1、环境用锌铝镁退火炉锌鼻子的优化设计杨柏松（重庆赛迪热工环保工程技术有限公司，重庆401122）摘要：从无缺陷镀锌锌鼻子设计入手，对比阐述了环境用锌铝镁锌鼻子的设计要点，并得出结论：锌铝镁机组锌鼻子不需要设计伸缩膨胀节，锌鼻子内部采用两台锌液泵的鼓抽方式，强化流动排渣，锌蒸汽采用高温保护气体携带外排的方式是应对锌鼻子的锌蒸汽的有效手段。关键词：锌渣；锌液泵；锌蒸汽中图分类号：TG155.1文献标识码：B文章编号：1001-6988（2023）01-0039-04Optimization Design of Zinc Nose ofZn-Al-Mg Annealing Furnace for En
2、vironmentYANG Baisong（Chongqing CISDI Thermal&Environmental Engineering Co.Ltd.,Chongqing 401122,China）Abstract:Starting from the design of defect free galvanized zinc nose,the design points of Zn-Al-Mgzinc nose for environment are compared and expounded.It is concluded that the zinc nose of Zn-Al-M
3、g u-nit does not need to design expansion joint;Two zinc liquid pumps are used inside the zinc nose to enhancethe flow and slag discharge;It is an effective way to deal with the zinc vapor from the zinc nose by usinghigh-temperature protective gas to carry the zinc vapor out.Key words:zinc slag;zinc
4、 liquid pump;zinc vapor镀锌机组经过近200年的发展，设计已非常成熟，尤其针对汽车用镀锌板，生产无缺陷表面的技术和设备相对完善，而近年来环境锌铝镁（6%Al、3%Mg、其余为Zn）以其优异的平面防腐能力和断口保护功能，不需要再做外部涂层保护，正在越来越多地取代传统镀锌，成为金属防腐涂镀层的新宠，其生产管理和关键设备的技术难点也相应成为行业热点。锌鼻子是产生缺陷的主要区域，应对的缺陷项包括：漏镀、脱锌、锌渣、划伤等；在退火炉炉鼻子内部产生缺陷的重点是炉鼻头内锌液的夹杂，主要包括：锌蒸汽凝结落到锌液表面的锌灰、铁屑、氧氧化物、耐火材料脱落物、炉内的各种灰尘、燃烧产物积碳、锌锭
5、杂质、锌铁化合物及氧化膜等。因此，需要对锌鼻子可能产生的缺陷进行分析，产生缺陷的核心问题分为两类：第一类是因为锌蒸汽聚集在锌鼻子内部而产生的缺陷，定义为沾灰，锌灰的产生温度为450460，而锌的熔点为419.5，锌的挥发产生蒸汽聚集在锌鼻子这样的密闭空间内，在局部低温点凝结脱落造成板面污染；另外一类是锌鼻子内部锌液所包含的锌渣缺陷。锌渣形成机理反应方程式见式（1）1。2FeZn7（底渣）+5AlFe2Al5（浮渣）+14Zn（1）根据上述反应方程式，锌鼻子内部浮渣的成分和附着在带钢板面所形成的渣缺陷如图1所示。传统镀锌机组针对上述两类缺陷，首先是从生产管理的角度出发来分析，如锌锅温度精确控制、
6、带钢入锌锅温度精确控制等手段是减少锌蒸汽产生的收稿日期：2022-03-11；修回日期：2022-04-08作者简介：杨柏松（1969），男，教授级高级工程师，主要从事钢板热处理设计相关工作.图1典型的Fe2Al5的锌渣断面图工 业 炉Industrial Furnace第45卷第1期2023年1月Vol.45 No.1Jan.202339有效手段；强化清洗效果尤其是减少板面铁粉都是减少锌锅内锌渣的有效手段；其次是通过优化设备设计来减少甚至消除锌蒸汽、锌渣及各种氧化物在锌鼻子内部的聚集，应运而生的典型技术包括汽车板用锌液泵和排渣槽的组合设计。而环境锌铝镁是所有锌铝镁产品中镁含量最高的，结合炉鼻
