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1、国内外钢带连续热镀锌退火炉与合金化炉的技术发展第33卷第5期工业炉Vo1.33No.5SeD.2011国内外钢带连续热镀锌退火炉与合金化炉的技术发展仲海峰,张启富,王永亮,刘茹,郝晓东(中国钢研科技集团,北京100081)摘要:综述了近年来国内外在钢带连续热镀锌退火炉与合金化炉方面的最新技术进展,分析了国内外带钢热镀锌设备及工艺的技术特点,发展趋势,并介绍了集团公司自主研发的热镀锌退火炉的最新研究成果.关键词:带钢;连续热镀锌;退火炉;合金化炉中图分类号:TG155.1文献标识码:A文章编号:10016988(2011)05001906PresentSituationofAnnealingFu
2、rnaceandGalvannealingFurnaceforContinuousHotDipGalvanizingatHomeandAbroadZHONGHaifeng,ZHANGQifu,WANGYongliang,L1URu,HAOXiaodong(CentralIron&SteelResearchInstitute,Beijing100081,China)Abstract:Thelatesttechnicaldevelopmentofannealingfurnaceandgalvannealingfurnaceofcontinuoushotdipgalvanizingwassu
3、mmarized,andthetechnicalfeaturesanddevelopmenttrendofstripsteelhot-dipgalvanizingequipmentandcraftathomeandabroadwereanalyzed.Thelateststudyresultofthehot-dipgalvanizingannealingfurnaceingroupcompanieswasintroduced.Keywords:stripsteel;continuoushotdipgalvanizing;annealingfurnace;galvannealingfurnace
4、从20世纪末开始.热镀锌技术和装备均进入飞速发展阶段,连续退火炉,气刀,合金化炉等核心设备进行了大量的工艺创新与设备升级特别是连续退火工艺与高温退火炉与合金化炉工艺与设备等发展较快,在高强度汽车板镀锌连续退火处理与合金化技术,与退火炉相关的强钢的可镀性和镀层表面质量控制等方面与发达国家存在较大差距.随着市场对高品质镀锌板需求的增长.特别是汽车工业对镀锌面板的需求.对钢带热镀锌生产线的机组速度,产量,品种,表面质量以及板宽,板厚均提出了更高要求f1-2.现代热镀锌生产线连续退火炉的发展呈现高温,高效和快速冷却的趋势.最大限度提高钢带线速度及改善退火质量【3】1热镀锌还原退火炉的发展趋势热镀锌工艺
5、一般分为森吉米尔法,改良森吉米收稿日期:2011-0428;修回日期:2011-0727作者简介:仲海峰(1977一),男,高级工程师,从事钢带热镀锌连续退火技术研究及应用工作.尔法,美钢联法(同日本川崎法),塞拉斯法.现代热镀锌线普遍采用的是改良森吉米尔法或美钢联法后三种工艺是基于森吉米尔法退火方式经过不断改进而发展起来的热镀锌连续退火炉通常由预热段一加热段一均热段一冷却段均衡段一热张辊室一炉鼻子等几部分组成.根据工艺方法的不同.所对应的炉型也有所不同.美钢联法主要采用全辐射管全立式炉或全卧式炉.改良森吉米尔法采用带有预热和无氧化加热段的全卧式炉.塞拉斯法采用立式预热和无氧化加热段配以卧式或
