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《工程科學(xué)學(xué)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(huán)系統(tǒng)下連續(xù)熱鍍鋅鍋中三種不同類型的鋅渣，利用數(shù)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(guī)律．結(jié)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(dāng)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(cè)區(qū)域的平均停留時間最長，在該位置設(shè)置抽鋅管將有利于面渣的去除;在V形區(qū)內(nèi)側(cè)區(qū)域帶鋼上的懸浮渣質(zhì)量濃度最高，對帶鋼影響最大;底渣主要運動區(qū)域為鋅鍋底部，基本不會黏附于帶鋼表面，對帶鋼質(zhì)量影響最小．
關(guān)鍵詞：
熱浸鍍鋅;鋅渣;擴散;除渣;數(shù)值模擬
近年來，汽車用高品質(zhì)熱鍍鋅鋼板成為我國鋼鐵企業(yè)開發(fā)的主要方向．例如，寶鋼、武鋼、鞍鋼等鋼鐵企業(yè)已經(jīng)把汽車板尤其是高強度鋼板及其熱鍍鋅產(chǎn)品作為重點研發(fā)產(chǎn)品［1-2］．汽車板熱鍍鋅過程中產(chǎn)生的鋅渣是影響鍍鋅板表面質(zhì)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(zhì)量尤為重要［4］．國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于熱鍍鋅的研究大多數(shù)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(tài)對鋅渣去除的影響，陳海瑞等［5］對不同工況下鋅鍋內(nèi)流動與傳熱進行了數(shù)值模擬研究．朱翊淳［6］對普通鋅鍋(無體外鋅液凈化循環(huán)系統(tǒng))內(nèi)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(zhì)的影響，運動軌跡的變化將對帶鋼鍍層質(zhì)量產(chǎn)生影響，但并沒有給出具體的影響規(guī)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(shù)應(yīng)用到熱鍍鋅鍋中鋅渣的去除，通過抽取鋅鍋內(nèi)的鋅液至外加電磁凈化流槽中，經(jīng)體外循環(huán)凈化后的鋅液再經(jīng)回鋅管重新流回鋅鍋內(nèi)，達到降低鋅鍋內(nèi)鋅渣濃度的目的．由于抽鋅管、回鋅管及鋅液泵的安置，導(dǎo)致鋅鍋的流場、溫度場和鋅渣濃度場均發(fā)生變化，特別是鋅渣濃度場的變化可能會為鋼板表面質(zhì)量帶來較大的影響．因此，研究體外循環(huán)系統(tǒng)下鋅渣在帶鋼上的濃度分布及鋅渣在鋅鍋內(nèi)的擴散顯得很有必要．本文通過AnsysFluent對鋅鍋內(nèi)鋅渣的擴散和運動規(guī)律進行數(shù)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(shè)體外循環(huán)系統(tǒng)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(guī)律及在在鋅鍋內(nèi)的擴散軌跡，從而為合理制定體外電磁循環(huán)凈化分離鋅渣的方案提供依據(jù)．
1物理和數(shù)值計算方法
1.1物理模型
根據(jù)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(cè)中心位置A點．
1.2離散相模型
假設(shè)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(xù)相鋅液中．根據(jù)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(shè)為escape類型．帶鋼設(shè)為移動邊界，穩(wěn)定輥及沉沒輥設(shè)為旋轉(zhuǎn)邊界．鋅渣的初始體積分數(shù)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(zhì)量流量為10t•h
2.2物性參數(shù)
采用閉合取樣裝置在鋅鍋V形區(qū)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(xiàn)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(tǒng)測量鋅渣的物性參數(shù)，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(jīng)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(qū)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(jù)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(zhì)量分數(shù)Yd之間存在如式(7)所示的指數(shù)關(guān)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(shù)．得到如表2所示的鋅渣粒徑分布參數(shù)，配合分布指數(shù)n，將最小粒徑、平均粒徑和最大粒徑全部用于數(shù)值模擬.
3數(shù)值模擬結(jié)果及討論
3.1鋅渣沉積規(guī)律
圖3與圖4為V形區(qū)內(nèi)側(cè)帶鋼(進)與帶鋼(出)上的鋅渣質(zhì)量濃度．進口帶鋼中鋅渣質(zhì)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(yīng)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(jīng)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(zhì)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(zhì)量濃度與鋅渣尺寸的關(guān)系．鋅渣越小，其在帶鋼上的質(zhì)量濃度越高，即沉積率越高．鋅渣在帶鋼表面的質(zhì)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(jù)董安平［8］的研究，當(dāng)鋅渣尺寸超過20μm，鋅渣經(jīng)過體外電磁凈化裝置的去除效率可以達到90%以上．因此，當(dāng)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(guī)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(cè)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(qū)內(nèi)側(cè)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(qū)域放置抽鋅管可以通過體外循環(huán)裝置有效凈化面渣;懸浮渣在V形區(qū)會有較短的停留，大部分時間在帶鋼進口前側(cè)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(cè)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(jié)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(cè)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(qū)域為帶鋼進口前側(cè)，其運動軌跡與鋅液流動的渦流一致;在V形區(qū)內(nèi)側(cè)懸浮渣在帶鋼上的質(zhì)量濃度最高，其對帶鋼表面質(zhì)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：
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[5]陳海瑞，彭浩平，蘇旭平，等．熱浸鍍Galvalume熔池流動與傳熱的數(shù)值模擬．材料熱處理學(xué)報，2015，36(1):223
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[8]董安平．熱鍍鋅液中鋅渣的電磁分離理論及實驗研究［學(xué)位論文］．上海:上海交通大學(xué)，2009
[10]戴麗燕．關(guān)于Rosin--Rammler粒徑分布函數(shù)的研究．工業(yè)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(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點實驗室