. Phillips b, David J. Penney a . [J].《Surface & Coatings Technology 》，306 (2016) 397–407p 。