CN102057062A - 金属带连续退火或镀锌生产线的操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于金属带的连续退火或镀锌生产线的操作方法，所述生产线包括直接火焰加热段(9)，后者包括上游区(10)和下游区(11)，该直接火焰加热段(9)后跟辐射管加热段，而该金属带在该直接火焰加热段(9)中被间接加热。按照本发明，在上游区(10)中，金属带的加热是通过燃烧大气空气和燃料的混合物而获得的，使得燃烧气体的温度为1250℃-1500℃，优选为约1350℃，而在下游区(11)中，金属带的加热是通过燃烧低于化学计量的空气和过充氧燃料的混合物而获得的，使得燃烧气体在上游区(10)终点所达到的温度保持直到直接火焰加热段(9)的下游区(11)的终点。

Description

金属带连续退火或镀锌生产线的操作方法

本发明涉及金属带连续退火或镀锌生产线的操作方法。

钢的冷轧会使钢由于冷加工而硬化，这使钢变脆，使轧制钢带的最后成型变得困难，甚至不可能。

为了恢复钢的延展性，人们进行被称为“再结晶退火”的热处理。钢带在连续走带中的热处理是在炉中实现的，该炉保证对钢带进行加热，使温度均化并在要求的温度下保持达所要求的时间。钢带可以在带有辐射管(RT)的炉中或在包括直接火焰加热(DFF)和在带辐射管的炉中使温度均化/保持的混合装置的炉中被加热。

在连续退火中，在辐射管段的上游利用直接火焰炉段，可以缩短温度上升时间，并因而缩短炉的总长度，这便于钢带的良好引导。再者，直接火焰炉保证钢带表面洁净，可省去退火之前的钢带去油步骤。

这样的炉已同样用于镀锌处理。

对于诸如建筑、汽车或家用电器等的某些应用，人们在钢带的表面上沉积薄的锌层或基于锌的合金层，以改善钢带的耐腐蚀性。该保护层是在连续的镀锌生产线上产生的，该生产线包括如上述的炉，用来保证钢带的退火并在镀锌操作之前使之处于正确的温度下。

在炉的出口处，该钢带应该没有所有表面氧化痕迹，以便与熔化合金进行正确熔合。

按其原理，该直接火焰炉保证诸如天然气或燃油等的燃料在空气中的燃烧。钢带的加热同时用辐射和与燃烧气或燃烧气体的接触对流来保证。

燃烧气体的最高温度通常是在按化学计量的条件下，亦即在空气和燃料都不过量的条件下获得。空气过量导致能使钢带表面氧化的游离氧的存在。反之，燃料过量会释放为还原因素的一氧化碳和氢。

对于炉的气氛的氧化或还原钢带表面的能力，在给定的燃烧气体温度下，随着可用的还原要素(CO+H₂)的百分数而变化。

专利US 3,320,085指出，在直接火焰炉中可以把(CO+H₂)含量维持在3％至6％附近，以便保证钢带在还原条件下加热的目的。

在直接火焰炉中，由于燃料的逐渐富集，空气/燃料比沿着炉下降。这使燃烧气体的温度向炉出口的方向降低。为了在炉壁部耐火材料的位置维持约1300℃的温度，最高燃烧气体温度通常在化学计量的条件下达到，并位于1400℃附近。

在炉以全部能力运行的条件下，燃烧气体的最高温度在炉的后段可降低100℃以上，这导致炉以较低的能力运行。温度的这个降低使钢带在非还原条件下进行加热。

另一方面，这种燃烧效率的下降，并因而直接火焰炉加热能力的降低，迫使人们在直接火焰炉的出口处利用能力更大的辐射管炉。因而，重要的是优化直接火焰炉的燃烧。

在文献US 3,936,543中提出，利用符合化学计量的空气/煤气比率或者空气的轻度过量以便通过抑制未完全燃烧的煤气来改善燃烧效率，并提高直接火焰炉的加热能力。

在这个略呈氧化的条件下，钢带表面上形成氧化物薄层。接着，通过保持温度，使之处于由至少5％的还原性氢和氮的混合物组成的气氛中，在加热段中使这些氧化物还原。

改善该燃烧的另有效而简单的手段在于在燃烧之前预热空气。但是，这个解决方案，仅此一项，还不行，因为利用普通的喷嘴时，它使氧化氮(NOx)排放量增大。

最后，从文献US 6,217,681已知一种称为“氧-燃料(Oxy-fuel)”燃烧方法，它在于保证在纯氧中燃烧。这种方法可以显著地提高炉的效率。但是，这个解决方案有高氧成本的缺点。

