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鍍鋅鍋

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第五節 鋅鍋的安全運行

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所謂鋅鍋的正常或安全運行,是指使用過程中,鋅鍋內壁的穩定腐蝕速度小于4mm/a。如果認真做好熱鍍鋅爐和鋅鍋的設計與制造,并特別注意加熱和運行中的溫度測量及控制,那么運行過程中一般不需對鋅鍋進行專門的檢查,根據使用時間和產量決定更換期限就可以了。

1.鋅鍋的加熱與控制

除了鍍鋅爐和鋅鍋結構設計、加熱升溫熔鋅規范等影響鋅鍋壽命外,運行中鋅鍋的加熱與控制方法對鋅鍋使用壽命也有重要的影響。為了方便討論這一問題,在此引入加熱強度的概念。所謂加熱強度是指熱源在單位時間內向單位面積鍋壁提供熱量的多少。若提供的熱量總額一定,所花的加熱時間越長或受熱面積越大,則加熱強度越小;反之,則加熱強度越大。

熱源通過鋅鍋壁向鋅液輸入的熱量和鋅液加熱鍍件、鋅液面散熱等輸出的熱量之間處于某種動態平衡狀態,則鋅液相應處于某一溫度。只有這種動態平衡處于一種合適的狀態,鋅液才能保持所需要的溫度。熱源加熱鋅鍋時,鋅鍋的內外壁之間會產生一個溫度梯度,這是進行熱傳輸所必需的。這個溫度梯度與加熱強度及鋼的傳熱系數之間存在一個函數關系。鋼的傳熱系數在一定溫度范圍內變化不大,如果將其視作常數的話,鋅鍋壁的溫度梯度與加熱強度之間就是一個正線性函數,如圖1-5所示。加熱強度增大時,會使鍋壁溫度梯度加大,鍋內壁溫度提高。

第五節 鋅鍋的安全運行.jpg

液態鋅與鋅鍋內壁接觸并發生反應,因反應侵蝕而會使鋅鍋壁的有效厚度減薄,反應最劇烈的溫度范圍為490~530℃之間。因此,加熱鋅鍋時,應使鋅鍋內壁任何局部點的溫度都低于這個溫度范圍。降低加熱強度,鋅鍋內壁及附近的鋅液溫度也會降低,與鋅鍋工作區之間的溫差就會減小。

鋅鍋內壁的溫度越均勻越好,并且任何局部點都必須低于490T.,這是人們所希望的。雖然鋅鍋內壁溫度通常不能直接測量出來,但是如果這個溫度經常處于或高于臨界溫度,可以從生成的鋅渣數量增加而顯示出來。鋅渣除來自鍋內工件和鍋壁上飄離出來的ζ晶粒外,鍋內壁的鐵通過鐵鋅合金層擴散進入鋅浴與鋅反應也會形成。鐵在鋅液中的飽和度為0.035%(450℃時),過量的鐵將使ζ晶粒長大,擴散進入鋅浴的鐵的量取決于鍋內壁溫度。當形成的鋅渣突然增多而沒發現其他原因時,基本可以肯定是由于鍋壁與鐵鋅合金層界面溫度太高所致。建議用圖表畫出每周鋅渣產出數量(雖然每周的鋅渣量會有所變化,但每4~6周的平均值誤差就不會大大),當鋅渣量有增加的趨勢而沒有發現其他原因時,可以說明內鍋壁的溫度高于臨界值,鋅液侵蝕鋅鍋的程度大于正常情況。

生產實踐中為了提高生產率常希望提高鋅鍋的加熱強度,甚至使鋅鍋在臨界的加熱強度下運行。這樣就必須首先了解鋅鍋允許的臨界加熱強度是多少,即鍋壁不產生嚴重侵蝕時,鋅鍋壁單位時間內每平方米面積所允許的最大傳熱量。這個熱量通過臨界鍋內壁溫度490℃與鋅液的溫差,以傳熱系數α=698W/(㎡·K)向鋅液內傳輸。為了保持鋅浴溫度恒定,需要補償的熱量包括:提高鍍件的溫度達到鋅溫所需要的有效熱量、鋅浴表面的散熱、熔化添加鋅錠所需的熱量。鋅浴恒溫時,輸入的熱量與鋅液所吸收的熱量達到平衡條件;再根據鋅浴的溫度和液態鋅與鋼的熱參數,計算出不同鋅浴溫度下浸入的鋼鍍件的產量。通過改變鋅浴溫度、鍍件產量(或鋅鍋供熱量)的計算和對比可以得出如下結論:

1)高鋅液溫度下的高產率不可避免地導致鋅鍋在臨界的加熱強度之上運行,造成鋅鍋很快損壞。

2)在正常的鋅鍋侵蝕速率的限制下,較高鍍鋅溫度下獲得的產量低于較低鍍鋅溫度的產量。

3)增加產量使有效熱量與供熱量的比率明顯增加。

可見,在鋅鍋運行過程中,控制每小時最大的產量和合適的鋅浴溫度是避免鋅鍋被過快侵蝕的惟一方法。在整個生產期間內,每小時和每批浸鋅的鍍件重量都應盡量均衡,不能僅僅檢查和控制每班或每天的鍍鋅件總產量,以避免發生產量集中在其中某一段時間而使鋅鍋過負荷的現象。

