热镀锌锅中锌渣扩散的数值模拟

《工程科学学报》2016年第S1期

摘要：

基于欧拉-拉格朗日方法的离散相模型，针对锌液体外循环系统下连续热镀锌锅中三种不同类型的锌渣，利用数值模拟的方法计算锌锅中锌渣的浓度差分布．分析锌渣扩散得到了锌渣在带钢表面及锌锅中的运动轨迹和分布规律．结果表明:锌渣在带钢上的沉积率随着锌渣粒度的减小而升高;由于锌渣密度的差异，当锌渣直径小于80μm时，沉积率从高到低依次为悬浮渣、面渣和底渣．面渣在带钢出口后侧区域的平均停留时间最长，在该位置设置抽锌管将有利于面渣的去除;在V形区内侧区域带钢上的悬浮渣质量浓度最高，对带钢影响最大;底渣主要运动区域为锌锅底部，基本不会黏附于带钢表面，对带钢质量影响最小．

关键词：

热浸镀锌;锌渣;扩散;除渣;数值模拟

近年来，汽车用高品质热镀锌钢板成为我国钢铁企业开发的主要方向．例如，宝钢、武钢、鞍钢等钢铁企业已经把汽车板尤其是高强度钢板及其热镀锌产品作为重点研发产品［1-2］．汽车板热镀锌过程中产生的锌渣是影响镀锌板表面质量的最重要因素［3］，锌渣在镀锌过程中很容易被镀锌钢板黏附，从而形成锌渣缺陷，控制锌渣的形成对提高热镀锌钢板的表面质量尤为重要［4］．国内外学者关于热镀锌的研究大多数集中于锌锅中锌液流场和温度场．为了更好地认识锌液的流动状态对锌渣去除的影响，陈海瑞等［5］对不同工况下锌锅内流动与传热进行了数值模拟研究．朱翊淳［6］对普通锌锅(无体外锌液净化循环系统)内的锌渣分布进行研究，尝试通过添加挡板的方式减少锌渣在带钢上的附着．赖焕新等［7］提到锌渣的运动轨迹是受到其物理性质的影响，运动轨迹的变化将对带钢镀层质量产生影响，但并没有给出具体的影响规律．因此，研究锌渣的不同物性对带钢附着的影响显得非常必要．董安平［8］尝试将电磁净化分离技术应用到热镀锌锅中锌渣的去除，通过抽取锌锅内的锌液至外加电磁净化流槽中，经体外循环净化后的锌液再经回锌管重新流回锌锅内，达到降低锌锅内锌渣浓度的目的．由于抽锌管、回锌管及锌液泵的安置，导致锌锅的流场、温度场和锌渣浓度场均发生变化，特别是锌渣浓度场的变化可能会为钢板表面质量带来较大的影响．因此，研究体外循环系统下锌渣在带钢上的浓度分布及锌渣在锌锅内的扩散显得很有必要．本文通过AnsysFluent对锌锅内锌渣的扩散和运动规律进行数值模拟，采用基于欧拉-拉格朗日方法的离散相模型，模拟流场中的离散相，可以对锌渣颗粒运动轨迹进行跟踪．假设体外循环系统净化效率0%的情况下，分析通过回锌管的锌渣颗粒的扩散，并且给出不同锌渣颗粒在带钢上的沉积规律及在在锌锅内的扩散轨迹，从而为合理制定体外电磁循环净化分离锌渣的方案提供依据．

1物理和数值计算方法

1.1物理模型

根据某钢厂在役锌锅尺寸建立如图1模型(电磁净化装置不是本文分析重点，故进行简化处理)，其几何尺寸为7.12m×3.64m×2.50m，其中抽锌管与回锌管直径为0.1m．坐标原点位于锌液表面最右侧中心位置A点．

1.2离散相模型

假设锌渣为球形颗粒，锌渣颗粒在Lagrangian坐标系下模拟离散相并弥散在连续相锌液中．根据作用在锌渣颗粒上平衡力，可以得到锌渣颗粒在Lagrangian坐标系下的运动方程(颗粒惯性=作用在颗粒上的各种力)。

2边界条件

2.1壁面条件

锌锅四周及底部按照壁面处理，为无滑移边界条件，锌渣颗粒与锌锅壁及带钢碰撞类型为trap，抽锌管与回锌管设为escape类型．带钢设为移动边界，稳定辊及沉没辊设为旋转边界．锌渣的初始体积分数为0.12%．本实验工况的带钢速度为2m•s－1，带钢宽度为1800mm，带钢进锅温度为465℃，抽锌管和回锌管的质量流量为10t•h

2.2物性参数

采用闭合取样装置在锌锅V形区的表面、中间和底部取锌液，待凝固后利用锌的蒸汽压比较低的特性，在高温真空条件下实现锌渣与纯锌的分离，分离后的锌渣利用PPMS-9T型物性测量系统测量锌渣的物性参数，如表1所示．