本发明的目标在于，提出一种可以提高直接火焰炉加热能力和效率的金属带的热处理方法。

为此，本发明涉及金属带连续退火或镀锌生产线的操作方法，所述生产线包括直接火焰加热段，后者包括上游区和下游区，该直接火焰加热段后跟辐射管加热段，而金属带在该直接火焰加热段中用火焰间接加热。

按照本发明：

●在该上游区中，金属带的加热是通过大气空气和燃料的混合物的燃烧而获得的，使得燃烧气体的温度为1250℃至1500℃，优选为约1350℃，而

●在该下游区中，该金属带的加热是通过燃烧低于化学计量的空气和过充氧燃料(combustible suroxygéné)的混合物而获得的，使得燃烧气体在直接火焰加热段上游区的终点所达到的温度一直保持到该下游区的终点。

所谓“低于化学计量的空气和过充氧燃料的混合物”是指包含略微过量燃料的混合物。

所谓“燃烧气体”是指燃烧所产生的气体，就是说完全燃烧和未完全燃烧的气体。

在可能的不同实施方式中，本发明还涉及可以被单独考虑或按照其所有在技术上可能的组合的下列特征，而且每个都带来特定的优点：

●空气和燃料混合物的过充氧是通过对大气空气过充氧而获得的，

●空气和燃料混合物的过充氧是通过对燃料的充氧而获得的，

●空气和燃料混合物的过充氧率，相对于大气空气中平均含氧比率，按体积计为1％至15％，优选为1％至7％，

●在该直接火焰加热段中，未完全燃烧的气体(CO+H₂)相对于燃烧气体体积的体积百分数低于6％，优选为4％至6％，

●过充氧率一直沿着该直接火焰加热段增大，

●直接火焰加热段下游区约由直接火焰加热段的一半构成，

●直接火焰加热段之前有金属带预热段，金属带的预热是通过所述直接火焰加热段所产生的燃烧气体获得的，

●直接火焰加热段后跟辐射管加热段，在辐射管加热段的入口处，金属带的温度可以超过800℃，

●直接火焰加热段下游区中燃烧空气过充氧所需要的氧是来自生产氮用的空气分离法的副产物。

该金属带连续退火或镀锌生产线的操作方法，按照本发明，可以提高直接火焰炉的加热能力和生成能力，但仍保留通常的空气/燃料比，仍旧保持在受控的氧化/还原的条件下。该方法称为“SUROX”法。

所谓空气/燃料的“比”或者“比率”是指空气和燃料之间的质量比。

在直接火焰炉的出口处，该金属带的温度较高，这可以改善金属带的洁净。

燃料消耗减小。

另外，由于NOx的还原，对环境的影响得以改善。

该金属带连续退火或镀锌生产线的操作方法，按照本发明，与现有的直接火焰炉相适应。事实上，燃烧气体的温度与炉壁部耐火材料温度相适应。无须改变耐火材料的成分，在不停产的情况下，即可轻易进行改变装备有直接火焰炉的整个装置。

按照本发明，实施“SUROX”法，比先有技术的需要大量氧的“氧-燃料(OXY-FUEL)”法更经济。

现将参照附图更详细地描述本发明，附图中：

●图1表示温度和未完全燃烧的气体百分数根据金属带在预热段和直接火焰加热段中行进的分布；

●图2表示氧化/还原曲线，其中燃烧气体的温度与金属带的温度相关；

●图3表示未完全燃烧气体(CO+H₂)和氧的百分数随空气/燃料比的变化。

按照本发明，金属带连续退火或镀锌生产线包括直接火焰加热段9。该直接火焰加热段9包括上游区10和下游区11。术语“上游”和“下游”是相对于金属带在该直接火焰加热段9中的行进方向定义的。于是，当金属带在该直接火焰加热段9中行进时，金属带通过该上游区10，然后通过该下游区11。上游和下游区域之间的边界位于燃烧气体在大气空气中燃烧中所达到最大温度处。

