连续热镀锌生产线退火炉设计浅析

目录
一.概述 (1)
二.热镀锌线中退火炉工艺 (2)
三.退火工艺的确定 (2)
四.炉型选择 (3)
1. 产品的规格和品种 (4)
2. 退火炉的生产能力 (4)
3. 带钢热处理的要求 (4)
4. 带钢表面质量的要求 (5)
5. 事故处理 (5)
6. 厂房的要求 (6)
五.烧嘴选型及燃烧控制 (6)
六.带钢张力分布与控制 (7)
七.带钢质量控制 (8)
1. 防止炉辊结瘤技术 (9)
2. 防止带钢跑偏技术 (9)
3. 防止带钢产生热瓢曲技术 (10)
八.内衬结构 (11)
九.节能技术 (11)
1. 预热助燃空气 (11)
2. 预热带钢 (11)
3. 生产热水或蒸汽 (12)
十.结语 (12)
连续热镀锌生产线退火炉设计浅析
一.概述
镀锌是目前应用最广泛的板材防腐方法，连续热镀锌则成为当今世界发展最快的镀锌技术。

连续热镀锌方法主要有森吉米尔法/改良森吉米尔法、美钢联法、柯克-诺尔特法（即惠林法）、塞拉斯法四种。

世界各国的连续热镀锌生产线采用森吉米尔法的最多，美钢联法广泛用于生产汽车用钢的连续热镀锌生产线上。

改良森吉米尔法和美钢联法的主要区别在于前者采用了无氧化加热段（NOF或DFF），而后者采用间接加热。

镀锌板主要用于建筑、汽车、轻工、家电、商品包装及农牧渔业。

随着国民经济的飞速发展，市场对镀锌板的需求大幅度增加，估计到2005年我国镀锌板的产能将达到1200万吨以上。

首钢目前已建成一条年产17万吨的1#连续热镀锌生产线，还有一条年产36万吨的2#连续热镀锌生产线在建，此两条生产线均采用美钢联法，由比利时CMI公司技术总负责。

通过对这两条生产线关键设备退火炉的转化设计，笔者认为掌握和应用连续退火炉技术有很深的学问，本文将通过退火工艺制定、炉型选择、烧嘴选型及燃烧控制、带钢张力分布与控制、带钢质量控制、内衬结构、节能技术等几个方面探讨一下连续退火炉的工艺和结构设计。

二.热镀锌线中退火炉工艺
冷轧或热轧带钢进入退火炉后，首先经过预热段将带钢预热带一定温度，然后进入加热段将带钢加热到再结晶温度之上，接下来在均热炉中保温、均热，使再结晶进行完全，并把带钢表面还原成活性铁状态，然后经喷射冷却炉把带钢冷却到入锌锅的温度，这就是退火炉的一般工艺过程。

由此可见，退火炉在连续热镀锌生产工艺中一般有以下三个作用：一是完成晶粒的回复、再结晶；二是清洁、还原带钢表面，使之达到适宜镀锌的状态；三是加热带钢到入锌锅的温度。

三.退火工艺的确定
带钢在退火炉中的加热、均热、冷却必须按一定的退火工艺曲线来进行，不同品种带钢的退火曲线是不同的，退火曲线所描述的就是退火周期。

对于冷轧基板的退火周期，研究和实践都很多，因此有较为成熟的退火曲线可以借鉴，一般的退火周期如图1所示。

首钢目前的两条退火炉均采用此退火周期。

对于常规热轧基板来说，热轧已经完成了晶体组织的形成，退火炉的作用只是将带钢表面处理成适于镀锌的状态，而对晶粒没有考虑，所以带钢一般的加热温度为550℃[1]。

而对于短流程热轧基板，根据唐钢、邯钢热轧热镀锌线借鉴法国斯坦因公司和美国电炉公司的经验，退火温度因热轧卷的卷取温度而异[1]。

⏹
卷取温度在700℃以上时，退火温度为600℃左右； ⏹
卷取温度在600～680℃时，退火温度为650～680℃； ⏹ 卷取温度在600℃以下时，退火温度为680～700℃。

