熱鍍鋅鋼板表面鋅波紋影響因素的數(shù)值分析

馬龍威+陳瀚

摘要：針對(duì)熱鍍鋅鋼板表面出現(xiàn)的鋅波紋問題，通過帶鋼表面鋅液流動(dòng)的一維簡化模型預(yù)測(cè)鋅層穩(wěn)態(tài)厚度；采用攝動(dòng)法并結(jié)合三維氣刀射流湍流流場(chǎng)的大渦模擬，提出熱鍍鋅鋼板表面鋅波紋的數(shù)值預(yù)測(cè)模型；研究工藝參數(shù)對(duì)鋅波紋的影響規(guī)律.結(jié)果表明：氣刀距帶鋼的距離越遠(yuǎn)，刀唇間隙越大，氣刀入口壓強(qiáng)越小，帶鋼表面鋅波紋越明顯；氣刀入口湍流強(qiáng)度對(duì)鋅波紋影響可以忽略.

關(guān)鍵詞：熱鍍鋅； 沖擊射流； 參數(shù)效應(yīng)； 鋅波紋； 大渦模擬

中圖分類號(hào)： TG174.44

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract：As to the appearance of zinc ripples on the hot-dip galvanization steel strip surface， the zinc coating thickness in steady state is predicted by a 1D simplified model of zinc liquid flows on strip surface； using the perturbation method combined with the large eddy simulation on 3D turbulent flow field of air knife jet， a numerical prediction model is proposed for the zinc ripples on hot-dip galvanized steel strip surface； the effect of process parameters on the zinc ripples is studied. The results show that， a larger impingement distance， a larger slot gap and a smaller inlet pressure， which will result in more severe zinc ripples； the effect of turbulent intensity of jet inlet on zinc ripples is negligible.

Key words：hot-dip galvanization； impinging jet； parameter effect； zinc ripple； large eddy simulation

0 引 言

涂層技術(shù)大量運(yùn)用于各種領(lǐng)域，例如建筑、汽車、造船等.其中，工業(yè)領(lǐng)域中熱鍍鋅鋼板表面防銹以其費(fèi)用比其他漆料涂層低、防腐年限長、鍍層致密等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用.熱鍍鋅鋼板由連續(xù)鍍鋅工藝產(chǎn)出，將成卷的鋼板經(jīng)一系列前處理后浸過高溫鋅液池，然后將帶鋼連同黏附在其表面的鋅液自一對(duì)水平放置于鋅液池上方對(duì)立的氣刀間豎直向上拉.熱鍍鋅過程示意見圖1.通常，在不采取任何措施的情況下，經(jīng)過鋅液池的帶鋼表面黏附的鋅層厚度比最后期望值大約厚幾十倍，這些多余的鋅液必須除掉.氣刀吹鋅采用水動(dòng)力學(xué)的方法吹掉黏附在帶鋼表面的多余鋅液.

雖然氣刀能夠有效吹掉帶鋼表面上的多余鋅液，可以接近預(yù)想的結(jié)果，但最終得到的只是平均厚度.在實(shí)際的氣刀吹拭過程中，帶鋼表面會(huì)出現(xiàn)很多凹凸的瑕疵.這些瑕疵是由多種因素造成的，如帶鋼表面不平整、吹拭過程中鋼帶的抖動(dòng)、氣刀噴吹壓力系統(tǒng)故障、氣刀壓縮空氣管道內(nèi)的雜質(zhì)堵塞氣刀噴腔等.氣刀吹拭完成后，鋼帶表面會(huì)出現(xiàn)似蛇形的斜條紋，見圖2.