该炉的直接火焰加热段9包括多个喷嘴。这些喷嘴布置在炉内部，并沿着炉分布。

该金属带在直接火焰炉中通过在该炉的内部燃料和燃烧空气(大气空气)直接燃烧，产生通过对流和辐射加热金属带的燃烧气体(燃烧气)进行加热。该金属带是通过直接火焰加热段9中的火焰间接加热的。换句话说，该金属带并不直接与直接火焰加热段9中喷嘴的火焰接触。

炉的直接火焰加热段9之前可以有金属带预热段。该金属带的预热是通过直接火焰加热段9所产生的燃烧气体而获得的。

图1表示温度分布和未完全燃烧气体的百分数的随与预热段8和直接火焰加热段9中金属带的行进的变化。

图1和表1示例的数值是对于宽度1500mm的钢带和包括四个加热区的直接火焰炉给出的。每个加热区具有3,250,000Kcal/h的功率。这样的直接火焰炉能够每小时连续加热60吨钢带至680℃。

横坐标轴1表示金属带穿过不同的段。位于该图1左边的纵坐标轴2，表示金属带、燃烧气体和炉壁部的温度(℃)。位于图1右边的纵坐标轴3，表示未完全燃烧气体(CO+H₂)相对于燃烧气体体积的体积百分数。

曲线4表示燃烧气体的温度随金属带所穿过的各段的变化。它显示金属带在预热段8中的预热步骤期间，燃烧气体的温度为约1000℃，并其随着金属带在加热段9中行进逐渐增大，直至加热段9的上游区10的出口处达到约1400℃的最大值。

一般说来，在该加热段9的上游区10的出口处，燃烧气体的温度可以为1350℃至1500℃。

曲线5表示金属带的温度随金属带所穿过的各段的变化。

金属带的温度在加热段9中逐渐提高直至达到在该加热段9的出口约700℃的值。

曲线6表示未完全燃烧气体(CO+H₂)的百分数随金属带所穿过的各段的变化。

未完全燃烧气体(CO+H₂)的百分数在加热段9中逐渐增大。在图1的示例中，相对于燃烧气体的体积，按体积计它为约4.5％。接着，自在加热段9的上游区10的终点并尤其在下游区11中足够快地增大，在该加热段的出口处，相对于燃烧气体的体积，按体积计可以达到6％以上。

预热炉壁部温度的变化，如曲线7所示，跟随燃烧气体的温度变化，预热炉壁部的温度保持低于燃烧气体的温度。

如前所述，该直接火焰加热段9包括上游区10。燃烧气体的温度在该上游区10中逐渐增大，直至在其出口处达到为约1350℃至1450℃的值。

下表1，给出对于金属带连续退火或镀锌生产线直接火焰加热段的燃烧气体温度、金属带温度和空气/燃料比的值。

在该示例中，上游区10和下游区11都各包括两个区域。

在该上游区10的第一区(区域1)中，燃烧气体的温度是1380℃，金属带的温度是415℃，空气/燃料比为1.02。

在上游区10的第二区(区域2)中，燃烧气体的温度是1404℃，而金属带的温度是510℃，空气燃料比例为0.95。

在上游区10中，燃烧气体和金属带的温度逐渐增大，如图1分别由曲线4和5所示。至于空气/燃料比，它随着金属带在上游区10中行进，因燃料在空气/燃料混合物中的比例增大而减小。燃料的比例增大促使未完全燃烧气体(CO+H₂)的百分数提高，在上游区10的终点，相对于燃烧气体的体积，按体积计其增大到约5.1％。送入上游区10喷嘴的燃烧空气中的氧百分数，按体积计为约20.8％，这对应于大气空气中氧的平均百分数。

在上面的示例中，直接火焰加热段9的下游区11同样由两个区域构成，其中第一区(区域3)，位于该上游区10的第二区(区域2)之后，而第二区(区域4)位于下游区11的第一区(区域3)和直接火焰加热段9的出口之间。