6、立式全辐射管加热段网.根据原料规格,机组产能,生产工艺,能源介质以及产品性能的不同要求,炉子的组成以及炉型会各不相同1.1预热段与余热利用各类燃气加热炉设置的预热段能将带钢预热至150200oC.可以节约燃料10%左右51.对于对表面质量有严格要求的连续热镀锌机组不能用废气直接加热钢板表面.通常选用燃气加热的改良森吉米尔法工艺以及塞拉斯工艺设有废气空气换热预热段与改良森吉米尔法不同.塞拉斯法的预热和无氧化19综述:国内外钢带连续热镀锌退火炉与合金化炉的技术发展加热段采用立式结构.采用立式结构规避了卧式结构中炉内必须安装水冷炉辊的问题.这就杜绝了由炉辊冷却水换热而带走的部分能耗但塞拉斯法的预热段
7、采用立式结构.相对改良森吉米尔法而言大大增加了厂房和设备投资成本.同时穿带等维护操作也相对困难采用燃气加热的立式炉美钢联法工艺有时也会设置预热段.与改良森吉米尔法工艺利用NOF段(无氧化燃烧段)废气换热新鲜空气不同之处在于.美钢联法则须采取用燃烧废气通过换热器来加热保护气体.然后由此保护气体预热带钢的方式美钢联法采取复杂的预热方式使预热段设备成本增加对于采用卧式炉的美钢联法.由于相对于立式炉产能较小.因此加热均热段余热量相对较低,国内因地制宜采用了另一种加热均热段余热利用方式.利用燃烧废气经过余热锅炉产生蒸汽供生产或生活用,或经过废气一热水,热碱与废气一热气换热器直接向机组脱脂段提供6080热
8、水和热碱液.以及向机组需要热空气烘干钢带表面的设备直接提供约80一l10热空气1.2加热,均热段改良森吉米尔法与塞拉斯法工艺中设置无氧化预热炉.其工作原理是在密闭型的炉内进行煤气明火加热.使炉内的空气系数(值)小于1,煤气在空气不足的条件下进行不完全燃烧.燃烧废气成分为CO,CO:,H20,H等生成物.通过保持适当的时间,温度及燃烧气氛这三个条件.在高温下短时间内相互反应的结果.显着降低了带钢的表面氧化.同时去除了带钢表面的轧制油并且预热了带钢本身.钢带由无氧化加热炉出来时氧化层很薄.在还原炉内更易被还原,提高了机组运行速度(可达180m/rain),也大大降低了还原炉内的氢气含量(15%),
9、提高了安全性问.对于还原法工艺的加热均热炉.无论是卧式炉还是立式炉通常将辐射管加热段与均热段合并在一个炉膛内,以辐射管布置的疏密区分.采用辐射管加热形式,具有高热效率,低NO辐射和较好的温度和热量流动分布等优点.在达到较高的加热排放和较高炉温的同时.兼具较长的使用寿命当前设计运行的还原退火炉温从过去的800820oC已经提高到850对于立式炉.由于加热均热段辐射管和炉辊辊2O型设计不合理,以及加热装置本身长度方向上的温差,引起带钢在长度和宽度方向上的温差造成带钢在此段内的热瓢曲和跑偏.防止加热均热段内的热瓢曲主要靠先进的炉内加热技术和装置.使炉内温度更加均匀稳定.近年来设计使用的加热均热段通常
10、采用W型燃气辐射管间接加热带钢.采用改进的烧嘴.辐射管表面温差可从传统的150oC降到90cIC,再通过辐射管交叉布置,使炉内温度更加均匀I71.W型辐射管与U型辐射管的不同之处在于它的燃烧空气预热是在管内进行的.因此预热后的气体到烧嘴进行燃烧的路程相对较短.所以预热的温度比U型辐射管要高烟气预热回收率可以达到75%以上.从而大大提高热效率IS为了进一步提高高温连续退火炉的热效率.TheTechsIndustries公司于2005年安装完成了新型节能辐射管.见图1为了解决由于辐射管尾部的热特征系数较小,热惯性较差,相当一部分能量并未进入高温炉等问题.该公司采用了添加异型SiC砖的形式.燃气消耗