實踐中要使鋅液溫度盡量降低,同時要限制對鍋壁的加熱強度,以減少鋅液對鋅鍋內壁的侵蝕。但最低鋅液溫度決定于每次浸入的最大構件量。太低的溫度會使溶劑沸騰時間過長,從而降低了產量,鍍層也會過厚。一般情況下,鋅浴溫度保持在445~460℃較為合適。

在正在加熱的鋅鍋中,鋅液是不斷運動的,它沿加熱的鍋壁表面向上流動,靠近鋅浴表面時溫度有所降低從而轉向流入鋅鍋中間,再向下流。ζ晶粒由鋅液帶動會沉積在鋅浴表面約100mm以下的鍋壁上。如果這一主要由ζ組成的硬層逐步變得過厚,一定要小心地刮去。當向鋅浴中添加鋅錠時,由于固體鋅錠與鋅液的密度不同(分別為 7.2g/cm3與6.6g/cm3,鋅錠會沉至鋅鍋底部。干燥的鋅錠比潮濕的鋅錠下沉得快,因為鋅錠上潮濕的水汽被加熱汽化變為蒸汽,會使鋅錠在鋅浴中來回移動。當鋅錠碰到鍋壁使時,會破壞起保護作用的鐵鋅合金層。

2.定期清除鋅渣

鋅鍋投入運行后,鋅渣會不斷地產生。如前所述,鋅渣主要來源于鋅液與鍍件、鋅液與鋼鍋壁反應作用生成的ζ顆粒。因此,鋅渣量的多少與熱鍍鋅的產量和熱鍍鋅的工藝條件有關,與鍋內壁的溫度有關。ζ晶粒的密度只是稍微大于鋅液的密度。ζ晶粒被流動的鋅液帶著,除部分附著在鋅鍋壁外,其余大部分最后會降落到鋅浴的底部而形成鋅渣。鋅渣的厚度不應超過100mm,以避免被鍍件攪動,大量浮在鋅浴中進而被鍍件鍍層吸附,致使鍍件表面變得粗糙;鋅渣層太厚也會使鋅鍋中鋅浴的有效深度減小。必須防止鋅渣長期、過量積聚。對一些鋅鍋穿孔漏鋅事故的調查研究表明,穿孔與鋅鍋內壁鋅渣過量積聚有關。鋅鍋內壁處積聚大量鋅渣時,該處沒有了鋅液的對流,熱量難以散失而使鍋壁溫度上升,造成該處鋅鍋內壁的腐蝕加速,如不能及時發現,將較快發展至穿孔。鋅渣長時間積聚還會使鋅渣牢固地粘附在鋅鍋壁,增加清除難度。因此,鋅渣層較厚時必須用撈渣器清出鋅渣。清渣的間隔時間視產量而定,通常為每周一次。鍍件的浸鋅時間短,可以減少鋅渣的形成。

3.短期停止生產時對鋅鍋的處置

潔凈的鋅浴表面其熱損失約為54000kJ/(㎡·h)。短期停止生產時,例如。周末休息日、短期假日、設備檢修等,整個鋅鍋要加蓋保溫性能良好的隔熱蓋,以減少熱的損失;同時要減小對鋅鍋的加熱強度,保持鋅浴溫度即可。有人認為,停產后降低鋅溫可節約能源,這種想法是片面的。短期停止生產期間,在加有保溫性能良好的隔熱蓋的情況下,為了維持鋅浴溫度不下降所消耗的熱量,與鋅浴自行降溫后再重新加熱到正常鍍鋅溫度所需熱量之間的差別不是很大的。但是,鋅浴溫度降低時鐵在鋅浴中的溶解度會減小,過飽和的鐵與鋅反應析出細小的ζ晶粒。當升溫工作時,ζ晶粒不能馬上溶解而懸浮在鋅液中,吸附在鍍件鍍層上而使其表面粗糙。

另外,如果切斷加熱系統讓鋅浴自然降溫,停止了相應的控制和報警系統,掌握不當,鋅浴會因過度降溫而凝固。

對于燃料加熱蓄熱較大的耐火磚結構的鍍鋅爐,鋅鍋加保溫蓋后,一定要認真檢查,以確保鋅浴的溫度不能升高太多。

4.鋅錠和鋁、鉛的加入

按照鋅的消耗,每一班或兩班后必須向鋅鍋內添加等量的鋅錠,不要數天后集中加入大量的鋅錠,造成鋅溫較大波動。少量的鋅錠可用人工加入,大量的鋅錠必須用起重機或其他合適的機械。如果需要同時加入較多的鋅錠,要沿整個鋅鍋長度均勻地分配加入。

鋅浴中含鋁可以減少鋅灰的形成,使鍍層外觀光亮。鋁在鋅液中的最大質量分數不能超過0.02%。鋁量太少會使鍍件的表面有黃色的色澤,鋁量太多則會造成漏鍍和加快鋅鍋的侵蝕。鋅鋁合金要定期加入鋅鍋。

鉛在鋅液中最大的溶解量為450℃時1.2%(質量分數),鉛的密度比鋅大,加入過剩的鉛會沉至鋅浴底下。在純鋅浴中,加入鉛并維持其質量分數在0.6%以上時,有利于鋅渣沉入鍋底。當鉛錠放入鋅液時,就會直接下沉至鋅浴底部逐步熔化,絕大部分錯并沒有溶入鋅浴內,而是滲入鋅渣層并積累在鋅渣層以下,清除鋅渣時一部分的鉛會隨鋅渣帶走。因此,向鋅浴內添加鉛最好采用定期分散加入細小鉛粒的方法。


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