錢 鑫，劉茂林，崔 磊，謝義康，葛 浩，陳德春

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

0 前 言

隨著汽車和家電行業(yè)的快速發(fā)展，熱鍍鋅合金化鋼板以其優(yōu)良的耐蝕性能、涂裝性能、焊接性能和較高的表面強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)己越來越多地應(yīng)用于汽車、家電等行業(yè)。同時(shí)由于汽車外板、家電面板等高檔鍍鋅產(chǎn)品訂單量增多，客戶對于表面質(zhì)量要求越來越高。在鍍鋅產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，鋅灰不可避免會產(chǎn)生，并且也是鍍鋅產(chǎn)品主要缺陷之一，故對鋅灰的控制引起國內(nèi)外各大鋼廠的廣泛關(guān)注。目前大部分連續(xù)熱鍍鋅線通過配置爐鼻子加濕控制系統(tǒng)、爐鼻子加熱系統(tǒng)、爐鼻子氣氛循環(huán)等系統(tǒng)來抑制鋅灰的產(chǎn)生、鋅蒸汽冷凝以及調(diào)節(jié)鋅鼻子內(nèi)氣氛潔凈度。其中通過爐鼻子加濕控制鋅灰是最普遍的控制方式之一，爐鼻子露點(diǎn)也成為熱鍍鋅關(guān)鍵工藝控制參數(shù)。結(jié)合馬鋼4號熱鍍線產(chǎn)線生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，本工作闡述了如何在抑制鋅灰產(chǎn)生的同時(shí)，減少加濕的負(fù)面影響。

1 鋅灰產(chǎn)生原因

鍍鋅產(chǎn)線爐鼻子是連接退火爐與鋅鍋的結(jié)合處，一般爐鼻子均是具有矩形截面的通道。在爐鼻子內(nèi)460 ℃高溫、150 Pa壓力的工況條件下，熔融鋅液不可避免發(fā)生揮發(fā)現(xiàn)象。鋅液揮發(fā)后成為鋅蒸汽，即氧化鋅顆粒，彌漫在爐鼻子腔室內(nèi)。由于鋅液溫度在460 ℃左右，揮發(fā)的鋅蒸汽處于460 ℃高溫狀態(tài)，在爐鼻子內(nèi)壁遇冷凝結(jié)沉積，逐步形成鋅灰(如圖1所示)。當(dāng)沉積的鋅灰嚴(yán)重到一定程度時(shí)，伴隨著設(shè)備震動以及爐鼻子內(nèi)腔室氣流擾動，開始逐步墜落至帶鋼表面，形成長條狀鋅灰。

2 露點(diǎn)控制機(jī)理及影響

鋅灰的產(chǎn)生來源于爐鼻子內(nèi)鋅蒸汽的揮發(fā)冷凝，目前一般的熱鍍鋅生產(chǎn)線鋅灰控制手段的核心要點(diǎn)：(1)抑制鋅液揮發(fā)；(2)減少鋅蒸汽的冷凝。馬鋼4號熱鍍鋅產(chǎn)線采用爐鼻子加濕，即通過控制爐鼻子露點(diǎn)，來抑制鋅液揮發(fā)。

2.1 露點(diǎn)控制機(jī)理

爐鼻子內(nèi)露點(diǎn)的控制，是目前為止減少鋅灰生成最有效的手段。其原理是用保護(hù)氣經(jīng)過加熱的脫鹽水罐，變成帶有壓力且含有水蒸氣的熱氣，填充到爐鼻子內(nèi)，因?yàn)樘砑拥募訚駳鈮毫Υ笥跔t鼻子內(nèi)腔室壓力，所以在高溫環(huán)境下直接與鋅液面反應(yīng)，在鋅液面持續(xù)生成氧化鋅薄膜，可以阻隔鋅液蒸發(fā)，避免了鋅蒸汽上升發(fā)生反應(yīng)生成鋅灰的過程，有效減少鋅灰生成量[1]。氧化膜形成：H2O+Zn=ZnO+H2，此時(shí)鋅液面的ZnO薄膜抑制鋅液面的鋅液蒸發(fā)[2]。