11、降低了14.6%(a)传统U型管辐射加热烧嘴烧嘴(b)新型U型管辐射加热图1新,旧U型管结构对比示意图蒂森克虏伯的Dortmund工厂新建了一条50万t的美钢联法热镀锌生产线.其中退火炉采用了AndritSelas公司最新设计的立式炉.炉内辐射管选用双P型辐射管.热效率>85%【10-11,见图2.该辐射管还具有加热均匀,辐射管寿命长,维护简单,产品质量好等一系列优点随着现代化的带钢连续热镀锌线工艺速度越来越高(150210m/min),带钢对中运行是稳定生产的前提.在连续热镀锌机组退火炉中,由于原料的形状和尺寸误差f如镰刀弯,带边起皱或斜焊缝等),辊面的凸度状况,轴端轴承的磨损以及设备
12、安装误差等.工业炉第33卷第5期2011年9月fa)双P型管的结构fb)双P型辐射管在立式炉内的应用图2双P型辐射管示意图都会引起带钢宽度方向上的张力不均Il2J.带钢在加热过程中自身热应力的变化及炉辊产生凸度会发生跑偏现象.通常在加热段带钢温度约400处设置纠偏辊.另外为了保护带钢对中良好进入锌锅.在冷却段附近通常也设置纠偏辊与连退机组过时效炉因炉内温度稳定而采用单辊炉内纠偏不同热镀锌机组退火炉中一般采用双纠偏形式.这是由于加热段炉温较高而板温较低易使钢带产生热瓢曲I131.双辊纠偏具有纠偏效果好.不破坏板型的优点1.3冷却段冷却段将带钢从均热温度冷却至镀锌温度.从退火工艺方面看.在带钢连续
13、热镀锌退火工艺中对带钢的冷却速度无特殊要求.仅是将带钢冷却至入锌锅温度.在冷却段之后还可设置均衡段.目的是使带钢具有更佳的板形.达到更均匀的温度进入锌锅镀锌.提高镀锌质量为了适应高品质汽车板对于冷却速度的要求.新型连续退火炉的冷却段是由一系列快速冷却室组成,用高速的气刀向钢带两侧喷吹HN气体.研究表明,该段冷却速率可达30200E/s(与钢带厚度,线速度及热循环状况有关,可自动调节1.例如:Arcelormittal公司的美国Cleveland镀锌线的冷却段分为6个冷却区三组.冷却对称排列着气体的人口管道和出口管道.用扫描高温计监控钢带宽度方向上的气体分布.以确保钢带温度均匀及操作的稳定性.1
14、.4均衡段与热张辊均衡段的设置主要是基于以下三方面:为了保证出快冷段后厚规格钢带横向温度均匀;对薄规格产品进行补充加热以保障其入锌锅温度;生产热镀铝锌硅产品时,如不设均衡段.炉鼻内锌灰被快冷段风机扰动,吸人炉膛内落至钢板表面,引起漏镀.对于高速运行的热镀锌机组.退火炉前后张力的控制成为生产出合格产品的关键,出炉后钢带进入冷却塔区一般要垂直提升达40ITI以上,对于有合金化炉的机组.甚至高达70ITI,如此高的行程加上有气刀和冷却风机的作用.带钢容易抖动,为了保证镀层厚度的精确和均匀.要求尽量减小带钢的抖动.这就要求在冷却塔区保障一个较高的张力,而在退火炉内.尤其是加热段和均热段,带钢温度高达8
15、50oC.则要求带钢以低张力运行以防止带钢变形和断带热镀锌退火炉通常会在炉鼻子前设热张辊,将退火炉和冷却塔区的张力隔断而对于汽车板热镀锌机组有时还要在加热均热段与快冷段之间设置热张辊.以控制由于两个炉段因带温不同而要求的张力隔断有的设计会将均衡段与热张辊室合并.这主要是由钢带运行道次决定的2国外合金化退火炉的发展趋势热镀锌钢带的合金化处理通过合金化炉完成15-1.从锌层退火工艺上看.加热时间越短对合金化过程越有利燃气直接加热受设备本身结构的限制.加热时间不可能很短.同时火焰直接喷吹带钢表面.对镀层表面质量不利目前现代热镀锌机组基本上不采用燃气直接加热方式感应加热方式可以在1s甚至更短时间内完成
16、加热过程.不仅对锌层退火工艺有利.同时也可降低整体设备乃至车间厂房的高度.而且感应加热控制方便.反应快速.加热时间取决于感应加热工艺.目前比较普遍的观点是频率越高,越有利于锌与铁之间的扩散.也就是越有利于合金化过程近两年投产或将要投产的现代热镀锌机组主要采用中频感应加热炉等设备感应加热器频率都在100kHz以上感应加热功率由机组GA产品最大小时产量及镀层量决定.感应加热效率与板厚有关.感应加热方式加热速度快.且易调节温度.温度21综述:国内外钢带连续热镀锌退火炉与合金化炉的技术发展相对均匀.钢带振动小.合金化炉分为三个部分.即感应加热段,电阻保温段及喷雾冷却段为控制合金化后镀层的相结构.在其加
