陶瓷纖維在涂鍍退火爐優化設計中的應用

楊 勇，楊柏松，董 靜，王本鋒，莊克生

（1.重慶賽迪熱工環保工程技術有限公司，重慶401122；2.山東魯陽節能材料股份有限公司，山東淄博256100）

18 世紀50 年代熱鍍鋅技術出現，20 世紀60～70 年代先后發明了Galfan 與Galvalume，使鍍層耐蝕性提高了3～6 倍，上世紀80 年代鋅鋁鎂合金鍍層產品開始在日本商業化，中、高鋅鋁鎂鍍層其耐蝕性為熱鍍鋅鍍層的9～15 倍，并且滲透到建材、家電、汽車三大應用領域。由于鋅鋁鎂合金鍍層板的耐腐蝕性比熱鍍鋅板高數倍，因此可以大幅度減薄鍍層厚度，為節約鋅資源開辟了新的途徑。低鋁低鎂合金鍍層有可能全面取代熱鍍鋅鍍層。

1 退火爐爐型設計的現狀及問題

用于建材領域的鋅鋁鎂涂鍍產品對鋼材熱處理的延展率的性能要求沒有汽車家電板的要求高，為進一步提高帶鋼表面質量，減少原砌筑材料剝落造成的帶鋼表面劃傷和壓印[1]，多采用明火無氧化爐結合輻射管的方法來實現，這對爐型設計提出了較高要求，針對無氧化爐出現了多種選擇，例如多行程無氧化立式型爐（見圖1）、無氧化L 型爐（見圖2）和無氧化臥式型爐（見圖3）。

圖1 多行程立式無氧化爐示意圖

圖2 單行程無氧化L 型爐示意圖

圖3 無氧化臥型爐示意圖

除上述三種無氧化爐結構外，還包括因為布置的關系衍生出的折疊爐等等，但相比于臥式爐，立式無氧化爐的發展受到了一定限制，爐長不能最大限度延伸，爐型結構不合理；L 型無氧化爐和立式無氧化爐的設計上存在先天缺陷，設計為4 段供熱，32個燒嘴，有效加熱長度不超過18 m，因為旁通煙道和上下輥室的設計導致上下輥間距達到23 m 以上。

因此要想最大限度加高該爐子，燒嘴的燃燒尾氣流速不能過快，取而代之的是低煙氣流速的輻射傳熱燒嘴。立式爐燒嘴演變為端向供熱的輻射杯燒嘴，如圖4 所示。

圖4 端向供熱的輻射杯燒嘴實物圖

端向輻射杯燒嘴的無氧化臥型爐，雖然解決了充分輻射傳熱的問題，但僅限于清潔燃料，對大多數鋼鐵聯合企業采用焦爐煤氣為代表的用戶并不適用。

1.1 無氧化爐高度發展受限

繼續加高會導致高溫煙氣上浮嚴重，上部區域和最下部區域控溫困難，亟待改變傳統的側燒嘴輻射結合爐氣對流的設計，設計一種爐型將高溫輻射傳熱發揮到極致，從而將輻射熱量留在控制區內，有效傳遞給帶鋼，不對上部區域產生影響。

1.2 燒嘴磚結構不合理

無氧化立式爐段的燒嘴頻繁開啟，加之合溫度的劇烈變化，帶來了較多問題。某廠現在使用的無氧化明火段燒嘴，全部是進口元器件，隨著長時間使用，缺陷逐漸顯露出來。首先，最明顯的缺陷就是燒嘴磚厚度與支撐長度不匹配，導致燒嘴磚體下沉，支撐變形，進而無氧化爐爐段鋼結構外墻變形；其次，燒嘴磚體與后蓋板的連接方式不合理，經常出現連接桿脫落，導致燒嘴磚爐內出現多次掉磚事故，對爐體內部設備產生較為嚴重的損壞，同時碎磚絞入爐輥，與板帶擠壓出現大量廢次品；第三，燒嘴磚受急冷急熱影響剝落嚴重，粘附板面，造成板面質量問題。

