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《工程科學學報》2016年第S1期

摘要：

基于歐拉-拉格朗日方法的離散相模型，針對鋅液體外循環系統下連續熱鍍鋅鍋中三種不同類型的鋅渣，利用數值模擬的方法計算鋅鍋中鋅渣的濃度差分布．分析鋅渣擴散得到了鋅渣在帶鋼表面及鋅鍋中的運動軌跡和分布規律．結果表明:鋅渣在帶鋼上的沉積率隨著鋅渣粒度的減小而升高;由于鋅渣密度的差異，當鋅渣直徑小于80μm時，沉積率從高到低依次為懸浮渣、面渣和底渣．面渣在帶鋼出口后側區域的平均停留時間最長，在該位置設置抽鋅管將有利于面渣的去除;在V形區內側區域帶鋼上的懸浮渣質量濃度最高，對帶鋼影響最大;底渣主要運動區域為鋅鍋底部，基本不會黏附于帶鋼表面，對帶鋼質量影響最?。?/p>

關鍵詞：

熱浸鍍鋅;鋅渣;擴散;除渣;數值模擬

近年來，汽車用高品質熱鍍鋅鋼板成為我國鋼鐵企業開發的主要方向．例如，寶鋼、武鋼、鞍鋼等鋼鐵企業已經把汽車板尤其是高強度鋼板及其熱鍍鋅產品作為重點研發產品［1-2］．汽車板熱鍍鋅過程中產生的鋅渣是影響鍍鋅板表面質量的最重要因素［3］，鋅渣在鍍鋅過程中很容易被鍍鋅鋼板黏附，從而形成鋅渣缺陷，控制鋅渣的形成對提高熱鍍鋅鋼板的表面質量尤為重要［4］．國內外學者關于熱鍍鋅的研究大多數集中于鋅鍋中鋅液流場和溫度場．為了更好地認識鋅液的流動狀態對鋅渣去除的影響，陳海瑞等［5］對不同工況下鋅鍋內流動與傳熱進行了數值模擬研究．朱翊淳［6］對普通鋅鍋(無體外鋅液凈化循環系統)內的鋅渣分布進行研究，嘗試通過添加擋板的方式減少鋅渣在帶鋼上的附著．賴煥新等［7］提到鋅渣的運動軌跡是受到其物理性質的影響，運動軌跡的變化將對帶鋼鍍層質量產生影響，但并沒有給出具體的影響規律．因此，研究鋅渣的不同物性對帶鋼附著的影響顯得非常必要．董安平［8］嘗試將電磁凈化分離技術應用到熱鍍鋅鍋中鋅渣的去除，通過抽取鋅鍋內的鋅液至外加電磁凈化流槽中，經體外循環凈化后的鋅液再經回鋅管重新流回鋅鍋內，達到降低鋅鍋內鋅渣濃度的目的．由于抽鋅管、回鋅管及鋅液泵的安置，導致鋅鍋的流場、溫度場和鋅渣濃度場均發生變化，特別是鋅渣濃度場的變化可能會為鋼板表面質量帶來較大的影響．因此，研究體外循環系統下鋅渣在帶鋼上的濃度分布及鋅渣在鋅鍋內的擴散顯得很有必要．本文通過AnsysFluent對鋅鍋內鋅渣的擴散和運動規律進行數值模擬，采用基于歐拉-拉格朗日方法的離散相模型，模擬流場中的離散相，可以對鋅渣顆粒運動軌跡進行跟蹤．假設體外循環系統凈化效率0%的情況下，分析通過回鋅管的鋅渣顆粒的擴散，并且給出不同鋅渣顆粒在帶鋼上的沉積規律及在在鋅鍋內的擴散軌跡，從而為合理制定體外電磁循環凈化分離鋅渣的方案提供依據．

1物理和數值計算方法

1.1物理模型

根據某鋼廠在役鋅鍋尺寸建立如圖1模型(電磁凈化裝置不是本文分析重點，故進行簡化處理)，其幾何尺寸為7.12m×3.64m×2.50m，其中抽鋅管與回鋅管直徑為0.1m．坐標原點位于鋅液表面最右側中心位置A點．

1.2離散相模型

假設鋅渣為球形顆粒，鋅渣顆粒在Lagrangian坐標系下模擬離散相并彌散在連續相鋅液中．根據作用在鋅渣顆粒上平衡力，可以得到鋅渣顆粒在Lagrangian坐標系下的運動方程(顆粒慣性=作用在顆粒上的各種力)。

2邊界條件

2.1壁面條件

鋅鍋四周及底部按照壁面處理，為無滑移邊界條件，鋅渣顆粒與鋅鍋壁及帶鋼碰撞類型為trap，抽鋅管與回鋅管設為escape類型．帶鋼設為移動邊界，穩定輥及沉沒輥設為旋轉邊界．鋅渣的初始體積分數為0.12%．本實驗工況的帶鋼速度為2m•s－1，帶鋼寬度為1800mm，帶鋼進鍋溫度為465℃，抽鋅管和回鋅管的質量流量為10t•h

2.2物性參數

采用閉合取樣裝置在鋅鍋V形區的表面、中間和底部取鋅液，待凝固后利用鋅的蒸汽壓比較低的特性，在高溫真空條件下實現鋅渣與純鋅的分離，分離后的鋅渣利用PPMS-9T型物性測量系統測量鋅渣的物性參數，如表1所示．