四. 炉型选择
热镀锌连续退火炉炉型大致可分为卧式、立式和立卧混合式（即L 形炉）三种。

一般根据以下几个因素来选择热镀锌连续退火炉的炉型。

图1 带钢退火工艺曲线
050100150200
250300350400
Distance into Furnace (M)
S t r i p T e m p e r a t u r e (D e g C )
1.产品的规格和品种
一般卧式炉可生产的钢种较少，只有CQ、DQ级，立式炉可生产的品种较多，CQ、DQ、DDQ、EDDQ、FH、IF 等品种都可生产，L形炉可生产CQ、DQ和HSLA等钢种。

在卧式炉中，带钢和炉辊为线接触，它不受冷轧带钢规格的限制；而在立式炉内，带钢和炉辊的接触有一定的包角，一般为180°。

带钢越厚，要求炉辊直径就越大。

因而，立式炉对带钢的厚度有一定的限制。

从此方面考虑，卧式炉较立式炉有更强的适用性和灵活性。

2.退火炉的生产能力
机组的年处理量在20～25万吨以下或退火炉能力在60t/h以下，多选择用卧式炉；年处理量在20～25万吨以上或退火炉能力在90t/h左右，多选择用立式炉。

L形炉的生产能力只比卧式炉稍高一些。

3.带钢热处理的要求
有些品种的带钢需要较长的均热时间或较长的过时效时间，带钢在这些炉段的长度就较长。

一般而言：
⏹当带钢在炉长度小于150m时，可选用卧式炉
⏹当带钢在炉长度大于150m时，可选用立式炉；
⏹L形炉可根据实际要求用于带钢在炉长度大于100m
而小于200m的情况。

4.带钢表面质量的要求
在卧式炉中，带钢和各炉辊之间为线接触，容易产生相对滑动，使带钢表面上的残余铁粉脱落而粘在炉辊上，造成炉辊表面结瘤而划伤带钢。

在立式炉中，炉辊数量相对较少，带钢和各炉辊之间为面接触，不易打滑。

炉辊分别处于上下炉辊室内，炉辊的环境温度较低并与带钢温度尽可能地接近，加之炉辊表面的喷涂，改善了炉辊表面的粗糙度，可有效地防止炉辊结瘤，减少带钢划伤。

此外，炉辊制作成不同的凸度，带钢在一定温度下反复缠绕在各炉辊上，既起到了防止带钢跑偏的作用，又有利于改善带钢板形。

因此，在以建筑、家电业为主要产品的连续退火多采用卧式炉和L形炉，在以汽车板为主要产品的连续退火多采用立式炉。

5.事故处理
炉型不同，当发生炉内断带事故时，处理的难易程度和所需的处理时间有很大的差别。

卧式炉发生断带，最易处理，处理时间最短，一般在l～4小时左右；而立式炉的处理时间一般在13～24小时；L形炉根据断带位置的不同，一般需要8～13小时。

6.厂房的要求
卧式炉一般较长，因而要求足够长厂房，但对天车的要求较低；而立式炉则对厂房的高度要求较高，对厂房长度要求较低；L形炉的要求介于两者之间。

综合考虑以上因素，首钢1#热镀锌生产线以生产建筑板为主，连续退火炉采用卧式炉；2#热镀锌生产线以生产家电外板和汽车内板为主，连续退火炉采用立式炉。

五.烧嘴选型及燃烧控制
在连续热镀锌退火炉上，除在无氧化加热段采用短火焰烧嘴外，其余加热段均采用煤气辐射管间接加热。

辐射管一般有U型、W型及P型。

目前采用烧嘴多为鼓抽式低NO x 自预热烧嘴。

此烧嘴的助燃空气由鼓风机鼓入，其燃烧产物由引风机排出。

辐射管内为负压，避免辐射管破裂时烟气进入退火炉内污染气氛。

烧嘴一般带有自身预热装置，可利用烟气将助燃空气加热至500℃以上，从而节约燃料。

此外，为避免高温区过于集中，一部分低温烟气与助燃空气混合再次进入辐射管，目的是降低火焰根部温度，从而使燃烧产物中NO x含量小于150×10－6(O2含量为11%时) [2]，降低了NO x 向大气的排放量，而且使得辐射管沿长度方向上温度分布均匀，提高带钢的加热质量和辐射管的使用寿命。