7、内部的露点和残氧，不可避免地造成镁元素的氧化，镀浴表面不可避免地存在锌灰；锌蒸汽冷凝后落回镀液表面，产生黏度很大、较厚的锌渣，因此，环境锌铝镁的锌鼻子设计可以视为传统无缺陷镀锌锌鼻子的升级版，结合镀液的新特点来完善生产管理和优化锌鼻子的设备设计。1传统镀锌机组用锌鼻子应对锌灰和锌渣的措施传统热镀锌清除锌灰和锌渣的有效途径分为2：（1）在炉鼻子下方增加接锌灰袋。此方法虽然有一定的效果，但操作起来有一定的难度，受锌鼻子后部空间限制，对锌鼻子处穿带造成困难。（2）在炉鼻子两侧开清灰孔。利用停车或检修时，将锌鼻子闸板闸好，以保护炉内气氛，现在大多数锌鼻子带有升降功能，将锌鼻子最下端升起离开液面，确认无
8、误后打开两侧清灰孔，用气管吹净炉鼻子内表面附着的锌灰，落下的锌灰和浮在液面的锌灰在接触到空气后氧化，呈白色和土黄色粉末状浮在锌液面上。可用捞渣工具捞起，然后将锌鼻子下降到启线位置，打开锌鼻子的双闸板。（3）安装锌灰泵。在锌鼻子内部两侧各安装一台锌灰泵，利用负压原理将锌鼻子液面上的锌灰抽出。（4）锌鼻子内部安装加湿系统，即湿润的氮气通入炉鼻子内部，露点温度控制在-15-18，使其在较高露点下锌液面有一个微氧化，从而形成一个氧化膜，减少锌蒸汽的产生，避免形成锌灰，再利用锌灰泵抽出表面锌灰。镀锌机组锌鼻子设计的核心是减少和消除锌蒸汽、锌渣所造成的涂镀表面缺陷，其配置如图2所示。可以看出，典型的镀锌锌
9、鼻子在离开热张紧辊室后向锌锅方向的组成依次为：（1）旋转膨胀节、配套涡轮蜗杆升降机用于锌鼻子的摆动和检修。（2）伸缩膨胀节。（3）双闸板密封结构。（4）下行通道和保护气体锌鼻子加湿加热管。（5）带排渣槽的锌鼻头。以汽车用板无缺陷镀锌的锌鼻头内部的管理和设计为例，最典型的功能和设计是内部流动排渣，即锌鼻头内部有如图3所示的排渣槽，锌液泵在两端的抽吸形成锌鼻头内部锌液由内向外的流动，从而将锌鼻头内部的含渣镀液带到锌鼻子外部，锌鼻头内部则源源不断地由新鲜镀液补充。传统的镀锌机组是应对一锭走天下的单一镀层，因此锌锅内加锌的方式多采用大锭悬吊式逐渐浸入锌锅的方式进行，这样的设计是会造成锌液面上下波动的，
10、而带内部排渣槽的锌鼻头应对不了锌液面的较大波动，因此传统的汽车板镀锌锌鼻子设计了伸缩膨胀节来有效应对锌液面的波动，这种排渣槽的设计采用溢流排渣，有效排出了锌鼻头内部的锌渣，配合锌鼻子内部摄像头的监控，可以彻底消除锌渣对板面的影响。保护气体加湿是处理传统镀锌锌蒸汽的另外一项有效手段，加湿后的锌蒸汽凝结会落回锌液面，最图2典型的镀锌锌鼻子配置图图3带内部排渣槽的锌鼻头实物图双闸板密封结构旋转膨胀节伸缩膨胀节带排渣槽的锌鼻头下行通道保护气体锌鼻子加湿加热管经验交流：环境用锌铝镁退火炉锌鼻子的优化设计40工 业 炉第 45 卷第 1 期2023 年 1 月后通过排渣槽有效排出锌鼻子。传统加湿的手段是在
11、锌鼻子前后两侧均匀通入控制露点的保护气体，如图4所示，上下联测均匀分布的加湿氮气通入管。因此，传统的高品质无缺陷镀锌机组的锌鼻子应该具有摆动、伸缩、加湿、排渣的功能。2环境锌铝镁锌鼻子在论证环境锌铝镁锌鼻子的组成结构前，有必要回顾一下镀锌的锌层形成过程（铁-锌扩散反应）：（1）开始少量的铁溶入锌液，由于铝与铁的亲和力大于锌和铁的亲和力，所以锌液中的铝先和铁反应，在板面生成一层极薄的铁铝中间粘附层。（2）随后锌与铁相互扩散，在铁铝层外面生成铁锌合金层，但由于中间粘附层的阻滞作用，锌、铁之间扩散较慢，形成的锌铁合金层较薄。（3）表面粘附一层液态锌的钢带从锌液中出来，经过冷却凝固，形成锌层。环境锌铝