17、热段与保温段之间设镀层发射率测定仪.保证在6相稳定区域进行镀层的合金化反应在保温段和喷雾段之间设高精度的测温计及发射率测定仪.在钢带冷却后的部位设合金化层相结构传感器,以测定镀层的Fe含量及y,及相各层的厚度18-191.德国蒂森公司在原有钢带连续热镀锌生产线冷却段研制开发了煤气加热的合金化处理装置及冷却装置美国俄亥俄州PR0rI,EC镀层公司USX/KOBE钢带连续热镀锌生产线是由SELAS公司研制的感应加热合金化炉.见图3共有2个功率为1000kW的单元.每单元有2个感应圈,以及高22m的电阻加热的保温区.从而实现了镀锌层稳定的合金化工艺该设备的保温区设计为可移动的和固定的两部分.电阻带均
18、匀排列在与钢带相对应的垂直平面上.对钢带宽度方向上可有效提供良好而均匀的加热条件当生产线变换产品或改变工艺条件时,它也能很快地调节并很容易适应.而不影响合金化速率(a)主体设备(b)线圈绕组侧视图图3电磁感应发生器图3国内热镀锌退火炉近年来取得的技术进展从21世纪初开始.我国钢带连续热镀锌进入高22速发展期.但是,我国大中型钢铁企业连续热镀生产线设备大都从国外引进,机组产量高,质量好,产品定位高,市场主要面向汽车,高档电器,高档建材.民营企业热镀锌机组几乎垒部是国内设计和制造.投资低,成本低,单产低,主要面向建材市场.根据国内热镀锌生产线的技术发展和市场需求,近年来以中国钢研科技集团为代表的冶
19、金工程设计制造企业.开拓和发展了一批具有鲜明技术特色的热镀锌退火炉.其中包括连续镀锌和退火两用炉,蓄热式燃烧系统退火炉以及卧式折叠炉.3.1连续镀锌和退火两甩炉连续镀锌和连退两用炉是中钢研科技集团根据多年在连续热镀锌和连续退火领域的开发经验抓住市场机遇.于2003年底首先在国内开发设计出了镀锌退火两用机组.并成功地申请国家专利并推广了5条热镀锌机组改造工程常规钢板连续热镀锌和连续退火生产线由于两者热处理制度的不同,炉子段有较大区别.图4,5分别为连续热镀锌和连续退火典型的热处理曲线【刎.两者的主要区别在于:连续热镀锌.钢板在快冷段被冷却到460480qC后进入锌锅内进行热浸镀锌.带钢出锌锅温度
20、为460左右.镀后带钢在大气中由风冷系统冷却到200oC以下进入水淬槽.经水淬冷却到40以下.为完成这些工艺过程,镀锌生产线设置有锌锅,镀层控制设备,镀后冷却塔和水淬等设备:退火则不同,钢板在快冷段被冷却到400430oc后进入过时效段进行过时效处理.然后在最终冷却段冷却到200以下后密封进入水淬槽冷却到40以下过时效和最终冷却都是在充满保护气氛的炉子内完成的.因此,退火生产线需要设置过时效炉,最终冷却段和水淬槽等设备.,毯赠02004OO6008001000120O带钢长度,m图4连续热浸镀锌典型热处理曲线图常规连续退火生产线退火炉的过时效段和最终冷却段与其前面的快冷炉是通过一个很短的水平段
21、司0二罔一一一一锌一镀一甚一一逮一热;一/,.劫,j一一一/一一一一厂保一啪鲫瑚嗽工业炉第33卷第5期2011年9月带钢长度lm图5连续退火典型热处理曲线图连成一体.为了布置镀锌所须的工艺设备,两用机组则将退火炉的过时效段和最终冷却段与其前面的快冷炉拉开.布置镀锌所需要的锌锅,镀层控制系统和镀后冷却塔等设备.将过时效炉和最终冷却炉布置在镀锌冷却塔下面的空闲位置.然后再将过时效炉和快冷炉通过一段垂直炉和一段水平炉跨过锌锅上方连接起来,并在垂直段下方增设密封闸阀.退火时闸阀打开.钢板通过垂直炉进入过时效段和最终冷却段.实现退火工艺.镀锌时钢板不用通过过时效炉和最终冷却炉.闸阀关闭.钢板进锌锅和镀后