2.2 露點(diǎn)的影響

所謂露點(diǎn)是指氣體中水蒸氣飽和時(shí)的氣體溫度[3]。合適的露點(diǎn)控制，可以有效抑制鋅液蒸發(fā)，減少鋅灰產(chǎn)生。但是由于鍍鋅產(chǎn)線加濕露點(diǎn)取樣位置、加濕孔位置以及爐鼻子內(nèi)壁容積不同，不同產(chǎn)線加濕露點(diǎn)目標(biāo)值有一定區(qū)別。如爐鼻子區(qū)域露點(diǎn)值過低，加濕系統(tǒng)濕氮?dú)庋a(bǔ)氣量不足，鋅液表面形成的氧化膜將無法阻擋鋅液蒸發(fā)，即無法有效減少鋅灰生產(chǎn)量。如露點(diǎn)過高，雖可有效減少鋅灰產(chǎn)生，但會造成漏鍍等缺陷。

爐鼻中水含量的高低是通過露點(diǎn)來反映的，馬鋼4號熱鍍鋅線爐鼻子露點(diǎn)控制系統(tǒng)是通過含有水蒸氣的濕氮?dú)馀c干氮?dú)饣旌虾笞⑷霠t鼻子腔室；在保證干氮?dú)饬髁糠€(wěn)定的同時(shí)，通過控制濕氮?dú)饬髁縼韺?shí)現(xiàn)露點(diǎn)調(diào)整。爐鼻子與退火爐腔室處于聯(lián)通狀態(tài)，退火爐內(nèi)保護(hù)氣體(95%氮?dú)?5%氫氣)主要通過爐子頂部放散閥以及入口的密封輥外溢。爐鼻子內(nèi)氣體主要是流向退火爐RCS(快冷段)，當(dāng)加濕系統(tǒng)氮?dú)饬髁窟^大時(shí)，會影響退火爐ES(出口段)及RCS段露點(diǎn)乃至前段露點(diǎn)，惡化爐內(nèi)氣氛，甚至?xí)⒉糠咒\蒸汽帶入熱張緊輥室以及上端的快冷段，導(dǎo)致鋅灰在該部分區(qū)域冷凝沉積，如圖2,3所示。合適的氮?dú)饪梢栽诒ＷC抑制鋅灰的前提下，減少對ES及RCS段露點(diǎn)的影響。

3 加濕工藝探索

加濕器中的汽化可以通過液體表面的蒸發(fā), 也可以通過液體內(nèi)部產(chǎn)生汽泡來實(shí)現(xiàn)。在汽化過程中, 由于能量較大的液體分子逸出液面, 液體內(nèi)分子的平均動能減小, 促使液體的溫度降低, 汽化速度減小。要維持液體繼續(xù)汽化, 就必須對液體加熱。因此, 增加退火爐出口段水含量可以通過2種方法解決: 一是增加進(jìn)氣量; 二是提升加濕器中水的溫度[4]。

馬鋼4號鍍鋅線爐鼻子加濕是通過干氮?dú)馀c濕氮?dú)獾谋壤齺硗瓿傻?，在?shí)際生產(chǎn)控制過程中，干氮?dú)饬髁繛楣潭ㄖ担瑵竦獨(dú)饬髁扛鶕?jù)露點(diǎn)實(shí)際值與目標(biāo)值差值上下波動，以準(zhǔn)確達(dá)到露點(diǎn)目標(biāo)值。

3.1 加濕系統(tǒng)補(bǔ)氣閥總管壓力探索確認(rèn)

馬鋼4號鍍鋅線通過調(diào)整氮?dú)庋a(bǔ)氣閥總管壓力，以爐鼻子露點(diǎn)設(shè)定目標(biāo)為-15 ℃前提，跟蹤干氮?dú)?、濕氮?dú)饧盃t子后區(qū)露點(diǎn)波動情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 總管壓力調(diào)整跟蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Main pipe pressure adjustment tracking test data

(1)總管壓力為0.01 MPa時(shí)，由于壓力過低，濕氮?dú)饬髁窟^小，爐鼻子露點(diǎn)偏低，無法達(dá)到-15 ℃目標(biāo)要求，并且在該參數(shù)工況下，爐鼻子露點(diǎn)波動較大，說明該總管壓力條件下，爐鼻子露點(diǎn)無法有效地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)值閉環(huán)控制，長期在較低露點(diǎn)區(qū)域波動。

(2)總管壓力為0.04 MPa時(shí)，壓力提高，干氮?dú)饧皾竦獨(dú)饬髁烤兴嵘?，但是爐鼻子露點(diǎn)仍無法達(dá)到目標(biāo)值。

(3)總管壓力為0.08 MPa時(shí)，壓力繼續(xù)提高，干氮?dú)饧皾竦獨(dú)饬髁砍掷m(xù)上升，該參數(shù)工況下，爐鼻子露點(diǎn)可穩(wěn)定控制并達(dá)到目標(biāo)要求。同時(shí)該條件下，ES段及RCS段露點(diǎn)上升不明顯，該總管壓力試驗(yàn)合格。