烧嘴的燃烧控制方式一般有两种，一种是双限幅交叉控
制，即助燃空气和煤气在线检测并可连续调节，空燃比可直接、准确地调节到所需要求。

另一种是脉冲燃烧控制，即烧嘴只工作在开/关两种状态下，用户可根据对烧嘴功率、空燃比、喷出速度等要求将烧嘴一次性调至最佳状态，这样每次启动烧嘴时，烧嘴都工作于最佳工作状态。

控制烧嘴的供热量，是通过改变烧嘴的启、停时间及各个烧嘴的工作时序完成的。

前一种方式的优点是控制简单、操作方便，缺点是调节时间较长、调节比小、调节时炉温不均匀；而后者优点则是调节反应灵敏、调节比大、调节时温度均匀，缺点是控制复杂、控制设备要求高。

本人认为对产品规格种类多、温度控制精度要求高的退火炉宜采用脉冲式燃烧控制方式。

六.带钢张力分布与控制
带钢在退火炉内的运行需要一定张力驱使，由于工艺条件不同，各区对带钢的张力要求是不同的。

镀后冷却塔一般较高，达40m以上，加之气刀的喷气速度很高，带钢极易抖动，破坏镀层的均匀性。

因此，该区域应以高张力运行，一般控制在1.0～1.3kg/mm2。

而在退火炉内，带钢温度很高，有的品种达到850℃，为减少带钢变形和断带，应以低张力运行，一般控制在0.2～0.4kg/mm2。

在立式退火炉中带钢张力的分布如图2所示。

因此，在退火炉的出口即炉鼻处设立双辊或三辊热张紧辊，将退火炉区和镀锌区的带钢张力分开，满足不同工艺的
要求。

带钢要在退火炉的预热段、加热段、均热段及喷冷段运行，由于各段的工况不同，带钢在各段的张力就存在差异。

在各炉段甚至各行程的张力就有差异。

为使带钢运行速度和各炉辊的线速度保持一致，各炉辊均采用单独交流传动。

各炉段均设有张力检测辊。

通过各炉段带钢张力实测值，调节各炉辊的转速，以恒力矩实现各段带钢张力的微调。

七. 带钢质量控制
在退火炉中，控制带钢质量的主要措施有防止炉辊结瘤技术、防止带钢产生热瓢曲技术和防止带钢跑偏技术。

0
20
40
60
80
100120
140
160
180
050100150200
250300350400
Distance into Furnace (M)
U n i t T e n s i o n (k g /s q .c m )
1.防止炉辊结瘤技术
带钢在炉内产生划伤和麻点的主要原因就是炉辊结瘤。

根据对瘤子的射线衍射分析表明，瘤子主要由Fe、Fe2O3、Fe3O4组成[3]。

由此判断形成结瘤的主要因素有：
⏹带钢表面的残余铁粉粘在炉辊上；
⏹带钢运行速度与炉辊线速度不一致，产生相对运动，使铁粉滞留在炉辊上；
⏹炉辊的工作温度高和炉辊表面的抗温性差，导致滞留在炉辊表面的铁粉等杂质更易结瘤。

解决以上问题的主要措施有：
⏹带钢在进入退火炉之前，需进行碱洗、电解脱脂、刷洗、漂洗等工序，使带钢表面油脂和铁粉含量双面小于8mg/m2[2]；
⏹各炉辊均采用单独交流传动，使带钢运行速度和各炉辊的线速度保持一致，减少相对运动；
⏹炉辊表面进行陶瓷喷涂，如LC-IC、LOC-17等涂层，可提高炉辊的抗温性和表面粗糙度，减少相对滑动。