22、冷却段,实现镀锌工艺,见图6.这样一来成功实现了一条生产线既可进行钢板连续退火又可实现钢板连圈6连续镀镡和连退两用炉不意图3.2蓄热式辐射管燃烧系统退火炉蓄热式加热系统已经广泛应用于冶金,化工工业体系.但中钢研科技集团与国内相关蓄热式燃烧器企业合作将蓄热式辐射管燃烧系统成功应用于热镀锌生产线立式连续退火炉.走在了世界前列蓄热式燃烧系统辐射管退火炉主要结构如图7所示.该系统一根辐射管配置两个烧嘴.两个烧嘴交替燃烧,A烧嘴工作时.助燃空气先经A烧嘴的蓄热体加热,然后再与燃料混合燃烧:燃烧后的烟气加热辐射管后经过B烧嘴的蓄热体由烟道排出一段时间后.高温烟气将B烧嘴的蓄热体加热到了一定的温度改变辐射管
23、中气体的流动方向,B烧嘴工作.助燃空气由B烧嘴流入,烟气由A烧嘴排出.助燃空气和热烟气如此交替地流经A,B两烧嘴的蓄热体.通过蓄热体交换热量,将助燃空气预热至接近辐射管管壁温度.烟气温度可降至200oC以下,从而实现烟气热量的极限回收.空气,烟气流动方向的变换和烧嘴燃料气的通断是通过专用阀门和控制系统来实现的蓄热式辐射管燃烧系统大大降低了炉子的能耗,以生产CO级退火钢板为例,采用常规辐射管燃烧系统平均能耗为天然气3035m3/t,而采用蓄热式辐射管燃烧系统能耗为天然气2O25m3/t.节能30%以上不仅如此.蓄热式辐射管燃烧系统还可以使辐射管壁的温度更均匀.蓄热式辐射管表面温差只有30左右21
24、】烟气空气燃气图7蓄热式辐射管燃烧系统的结构示意图3.3热镀锌卧式折叠退火炉中国钢研科技集团根据用户需要设计并投产了一条卧式热镀铝锌折叠炉.属国内首创并成功申报了国家专利该炉型应用在高产量生产线上可显着减少投资,节省厂房长度,高度空间,灵活工艺流程配置,有较强的实用性该卧式折叠炉投产几年来运行良好.达到并超过设计指标(生产镀铝锌硅钢带厚度达62.5mm.镀锌钢带厚度可达3.6mm),为企业创造了良好的市场声誉和经济效益卧式折叠炉示意图见图81.入口段2.下层加热段3.折叠室4.上层加热段5.长b偿器6.均温段7,幸偿器8.均衡段9.热张辊窒l0.炉鼻子图8卧式折叠退火炉示意图23综述:国内外钢
25、带连续热镀锌退火炉与合金化炉的技术发展根据铝锌硅生产的实践经验.工艺速度t>70m/min时可获得较满意的镀层表面质量.产量要达到82t/h由于该生产线所在区域只能以电能作为炉子的能源且场地狭小.无法选用采用燃气加热炉的改良森吉米尔法工艺来减小炉体长度经计算该卧式炉在以较密集的电功率布置下炉长仍达到220m.而车间厂房总长只有300m为此创造性地开发了卧式折叠炉.总长220m的炉体分成上下两层,下层炉体总长100m.上层炉体总长(不含炉鼻子)120m全炉段设置了两套炉内纠偏系统:在折叠室的下层由两个炉辊组成自动闭环纠偏机构.保证钢带在炉内的对中运行:在热张辊室由三个热张辊组成手动纠偏机构
26、(35mm),保证钢带人镀液锅时的对中运行4结语近年来.国内外连续热镀锌退火炉与合金化炉均有较大发展.随着我国冶金技术和装备制造水平的不断进步,由国内自主研发设计的一些创新型有特色的退火炉技术装备不断取得进步.有力促进了行业技术进步和国民经济发展.参考文献:1】张启富.现代钢带连续热镀锌【M.北京:冶金工业出版社,2007.2】DCULCYC,GALDONF.RecentprogressintheprocesstechnologyofcontinuousofgalvanizinglinesC/7thlntemationalConferenceonZincandZincAlloyCoatedSt
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