(4)總管壓力為0.12 MPa時(shí)，干氮?dú)饧皾竦獨(dú)饬髁砍掷m(xù)上升，爐鼻子露點(diǎn)可穩(wěn)定控制并達(dá)到目標(biāo)要求，干濕氮?dú)饬髁繉S段及RCS段露點(diǎn)影響逐漸顯著。

(5)總管壓力為0.16 MPa時(shí)，爐鼻子露點(diǎn)可穩(wěn)定控制并達(dá)到目標(biāo)，但由于干氮?dú)饧皾竦獨(dú)饬髁窟^大，導(dǎo)致ES及RCS段露點(diǎn)出現(xiàn)明顯的上升，該工藝條件下，濕氮?dú)饬髁窟^大，超出鋅液表面形成氧化膜所需的流量值，過剩的濕氮?dú)庥绊慐S及RCS段露點(diǎn)。

從試驗(yàn)中不難看出，由于爐鼻子腔室內(nèi)氣氛流動主要是向RCS區(qū)域流動，在增大爐鼻子加濕系統(tǒng)干氮?dú)饧皾竦獨(dú)饬髁康耐瑫r(shí)，ES及RCS段露點(diǎn)受到顯著影響?？偣軌毫^小時(shí)，濕氮?dú)饬髁窟^小，爐鼻子露點(diǎn)始終偏低，無法達(dá)到要求?？偣軌毫^高時(shí)，會導(dǎo)致濕氮?dú)饬髁恳恢逼?，爐鼻子露點(diǎn)雖能達(dá)到要求，但嚴(yán)重影響了ES及RCS段露點(diǎn)，即濕氮?dú)庠阡\液表面形成氧化膜后，仍有富余的濕氮?dú)饬飨騌CS區(qū)域，影響該段露點(diǎn)。從上述試驗(yàn)效果來看，合適的爐鼻子加濕系統(tǒng)氮?dú)庋a(bǔ)氣總管壓力為0.08～0.12 MPa。

3.2 生產(chǎn)實(shí)際跟蹤確認(rèn)

在爐鼻子加濕系統(tǒng)氮?dú)庋a(bǔ)氣總管壓力0.08～0.12 MPa范圍內(nèi)，可滿足保證達(dá)到露點(diǎn)以及對ES/RCS段露點(diǎn)影響較小的原則，但仍需通過生產(chǎn)長期跟蹤確認(rèn)抑制鋅灰的效果，具體跟蹤試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 總管壓力生產(chǎn)試驗(yàn)跟蹤Table 2 Main pipe pressure production test follow up

由表2可知，隨著總管壓力增大，濕氮?dú)饬吭龆啵杀ＷC爐鼻子不出現(xiàn)長條鋅灰的時(shí)間持續(xù)增長，但當(dāng)總管壓力過大時(shí)，露鐵缺陷也隨之增多，說明此時(shí)的加濕量明顯超過抑制鋅灰的需求，并且過剩的濕氮?dú)鈺?dǎo)致其他缺陷產(chǎn)生。從該試驗(yàn)結(jié)果看，適合馬鋼4號鍍鋅線爐鼻子加濕系統(tǒng)總管壓力為0.10 MPa。

4 結(jié)束語

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，一般連續(xù)鍍鋅生產(chǎn)線爐鼻子均是通過控制干氮?dú)夂蜐竦獨(dú)獗壤齺韺?shí)現(xiàn)抑制鋅灰，濕氮?dú)饬髁窟^大會影響退火爐出口區(qū)域露點(diǎn)，并且產(chǎn)生次生的缺陷，流量過小無法起到抑制鋅灰的作用。露點(diǎn)的控制本質(zhì)是濕氮?dú)饬髁康目刂?，加濕系統(tǒng)總管壓力對于濕氮?dú)饬髁坑绊懢薮?。由于每條鍍鋅產(chǎn)線工況存在差異，加濕點(diǎn)不同，露點(diǎn)取樣位置不同，爐鼻子加濕系統(tǒng)的壓力、干濕氮?dú)饬髁靠刂频葏?shù)均不相同。通過本工作的試驗(yàn)跟蹤說明，在確定加濕工藝時(shí)，應(yīng)遵循以下3點(diǎn)原則：(1)保證達(dá)到露點(diǎn)控制要求；(2)抑制鋅灰產(chǎn)生；(3)不影響或者對ES/RCS段露點(diǎn)影響較少。在滿足該3點(diǎn)原則的前提下，可探索出適合產(chǎn)線的加濕系統(tǒng)工藝。