12、镁作为镀锌的升级版，镀锌的属性仍然存在，在此基础上增加了MgZn2的共晶元素，也是使锌铝镁镀层耐腐蚀的关键元素。在生产过程中，铝、镁元素的影响肯定要远大于镀锌的微量元素的影响，同时浸润性、流动性也变得恶化，锌鼻头内部温度相对传统镀锌来讲是提高了，而且镁的氧化物基本是疏松状态的，造成的镁铝氧化渣更多，因此同传统镀锌相比，锌鼻子的内部排渣变得更加迫切。为维持上述反应，在镀锌生产过程中基本上是锌锅温度低，板温高，这样做板面涂镀反应容易控制，同时锌锅区有效利用带温，达到节能降耗的目的。而锌铝镁生产在生产管理上，锌锅必须将感应器功率开满以增加锌锅内部的搅拌性，同时，最大限度利用带钢带走锌锅的多余热量，这
13、样就造成板温低，同时结合镀液流动性及浸润性较低，如果清洗效果不佳的话，尤其是厚板侧缘造成脱锌的概率远大于传统镀锌。这些隐患都是环境锌铝镁锌鼻子设计必须面对的课题。2.1环境锌铝镁锌锅区设备和传统镀锌的区别将传统镀锌和环境锌铝镁的涂镀进行对比，其生产管理各有优缺点。传统镀锌一锭走天下，无论温度控制、成分控制都相对容易，但涂镀方式液面波动比锌铝镁大，锌铝镁对控制锌锅内镀液成分、锌锅温度都有较高的要求，因此锌铝镁涂镀镀液是采用预熔锅实时连续加入主涂镀锅的方式进行的，因此涂镀主锅内的镀液液位高度视为恒定，不需要锌鼻子移动来适应锌锅液位。同时，镀液内铝镁的加入导致镀液流动性恶化，传统汽车板无缺陷通过排渣
14、槽溢流的方式是不适合于锌铝镁涂镀锌鼻子内部镀液的流动的，有必要强化锌鼻子内部的镀液流动。2.2环境锌铝镁锌鼻子区域的优化设计传统无缺陷镀锌的锌鼻子是采用排渣槽的设计，通过锌液泵的抽吸将排渣槽内含渣镀液排出锌鼻子，锌鼻子内部由新鲜镀液补充，但结合锌铝镁镀液的特点，即流动性变差，认为这一设计不再适用于锌铝镁涂镀。新的设计理念是增加锌鼻子内部的镀液流动效果，锌铝镁锌鼻子内部镀液泵设计原理如图5所示。在炉鼻的左右两侧各装一台镀液泵，左侧的吸灰锌液泵设计了排渣溢流槽，负责将杂质排出炉鼻之外，右侧的吹锌锌液泵设计了补入管，负责鼓入，形成锌鼻子内部镀液流动，炉鼻内锌液表面层的锌液带着杂质溢流到排渣槽内，被吸
15、灰锌液泵吸出炉鼻之外，最后以浮渣的形式被捞走。这样，就可以保证炉鼻内液面一直处于洁净状态，钢带浸入时不会受到杂质的影响。这一设计的特点是不需要内部全部设计沿锌鼻头内部四周的溢流槽（不同于图3带内部排渣槽的锌鼻头实物图所示），只需要在排出侧设计单侧溢流槽即可。2.3环境锌铝镁锌鼻子的加热环境锌铝镁的原材料选择范围较宽，这样出现图4保护气体加湿通入管位置示意图图5锌铝镁锌鼻子内部锌液泵设计原理示意图吸灰锌液泵吸灰锌液出口带钢吹锌锌液泵吹锌方向吹锌锌液进口锌灰堆积区域锌灰堆积区域生产溢流方向28027041缺陷的可能性也较多，其中一项缺陷就是边部脱锌，这一现象在超过2.5 mm的厚板尤为严重，分析原
16、因很大程度是由于厚板的立边无法清洗干净，而炉内还原效果不佳，同时锌铝镁镀液的浸润性变差，边部温度降低较快等原因。最好的办法是在带钢进入处理线之前就将边缘清理一遍，但问题是这种脱锌现象的发生是不受控的，无法预见什么时间发生，因此寻找一种简单有效的应对措施就十分必要。为应对锌铝镁锌蒸汽的凝结，无疑锌鼻子足够的加热是必要的，但如果将少量保护气体通过锌鼻头边部引入，同时加温到较高的温度（600），首先是对带钢边部温度的有效补充，同时要是把该保护气体的氢含量提高到45%以上，这一路气体还具有强力还原功能和携带锌蒸汽的功能，可谓一举多得。锌鼻子锌灰排放用保护气体见表1。2.4环境锌铝镁锌鼻子加湿的替代方案（一种保护气体加热外排的方式）针对环境锌铝镁锌鼻子加湿技术是备受争议的，首先锌铝镁中的各项元素中无疑镁元素最活跃，不合理的参数反而会加速氧化，反而增加锌灰回落从而造成更多的锌渣，因此一种可行的替代方案是有效利用锌鼻子的双闸板的隔绝作用和单独一路保护气体的进气压力形成280 Pa以上的腔压力，结合后高温保护气体补入，利用压差外排，将锌蒸汽带出，外排管道配有保温层，保证管道不凝结、不阻塞，在排出锌鼻子