1.3 耐材選擇不合理

無論選擇無氧化L 型爐、無氧化立式型爐和無氧化臥式式型爐的哪種結構，采用輻射傳熱都是最有效的選擇，這樣無氧化爐的耐火材料選擇就必須適應不同的溫度需要，見表1。

表1 不同類型陶瓷纖維長期使用溫度

1.4 鉻纖維組塊的使用

鉻纖維因其化學成分中含Cr2O3故被命名為含鉻纖維，和ZrO2一樣，在生產工藝方面都是通過高溫熔融甩絲成纖雙面針刺工藝加工制作，都對硅酸鋁纖維的析晶及晶粒長大有明顯的抑制作用，因此含鉻纖維有著和含鋯纖維類似的使用性能。

業內有部分企業采用鉻纖維組塊作為臥式無氧化爐的耐材，在溫度方面鉻纖維基本能滿足長期1 250℃爐溫的使用要求，但含鉻纖維材料的生產過程中、及高溫使用條件下，與廢熔融渣、鐵/鋼渣、玻璃水泥等接觸時，其中所含的Cr2O3與CaO、Na2O 或K2O 反應時極易形成六價鉻化合物（CaCrO4）。而六價鉻為吞入性毒物/吸入性極毒物，皮膚接觸可能導致過敏，更可能造成遺傳性基因缺陷，危害最大的是長期或短期接觸或吸入時有致癌危險。

國家在《中華人民共和國國家標準污水排放標準》、《中華人民共和國國家標準大氣污染物綜合排放標準》中對鉻霧酸以及六價鉻都制定了嚴格的排放要求。

2 改進內容及措施

2.1 無氧化爐耐火材料的選擇

傳統的臥式、立式直燃爐，尤其是針對熱軋板鋅鋁鎂涂鍍提高傳熱的有效手段是提高爐溫，同時提高爐襯的保溫性能。目前鋅鋁鎂無氧化爐的溫度以1 280 ℃較為普遍，個別項目中已經達到1 350 ℃，在此高溫下，為保證窯爐的長期安全、穩定運行，耐火材料的選擇尤為關鍵，現有耐火材料中，分類溫度1 600 ℃的全多晶氧化鋁纖維是最具安全性的一種選擇，目前在部分直燃爐中已經進行了全爐段多晶氧化鋁纖維的使用。而對于1 280 ℃爐溫的直燃爐，可采用全多晶氧化鋁纖維內襯結構，在考慮長期安全、穩定運行基礎上，綜合造價考慮，可選擇1600 型的多晶氧化鋁纖維與1430 型含鋯纖維復合結構的1500 型晶盾復合模塊（以下簡稱1500 型晶盾復合模塊），通過熱工計算確定熱面層——多晶氧化鋁纖維層的厚度，保證冷面1430 型含鋯纖維的長期安全、穩定使用，此種復合模塊結構已在多個項目中進行了驗證。本文以爐溫1 280 ℃的無氧化爐為例進行計算。

（1）爐膛溫度tk為1 280 ℃，爐殼溫度tc為76 ℃，環境溫度ta為25 ℃，爐墻總保溫厚度為330 mm。

襯里結構熱面至冷面依次為：

①1500 型晶盾復合模塊（300 mm）

②1260 型陶瓷纖維背襯毯（10 mm）

③貝克納米板（10 mm）

④1260 型陶瓷纖維背襯毯（10 mm）

（2）熱工計算

①熱工計算公式（爐墻為例）

外壁向環境散熱Qc：

爐膛內向爐外壁傳熱Qd：

熱阻R：

式中：tc為爐殼溫度，℃；ta為環境溫度，℃；tk為爐膛溫度，℃；δ1為保溫厚度，mm；λ1為導熱系數，W/（m2·℃）。

最終外壁溫度數值是根據爐膛向外壁散熱Qd≈Qc向環境散熱差值決定，差值應當無限趨近與零，通過Excel 表格計算，各材質界面及外壁溫度見表2。

表2 根據計算公式迭代的不同組合纖維厚度的界面及外壁溫度

根據熱工計算，目前50 mm 厚的1600 型多晶氧化鋁纖維與250 mm 厚的1430 型含鋯纖維界面溫度1 209.3 ℃，故在節約成本前提下，熱面采用部分1600 型氧化鋁纖維+冷面采用1430 型含鋯纖維模塊的氧化鋁纖維復合模塊，可根據不同爐溫進行匹配，以滿足長期的使用工況要求。