2.3鋅渣顆粒

圖2(a)為在鋅鍋中間位置取樣的鋅液經凝固后的金相組織，圖中深灰色的顆粒即為鋅渣顆粒．采用閉合取樣裝置在鋅鍋V形區的表面、中間和底部取樣，凝固后進行金相制樣觀察，每個位置在100倍下分別選取10個視場，采用金相分析軟件DT2000進行鋅渣粒度分析，鋅渣尺寸分布如圖2(b)所示．根據鋅渣顆粒分布，進行了Rosin--Rammler分布擬合，該擬合假定鋅渣顆粒直徑與大于此直徑的顆粒的質量分數Yd之間存在如式(7)所示的指數關系［10］:Yd=e－(d/d)n．(7)式中，d為Yd=e－1≈0.368時顆粒直徑，d為鋅渣粒徑，n為分布指數．得到如表2所示的鋅渣粒徑分布參數，配合分布指數n，將最小粒徑、平均粒徑和最大粒徑全部用于數值模擬.

3數值模擬結果及討論

3.1鋅渣沉積規律

圖3與圖4為V形區內側帶鋼(進)與帶鋼(出)上的鋅渣質量濃度．進口帶鋼中鋅渣質量濃度從大到小依次為懸浮渣、面渣和底渣，其中面渣與懸浮渣均在帶鋼中下部有較多的聚集，該位置對應著回鋅管回流出的鋅液對帶鋼的沖刷部位;底渣密度大，在經回鋅管后會隨鋅液向下運動，故底渣在帶鋼的最下部邊緣位置聚集較多，并且該位置的底渣極易被沉沒輥碾壓，造成帶鋼表面的點狀壓痕．出口帶鋼上鋅渣質量濃度從大到小依次為懸浮渣、面渣和底渣，其中面渣在帶鋼上半部有較多的聚集，懸浮渣在帶鋼上分布較均勻，底渣在帶鋼上基本沒有聚集．圖5為帶鋼上鋅渣質量濃度與鋅渣尺寸的關系．鋅渣越小，其在帶鋼上的質量濃度越高，即沉積率越高．鋅渣在帶鋼表面的質量濃度最高的尺寸范圍分別是:面渣為30～70μm;懸浮渣為0～30μm;底渣為70～100μm．根據董安平［8］的研究，當鋅渣尺寸超過20μm，鋅渣經過體外電磁凈化裝置的去除效率可以達到90%以上．因此，當鋅渣粒徑小于80μm時，鋅渣的沉積率從大到小為:懸浮渣、面渣和底渣．在考慮所有尺寸鋅渣的情況下，面渣會略大于懸浮渣0.00049kg•m－3，說明面渣中存在較多的大粒徑鋅渣．

3.2鋅渣分布及運動規律

圖6為面渣、懸浮渣和底渣從回鋅管流出后的運動軌跡及鋅渣的平均停留時間．面渣最終運動至鋅鍋表面且在帶鋼出口后側的平均停留時間最長，即面渣在帶鋼背面聚集將會增加，這也解釋了在帶鋼V形區內側懸浮渣濃度高于面渣，但帶鋼正反面面渣的濃度卻略高于懸浮渣的情況，因此該區域放置抽鋅管可以通過體外循環裝置有效凈化面渣;懸浮渣在V形區會有較短的停留，大部分時間在帶鋼進口前側運動，其運動軌跡遵循圖7中鋅液流動的渦流流動;而底渣則大部分在鋅鍋下半部運動，駐留時間最長的是帶鋼進口前側貼近鍋底的位置，該位置的底渣對帶鋼基本不會造成影響．

4結論

(1)鋅渣粒徑越小，其在帶鋼上的沉積率越高．在粒徑小于80μm的鋅渣中，沉積率從大到小依次為懸浮渣、面渣和底渣．

(2)面渣在帶鋼出口后側的平均停留時間最長，該位置放置抽鋅管將有利于面渣的去除．懸浮渣主要運動區域為帶鋼進口前側，其運動軌跡與鋅液流動的渦流一致;在V形區內側懸浮渣在帶鋼上的質量濃度最高，其對帶鋼表面質量影響最大．底渣主要貼近鋅鍋底部運動，基本不會黏附于帶鋼，對帶鋼影響最小．

參考文獻：

[1]王利，張丕軍，陸匠心．寶鋼汽車板的開發及應用．特殊鋼，2003，24(1):55

[2]張理揚，左良，李俊，等．冷軋和鍍鋅汽車板的發展．特殊鋼，2004，25(6):1

[5]陳海瑞，彭浩平，蘇旭平，等．熱浸鍍Galvalume熔池流動與傳熱的數值模擬．材料熱處理學報，2015，36(1):223

[6]朱翊淳．基于數值模擬對鋅鍋裝置的研究［學位論文］．上海:上海交通大學，2013

[7]賴煥新，朱路，唐成龍．熱鍍鋅鋅鍋中的流動與傳熱數值研究．熱科學與技術，2015，44(1):33

[8]董安平．熱鍍鋅液中鋅渣的電磁分離理論及實驗研究［學位論文］．上海:上海交通大學，2009

[10]戴麗燕．關于Rosin--Rammler粒徑分布函數的研究．工業安全與防塵，2000(5):6

作者:冒飛飛 董安平 疏達 王俊 孫寶德 單位:上海市先進高溫材料及精密成形重點實驗室  上海交通大學金屬基復合材料國家重點實驗室