2.3锌渣颗粒

图2(a)为在锌锅中间位置取样的锌液经凝固后的金相组织，图中深灰色的颗粒即为锌渣颗粒．采用闭合取样装置在锌锅V形区的表面、中间和底部取样，凝固后进行金相制样观察，每个位置在100倍下分别选取10个视场，采用金相分析软件DT2000进行锌渣粒度分析，锌渣尺寸分布如图2(b)所示．根据锌渣颗粒分布，进行了Rosin--Rammler分布拟合，该拟合假定锌渣颗粒直径与大于此直径的颗粒的质量分数Yd之间存在如式(7)所示的指数关系［10］:Yd=e－(d/d)n．(7)式中，d为Yd=e－1≈0.368时颗粒直径，d为锌渣粒径，n为分布指数．得到如表2所示的锌渣粒径分布参数，配合分布指数n，将最小粒径、平均粒径和最大粒径全部用于数值模拟.

3数值模拟结果及讨论

3.1锌渣沉积规律

图3与图4为V形区内侧带钢(进)与带钢(出)上的锌渣质量浓度．进口带钢中锌渣质量浓度从大到小依次为悬浮渣、面渣和底渣，其中面渣与悬浮渣均在带钢中下部有较多的聚集，该位置对应着回锌管回流出的锌液对带钢的冲刷部位;底渣密度大，在经回锌管后会随锌液向下运动，故底渣在带钢的最下部边缘位置聚集较多，并且该位置的底渣极易被沉没辊碾压，造成带钢表面的点状压痕．出口带钢上锌渣质量浓度从大到小依次为悬浮渣、面渣和底渣，其中面渣在带钢上半部有较多的聚集，悬浮渣在带钢上分布较均匀，底渣在带钢上基本没有聚集．图5为带钢上锌渣质量浓度与锌渣尺寸的关系．锌渣越小，其在带钢上的质量浓度越高，即沉积率越高．锌渣在带钢表面的质量浓度最高的尺寸范围分别是:面渣为30～70μm;悬浮渣为0～30μm;底渣为70～100μm．根据董安平［8］的研究，当锌渣尺寸超过20μm，锌渣经过体外电磁净化装置的去除效率可以达到90%以上．因此，当锌渣粒径小于80μm时，锌渣的沉积率从大到小为:悬浮渣、面渣和底渣．在考虑所有尺寸锌渣的情况下，面渣会略大于悬浮渣0.00049kg•m－3，说明面渣中存在较多的大粒径锌渣．

3.2锌渣分布及运动规律

图6为面渣、悬浮渣和底渣从回锌管流出后的运动轨迹及锌渣的平均停留时间．面渣最终运动至锌锅表面且在带钢出口后侧的平均停留时间最长，即面渣在带钢背面聚集将会增加，这也解释了在带钢V形区内侧悬浮渣浓度高于面渣，但带钢正反面面渣的浓度却略高于悬浮渣的情况，因此该区域放置抽锌管可以通过体外循环装置有效净化面渣;悬浮渣在V形区会有较短的停留，大部分时间在带钢进口前侧运动，其运动轨迹遵循图7中锌液流动的涡流流动;而底渣则大部分在锌锅下半部运动，驻留时间最长的是带钢进口前侧贴近锅底的位置，该位置的底渣对带钢基本不会造成影响．

4结论

(1)锌渣粒径越小，其在带钢上的沉积率越高．在粒径小于80μm的锌渣中，沉积率从大到小依次为悬浮渣、面渣和底渣．

(2)面渣在带钢出口后侧的平均停留时间最长，该位置放置抽锌管将有利于面渣的去除．悬浮渣主要运动区域为带钢进口前侧，其运动轨迹与锌液流动的涡流一致;在V形区内侧悬浮渣在带钢上的质量浓度最高，其对带钢表面质量影响最大．底渣主要贴近锌锅底部运动，基本不会黏附于带钢，对带钢影响最小．

参考文献：

[1]王利，张丕军，陆匠心．宝钢汽车板的开发及应用．特殊钢，2003，24(1):55

[2]张理扬，左良，李俊，等．冷轧和镀锌汽车板的发展．特殊钢，2004，25(6):1

[5]陈海瑞，彭浩平，苏旭平，等．热浸镀Galvalume熔池流动与传热的数值模拟．材料热处理学报，2015，36(1):223

[6]朱翊淳．基于数值模拟对锌锅装置的研究［学位论文］．上海:上海交通大学，2013

[7]赖焕新，朱路，唐成龙．热镀锌锌锅中的流动与传热数值研究．热科学与技术，2015，44(1):33

[8]董安平．热镀锌液中锌渣的电磁分离理论及实验研究［学位论文］．上海:上海交通大学，2009

[10]戴丽燕．关于Rosin--Rammler粒径分布函数的研究．工业安全与防尘，2000(5):6

作者:冒飞飞 董安平 疏达 王俊 孙宝德 单位:上海市先进高温材料及精密成形重点实验室 上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室