2.2 多晶氧化鋁纖維對于無氧化爐燒嘴區域舔火問題的解決方案

無氧化爐燒嘴舔火問題一段時間內一直存在，該部位比正常爐膛溫度高150～200 ℃左右，滿足高溫要求的情況下，爐襯結構的設計尤為關鍵。目前對易出現舔火情況的部位選用1600 型的多晶氧化鋁纖維，完全解決了燒嘴舔火情況出現時爐襯的耐溫問題，同時1600 型多晶氧化鋁纖維基礎上噴涂1800 高溫納米涂層，并通過特有的液體錨固釘固定，使熱面涂層與氧化鋁纖維牢固地結合成整體，高溫干燥后形成瓷化層，使該處的抗風蝕性能可達60 m/s 以上，完全解決了燒嘴舔火的問題。

2.3 無氧化爐燒嘴磚的改進措施

將燒嘴磚尺寸改為與襯里保溫厚度相等，噴射開口略微改動，不會影響火苗形狀。結合該爐燒嘴頻繁開啟的特性，對其進行結構優化，包括燒嘴磚周邊采用了多晶纖維組塊，強化了熱震穩定性，提高了耐火度；燒嘴磚爐內高溫面進行了專項處理（見圖5）。

圖5 無氧化爐燒嘴磚的優化設計示意圖及實物圖

優化后采用1500 微晶HP 復合燒嘴磚，燒嘴磚總厚與爐襯總厚度相同，燒嘴磚熱面采用1500 微晶纖維組件，該纖維組件具有可耐1 600 ℃高溫，抗急冷急熱效果優良等優點，此優化結構可解決因燒嘴頻繁開啟冷熱交替造成傳統燒嘴磚開裂、變形的問題，另一方面1500 微晶HP 復合燒嘴磚重量輕，減輕了對燒嘴磚支撐件的壓力，長期使用可靠，同時保溫效果可在原燒嘴磚的基礎上提升5%～10%。

原燒嘴磚尺寸為325 mm，總質量53 kg，改善后磚體尺寸為228 mm，總質量40 kg，減輕13 kg。且燒嘴支撐也隨之改進縮短，爐墻外殼支撐力明顯減少，在500 ℃高溫下也不易變形，對爐體使用壽命的延長有很大幫助。改善后的燒嘴不會加強爐內溫度的傳導，對外墻的保溫性也沒有影響。連接方式由原來的拉釘改為預埋螺栓，保證磚體與后蓋板連接穩固且不易脫落。

改善后的備件成本能夠降低20%左右，且使用時長較之前的高出近30%（原使用壽命在2～3 a，改進后的預計在3～4 a）。

無氧化爐燒嘴磚受到沖刷和急冷急熱的工況影響，容易產生開裂、剝落，采用陶瓷套管和熱噴涂是一種有效的應對策略；目前采用的對策是，利用多晶纖維特性將其分條交錯貼服在燒嘴磚熱面，可有效防止燒嘴磚表面開裂、剝落，使用周期超過1 年，且更換方便。

推薦無氧化爐采用組合式陶瓷纖維組塊，但燒嘴磚周邊必須做有效防護，同時也是提高燒嘴磚壽命的有效方法。

2.4 多晶氧化鋁纖維對無氧化爐燒嘴區域掉渣問題的改進

在無氧化爐帶鋼生產工藝中，為提高爐膛內的純凈度，減少雜質或顆粒物對帶鋼的劃傷、損傷，常規是通過采用熱面鋪設不銹鋼板層來達到潔凈度的要求，但在直燃段中因爐溫高，不銹鋼襯板無法達到高溫不變形的要求，所以在該處多晶氧化鋁纖維充分發揮了它“耐溫高、無渣球”的作用，改進包括各個方向的砌塊、燒嘴區域的特殊處理等（見圖6），目前已在多個無氧化爐中進行了使用。