这个示例不是限制性的，上游区和下游区中区域的数目可以改变。

在图1上，曲线4的曲线部分4a表示按照先有技术燃烧气体在下游区11中温度的演变。

曲线部分4a表示燃烧气体的温度在下游区11中降低到1250℃至1350℃的数值。燃烧气体温度的这个降低还导致金属带加热速度(allure)降低。在下游区11的出口处，该金属带的温度为650℃至700℃。至于未完全燃烧气体(CO+H₂)的百分数，相对于燃烧气体的体积，按体积计它增大到约6.2％。

在表1的示例中，在下游区11的第一区(区域3)中，对于0.92的空气/燃料比，燃烧气体的温度是1354℃，而金属带的温度是600℃。

在下游区11的第二区(区域4)中，对于0.85的空气/燃料比，燃烧气体的温度是1326℃，而金属带的温度只达到680℃。直接火焰炉的加热能力在下游区11中比上游区10中更弱。

该直接火焰加热段9通常后跟包括氮的中性气氛下的辐射管加热段。金属带的温度(为650℃至700℃)这时是不够的，并使得在在必须为大功率的辐射管炉段中继续加热，这使设备价格上升，并加重了同样大的距离上引导该金属带的问题。

另外，在这些温度下，如图2所示，可使金属带表面处于还原条件的限制中。

图2举例说明氧化/还原曲线，在该曲线上，表示曲线14a和14b，分别对应于按照先有技术和按照本发明的燃烧气体温度和金属带温度的相关演变。

该示例是针对其气氛包括相对于燃烧气体体积按体积计为4％至6％的未完全燃烧气体(CO+H₂)的直接火焰炉中的软(doux)钢带而给出的。

横坐标轴15表示金属带的温度，℃，而纵坐标轴16表示燃烧气体的温度，℃。

图2的氧化/还原曲线显示当燃烧气体的温度低于约1000℃时，钢带表面处于氧化的条件下。

曲线14a表示按照先有技术，燃烧气体的温度和金属带温度的相关演变，显示当燃烧气体的温度降低到约1300℃，而金属带的温度处于690℃附近时，达到还原区域的极限值。

为了解决这个问题，本发明提出，当金属带在下游区11中直接火焰加热时，利用低于化学计量的空气和过充氧燃料的混合物的燃烧，使得燃烧气体在上游区10终点所达到的温度至少保持到直接火焰加热段9的下游区11的终点。

在该下游区11中的燃烧气体的温度，相对于在上游区10的终点达到的燃烧气体温度，可以变化正负10℃。

相对于先有技术，利用过充氧空气可进一步提高加热段9的下游区11的燃烧室中的燃烧气体的温度，同时保持相同的还原的未完全燃烧气体CO+H₂的含量条件。

该直接火焰加热段的下游区11可以大致对应于直接火焰加热段9的后一半。直接火焰加热段的下游区11同样可以对应于直接火焰加热段9的一半左右。

按照本发明的一种实施方式，空气和燃料混合物的过充氧是通过提高燃烧空气中按体积计的氧百分数来获得的。

换句话说，空气和燃料混合物的过充氧率，相对于大气空气中平均含氧比率，按体积计可以为1％至15％。人们优选把该比率限于1％至7％，以便不使燃烧气体的温度增大到超过现有的耐火炉壁的能力。

大气空气中平均含氧比率为约20.8％，因而过充氧燃烧空气中的氧百分数，按体积计优选在21.8％至27.8％。

空气/燃料混合物空气的氧富集可以降低混合物的氮惰性物(ballast)，有利于氧/燃料混合物，而不改变通常的空气/燃料比，它通过未完全燃烧气体的积累沿着炉自然演变的。在前面给出的示例中，空气/燃料比在约1至0.85间变化。空气/燃料混合物的空气的过充氧不改变空气/燃料比的这种演变。

人们利用诸如通常在商业上提供的纯氧。氧有利地还可以通过后面还将描述的氧分离方法获得。

下表2，基于图1和表1的数据，给出随着燃烧空气中的氧体积百分数而变化的下游区11第一区域(区域3)和第二区域(区域4)中燃烧气体的温度值。

人们观察到，对于24.8体积％至26.8体积％的在空气中的氧百分数，即相对于大气空气中平均含氧比率按体积计为4％至6％的空气过充氧率，下游区11的第一和第二区域(区域3和4)中该燃烧气体的温度差不多是相同的。这时该燃烧气体的温度维持在约1400℃。