2.防止带钢跑偏技术
带钢在立式炉内的长度一般达300m以上，且带钢在炉内的速度达180m/min，因而极易发生跑偏。

所在可采取以下措施来防止带钢跑偏：
⏹在退火炉内带钢温差较大（即易发生跑偏）的位置安装带钢自动纠偏辊。

通过电容式或电感式检测装置和炉内摄像头来检测带钢的跑偏量，再通过纠偏辊纠偏。

纠偏辊有两种:双辊水平纠偏与单辊上下纠偏；
⏹炉辊设计成带有凸度的辊形，使得带钢在绕辊运行时产生向心力，将跑偏的带钢向炉辊中央拉，防止带钢在高速运行时跑偏。

3.防止带钢产生热瓢曲技术
带钢热瓢曲是连续退火炉内易产生的带钢表面缺陷之一。

产生热瓢曲的主要原因是凸度辊上的张力不均匀和带钢在炉内温度分布不均匀[4]。

根据带钢热瓢曲产生的机理，防止带钢热飘曲技术主要有：
⏹采用先进的加热装置，提高辐射管温度均匀性，合理交错布置辐射管，使炉内温度场更加均匀。

在无氧化退火炉内，采用强对流预混无氧化烧嘴，并使烧嘴合理交错布置，强烈搅拌炉内气氛，使炉内温度场均匀。

⏹对于有一定凸度的炉辊，对应有一个热瓢曲发生的极限张力，所以在退火炉内，张力应保持在该极限张力之下。

对于宽薄带钢，日本千叶公司的经验是采用低张力操作（0.3～0.5 kg/mm2）[4]。

八.内衬结构
目前热镀锌连续退火炉炉内衬多采用轻型结构。

除底部采用轻质隔热砖与纤维模块组合结构外，炉内衬全部采用陶瓷纤维或陶瓷纤维与硅钙板的复合结构，并用不锈钢板覆面，因而从根本上解决了砖砌炉体蓄热能力大、炉温控制响应速度慢、严重影响带钢的表面质量的缺点。

水平炉中要注意防止炉顶耐火材料受到还原性H2的影响，使纤维起渣球剥落在带钢表面而影响镀锌质量。

九.节能技术
节能是工业炉设计的永恒主题，是贯彻国家开源节流能源方针的重点工作内容。

因此在连续退火炉上也要采取一些节能措施，提高热效率。

1.预热助燃空气
辐射管加热多采用自身预热式烧嘴，辐射管的末端安装热交换器，可将助燃空气预热到500℃；直接无氧化加热的烧嘴，其助燃空气在烟道内可被烟气通过换热器预热到450～600℃。

2.预热带钢
在卧式或立式退火炉中都可先预热带钢。

在卧式无氧化加热退火炉中，延长加热段，不设供热装置，利用燃烧产物
直接预热带钢，可将带钢预热到250℃以上；在立式退火炉中，在加热段前设置预热段，可利用无氧化加热段的燃烧产物直接预热带钢，或利用间接加热段的燃烧产物通过换热器先加热保护气体，再用热保护气体预热带钢，可将带钢间接预热到200℃以上。

间接预热较直接预热，更有利于带钢的表面质量。

3.生产热水或蒸汽
加热段排出的烟气在预热完带钢后仍达600℃左右，可利用烟气通过余热锅炉来加热热水或产生蒸汽，用于炉前的清洗段和炉后的光整拉矫。

十.结语
以上是笔者对热镀锌机组连续退火炉的初步认识，国内陆续新建多条热镀锌机组，各家采用的退火炉技术也不尽相同，各有千秋。

随着退火炉技术的不断发展，我们应不断学习，博采众长，结合各企业的实际情况，设计出具有竞争力的热镀锌机组连续退火炉。

参考文献
[1] 郑海燕、陈永弘等.热轧热镀锌退火炉的选型和退火周期的确定.河北冶金.2004，（1）：18～20
[2] 马国和.现代热镀锌连续退火炉炉型选择及其特点分析.工业
炉.1998，（1）：12～18
[3] 罗志平、潘牧等.连续退火生产线陶瓷涂层炉底辊的研究.机械工程材料.1998，22（6）：20～22
[4] 黄夏兰、彭俊.连续退火炉内带钢热标曲的产生机理及控制方法简介.中国金属学会.能源与热工2002学术年会，2002.288～293 [5]. 李九龄.带钢连续热镀锌.（第2版）.北京，冶金工业出版社，1995。