圖6 無氧化爐燒嘴磚附近區域多晶氧化鋁纖維實物圖

3 熱軋板為主體的臥式退火爐

為改變立式爐側部高速燒嘴燃氣迅速上浮的問題，普遍采取的措施是提高溫度，強化輻射，并不是有意提高爐段高度，這樣在傳統設計基礎上繼續增大燒嘴功率，只能增加燒嘴火焰直徑、剛度、增加燒嘴功率的控制難度，而且只是提高了燒嘴區的輻射溫度，并不能有效提高爐區均勻輻射溫度。

因此將爐段改為正面均勻輻射的設計勢在必行，由此而來的就是預混的正面輻射燒嘴。

這一設計的優點是采用平面密布的輻射杯燒嘴，增加了輻射面積，也使輻射溫度更高更均勻，同時減少爐氣的流動速度，使得各段的控制變得相對容易。但該設計僅僅適合于立式無氧化爐，臥式無氧化爐沒有爐氣上浮的弊病，仍然建議采用傳統的側向高速燒嘴。

3.1 無氧化爐設計突破傳統溫度限制

如圖7 所示，傳統的機組混合了熱軋板和冷軋板的生產，最大的特征就是針對冷軋板設計清洗段，爐區功能可以將熱軋板帶加熱到670 ℃，以實現表面還原；同時也適應冷軋板，可以將冷軋板帶加熱到750 ℃或者780 ℃，然后通過爐內保護氣體冷卻器冷卻到鋅鋁鎂要求的涂鍍溫度[1]。

圖7 新型熱基無氧化爐鋅鋁鎂機組的爐區布置圖

因此采用高氫無氧化爐的設計允許突破傳統的鋼材相變點之前的加熱溫度，從而達到減少氧化的目的。

3.2 均熱段僅僅起到還原及補熱的作用

均熱段的供熱不再為鋼材加熱提供熱源，而是滿足表面還原所需的熱量，及帶鋼的保溫，也就是說需要維持帶鋼始終處于升溫狀態。

因此優化的該段供熱采用電輻射管設計較合理，同時解決了NOx排放物超標的問題。

3.3 冷卻段提高氫氣在保護氣中的比例用于帶鋼還原

該設計的核心是來自爐區出口段的氫氣比例較高，還原速度較高，同時針對明火燃燒段，燃氣是根據氣體燃燒速度進行化學反應的，氫氣流入無氧化爐后會先期燃燒，這樣無形中造成了無氧化段助燃空氣氧氣不足，燃燒不完全，產生較多的CO，進入預熱段后，CO 形成了對帶鋼的有效保護，因此如何處理CO 就成為無氧化爐預熱段的設計關鍵。

本設計采用的是在預熱段和加熱段結合部增加兩只補燃燒嘴，該燒嘴僅用于控制無氧化爐預熱段的CO 濃度低于爆炸極限，但仍保留部分CO 進入煙道，同時在煙道增加另外兩只補燃燒嘴，該補燃燒嘴的空氣通入量需要徹底燃燒剩余CO，確保下游設備安全。

通常的無氧化爐爐內燒嘴趨于大型化，為450～500 kW，而補燃燒嘴設定為245 kW。

4 實施前主要指標及改造后達到指標

根據某廠無氧化爐實施前由于耐火材料脫落造成的廢次品統計情況見表3。

表3 由于耐火材料脫落造成的損失

廢次品大部分為停車降速造成，由于爐內掉磚造成的停車降速所產生的廢次品占總廢次品的6%左右，即平均每年150 t 左右。

在2013 年7 月中修中，已經使用改善后新備件，年指標中可以看出，廢品量較前三年減少近300 t，其中由于掉磚產生的廢次品為90 t 左右，事故率降低近30%。

5 結論

（1）立式無氧化爐會受到高度的限制，無法滿足較大產量的生產要求，最終還是會回到臥式無氧化爐為主的狀態。

（2）無氧化爐燒嘴磚受到沖刷和急冷急熱的工況影響，容易產生開裂、剝落現象，采用陶瓷套管和熱噴涂是一種有效的應對策略；目前采用的對策是利用多晶纖維的特性將其分條交錯貼服在燒嘴磚熱面，可有效防止燒嘴磚表面出現開裂、剝落等缺陷，使用周期超過一年；同時也方便更換。

（3）推薦無氧化爐采用組合式陶瓷纖維組塊，但燒嘴磚周邊必須做有效防護，同時也是提高燒嘴磚壽命的有效方法。