在下游区11的第一区(区域3)中，当空气中氧的体积百分数为21.8％至25.8％变化时，该燃烧气体的温度在1366℃至1418℃之间变化。换句话说，在下游区11的第一区(区域3)中，燃烧气体的温度可以保持在约1400℃。

在下游区11的第二区(区域4)中，当空气中氧的体积百分数在21.8％至27.8％之间变化时，燃烧气体的温度在1341℃至1417℃之间变化。换句话说，在下游区11的第二区(区域4)中，该燃烧气体的温度可以保持在约1400℃。

在图1上，曲线4的曲线部分4b表示按照本发明燃烧气体的温度随着金属带在下游区11中行进的变化。

在该示例中，当金属带在下游区11中行进时，燃烧气体的温度维持在约1400℃。在直接火焰炉的出口(图1上未示出)，金属带的温度上升直至达到可以超过800℃的值。

于是，人们可以在直接火焰加热段9的整个下游区获得约1400℃的均匀的燃烧气体温度。

如图3所示，在直接火焰加热段9中，相对于燃烧气体的体积，未完全燃烧气体(CO+H₂)的体积百分数保持在4％至6％，即空气/燃料比超过0.85。

图3表示未完全燃烧气体(CO+H₂)和氧的百分数随空气燃料比的变化。

横坐标轴12表示空气/燃料比，而纵坐标轴13表示未完全燃烧气体(CO+H₂)和氧的百分数。

图3显示过量空气导致能够氧化金属带表面的游离氧的存在，反之，过量的游离燃料导致为还原性的一氧化碳和氢的存在。

按照本发明优选的实施方式，有利地置于这样的条件，其使得在炉内部的气氛包含轻微过量的未完全燃烧气体。

图2曲线14b表示，按照本发明，燃烧气体的温度和金属带的温度的相关演变，显示空气/燃料混合物的过充氧可以保持在还原条件中，同时燃烧气体的温度均匀，为约1400℃，而金属带的温度可以超过800℃。一般地，而且在所有其他条件相同的情况下，燃烧空气的受控过充氧可以使金属带达到的温度高于在大气空气中燃烧所获得的温度。

氧化还原平衡取决于燃烧气体的温度和组成以及带的温度。

按照本发明其它可能的实施方式，在第一和第二区域中，空气中的氧体积百分数是不同的。下游区11的第二区的按体积计的空气中的氧百分数大于下游区11第一区的氧百分数。该实施方式可以更容易地和以更小耗氧量在整个直接火焰加热段9中获得均匀的温度。

该过充氧率可以完全沿着直接火焰加热段9连续地或非连续地增大。

按照本发明其它可能的实施方式，下游区11中空气和燃料混合物的过充氧是通过燃料充氧获得的。燃料在喷嘴中喷射之前以可以保持在爆炸性范围以外的比例进行充氧。

最后，该连续退火或镀锌生产线的直接火焰加热段9后跟辐射管加热段。在辐射管加热段的入口处，金属带的温度可以达到800℃以上，这可以利用降低或标准的加热能力的辐射管炉。

在连续退火生产线的情况下或者在连续镀锌生产线的情况下，辐射管段应该连续地送进氮，以保证对炉气氛的清扫，以及每次停机和每次重新起动之前吹扫该炉。

氮可以由附近的气体销售商供给。在综合工地(site intégré)的情况下，它可以由炼钢厂提供，因为氮是制氧的丰富副产品。

它可以通过燃烧和精炼(吸热发生器(générateur endothermique))或者通过空气分离就地进行生产。

空气分离可以通过“变压吸附(Pressure Swing Adsorption(PSA)”实现，其释放压力气相氧。

空气分离可以通过膜实现，其释放压力气相氧。

最后，它可以液体空气的蒸馏实现，其产生10％的液相氧和90％气相氧。

在空气分离方法中，氮以超过99.99％的纯度产生。该副产物流被称为“尾气”，富含氧气，被排入大气中。

在本发明的实施方式中，直接火焰加热段9的下游区11中燃烧空气过充氧所需要的氧是用于制氮的空气分离法产生的副产物。

可以回收这种非常富含氧气的气体，以在炉中加以利用，以保证受控过充氧或者甚至“氧-燃料(Oxy-fuel)”的运转。那时氧生成成本几乎为零。

作为示例，镀锌生产线的氮的消耗量连续为约300至1200Nm³/h，而在吹扫阶段过程中高达5000Nm³/H。氧的等价生产(以约所处理空气体积的1/5的比例)一般足够大以保证过充氧炉部分或者全部运行，具有不依赖氧的供应和降低经营成本的双重优点。

于是，按照本发明的金属带连续退火或镀锌生产线的操作方法，可以提高直接火焰炉的加热能力和生产能力，但仍保留通常的空气/燃料比，仍保持金属带的受控氧化/还原的条件。

在直接火焰炉的出口处，金属带的温度是较高的，这可以改善金属带的洁净。

燃烧气体的消耗量减小。

另外，通过还原NOx改善了对环境的影响。按照本发明的方法在相等的空气量下提供更大氧气比例并相关地降低氮的数量。

按照本发明的金属带连续退火或镀锌生产线的操作方法与现有的直接火焰炉相适应。事实上，金属带的温度与炉壁的耐火材料的温度相适应。耐火材料的组成不需要变动，这可以在不停产的情况下容易地改变该装有直接火焰炉的整个装置。

本发明不限于连续退火或镀锌生产线，而是可以推广到包括金属带热处理步骤的所有方法。

按照本发明，实施“SUROX”法的实施比先有技术的“OXY-FUEL”法更经济，后者需要大量的氧。

Claims (10)

1.金属带连续退火或镀锌生产线的操作方法，所述生产线包括含有上游区(10)和下游区(11)的直接火焰加热段(9)，直接火焰加热段(9)后跟有辐射管加热段，而该金属带在该直接火焰加热段(9)中被火焰间接加热，其特征在于，

-在上游区(10)中，该金属带的加热是通过大气空气和燃料的混合物的燃烧而获得的，使得在上游区的终点(10)达到的燃烧气体的温度为1250℃至1500℃，优选为约1350℃，

-在下游区(11)中，该金属带的加热是通过低于化学计量的空气和过充氧燃料的混合物的燃烧而获得的，使得在上游区(10)的终点处所达到的燃烧气体的温度保持直到直接火焰加热段(9)的下游区(11)的终点。

2.按照权利要求1的金属带连续退火或镀锌生产线的操作方法，其特征在于，空气和燃料混合物的过充氧是通过大气空气的过充氧而获得的。

3.按照权利要求1的金属带连续退火或镀锌生产线的操作方法，其特征在于，空气和燃料混合物的过充氧是通过燃料的充氧而获得的。

4.按照权利要求1至3中任何一项的金属带连续退火或镀锌生产线的操作方法，其特征在于，空气和燃料混合物的过充氧率，相对于大气空气中的平均氧比率，按体积计为1至15％，优选为1％至7％。

5.按照权利要求1至4中任何一项的金属带连续退火或镀锌生产线的操作方法，其特征在于，在直接火焰加热段(9)中，未完全燃烧的气体(CO+H₂)的体积百分数，相对于燃烧气体体积，为低于6％，优选为4％至6％。

6.按照权利要求1至5中任何一项的金属带连续退火或镀锌生产线的操作方法，其特征在于，过充氧率完全沿着直接火焰加热段(9)增大。

7.按照权利要求1至6中任何一项的金属带连续退火或镀锌生产线的操作方法，其特征在于，该直接火焰加热段的下游区(11)大致由直接火焰加热段(9)的一半组成。

8.按照权利要求1至7中任何一项的金属带连续退火或镀锌生产线的操作方法，其特征在于，该直接火焰加热段(9)前面有金属带预热段(8)，金属带的预热是通过来自所述直接火焰加热段(9)的燃烧气体而获得的。

9.按照权利要求1至8中任何一项的金属带连续退火或镀锌生产线的操作方法，其特征在于，在该辐射管加热段的入口处，金属带的温度高于800℃。

10.按照权利要求1至9中任何一项的金属带连续退火或镀锌生产线的操作方法，其特征在于，该直接火焰加热段(9)的下游区(11)中燃烧空气的过充氧所需要的氧是来自用于生产氮的空气分离法的副产物。

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