對(duì)帶鋼表面瑕疵產(chǎn)生的原因，國內(nèi)外學(xué)者展開一系列研究.張洪濤等[1]認(rèn)為帶鋼的表面狀態(tài)及粗糙度、鋅液成分、鋅液溫度和鋼帶入鋅鍋的溫度等對(duì)鋅液流動(dòng)有影響，從而影響鋅液的凝固，形成鋅流波痕缺陷.高強(qiáng)等[2]介紹帶鋼表面鋅波紋缺陷的產(chǎn)生原因及其影響因素，包括帶鋼與氣刀之間的振動(dòng)、氣刀調(diào)整參數(shù)、帶鋼入鋅鍋溫度和帶鋼出鋅鍋后表面的粗糙度等.郭太雄等[3]分析熱鍍鋅鋼板表面亮點(diǎn)缺陷的成因，并提出預(yù)防措施：可增加一個(gè)高壓水沖洗裝置，增大光整下壓量，并且氣刀距離鋅液面的高度、氣刀入口壓力、帶鋼速度及鋅液鋁含量應(yīng)嚴(yán)格控制.姚敢英[4]采用大渦模擬的方法研究鋅波紋的產(chǎn)生機(jī)理.THORNTON等[5]認(rèn)為鋅層厚度只與帶鋼長度方向壓強(qiáng)梯度的分布有關(guān).TUCK[6]提出一種近似方法研究在長波長擾動(dòng)下鋅層厚度的穩(wěn)定性.ELLEN等[7]建立無量綱模型并考慮切應(yīng)力的影響，對(duì)鋅層厚度進(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè).TU等[8]用實(shí)驗(yàn)證明最終鋅層厚度與壓強(qiáng)梯度和切應(yīng)力有關(guān).YOON等[9]和SO等[10-11]采用大渦模擬方法模擬三維非穩(wěn)態(tài)的復(fù)雜流場(chǎng)，表明峰值壓力點(diǎn)沿著以恒定速度向上運(yùn)行的帶鋼表面上滯線周期性交替運(yùn)動(dòng)，從而致使帶鋼表面產(chǎn)生鋅波紋.但是，以上工作沒有定量描述鋅波紋，也未研究鍍鋅參數(shù)對(duì)鋅波紋的影響規(guī)律.

通過帶鋼表面鋅液流動(dòng)的一維簡化模型預(yù)測(cè)鋅層穩(wěn)態(tài)厚度，并采用攝動(dòng)法結(jié)合三維氣刀湍射流流場(chǎng)的大渦模擬，將鋅層厚度與帶鋼表面由氣刀射流產(chǎn)生的壓強(qiáng)梯度和切應(yīng)力聯(lián)系起來，進(jìn)一步研究氣刀距帶鋼的距離、刀唇間隙、入口壓強(qiáng)和入口湍流強(qiáng)度等對(duì)鋅波紋的影響規(guī)律.

1 數(shù)值模型

1.1 鍍鋅層穩(wěn)態(tài)厚度的預(yù)測(cè)模型

為第1.1節(jié)中計(jì)算得到的每一瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)鋅層厚度.

隨著帶鋼在y方向上的運(yùn)動(dòng)，考慮到氣刀射流在時(shí)間上的脈動(dòng)，以上模型可以預(yù)測(cè)整個(gè)帶鋼表面的鋅波紋，即鍍鋅層厚度波動(dòng)狀況.

1.3 氣刀湍射流計(jì)算模型

設(shè)定x為垂直于帶鋼表面的方向，y為帶鋼運(yùn)動(dòng)的方向，z為帶鋼寬度方向.數(shù)值計(jì)算中氣刀距帶鋼的距離L=12 mm，氣刀刀唇間隙d=1.2 mm，帶鋼速度Vs=2.0 m/s，氣刀入口壓強(qiáng)P0=50 kPa.采用大渦模擬，Smagorinsky-Lilly Subgrid-Scale模型和PISO算法求解三維非穩(wěn)態(tài)的氣刀湍射流流場(chǎng).[9]氣刀出口和沖擊射流區(qū)域加密網(wǎng)格，最小的網(wǎng)格尺寸為0.1 mm；帶鋼寬度方向上的網(wǎng)格均勻分布，網(wǎng)格總個(gè)數(shù)約為12.9萬.計(jì)算域和邊界條件見圖3.計(jì)算采用固定時(shí)間步長Δt=10-6 s.

2 氣刀射流流場(chǎng)分析

射流中心平面的彎曲（見圖4）是由慣性效應(yīng)引起的.由于氣刀射流沖擊帶鋼表面，從而在氣刀的中心平面形成一對(duì)相反的力.一個(gè)順氣刀射流的方向，另一個(gè)與之反向.這就造成射流中心平面的彎曲，用屈曲波長λB=2πI/A[9]表示，I為截面的慣性矩，A為截面面積.當(dāng)簡化成二維模型時(shí)λB=πd/3.在上述工況d=1.2 mm下，用此公式計(jì)算得到的λB=2.17 mm.圖4中的屈曲波長數(shù)值結(jié)果約為2.15 mm，兩者相近.

氣刀噴射出的氣體速度與帶鋼的運(yùn)行速度差值越大，屈曲越小，越難觀察到，所以該工況下氣體的射流彎曲不太明顯.在氣刀的射流中心平面可以明顯觀察到其上方和下方有成對(duì)交替的漩渦出現(xiàn)，見圖5.某時(shí)刻帶鋼表面上沿

寬度方向上

的靜壓分布見圖6.圖6顯示沿著碰撞的停滯線（y=0）交替出現(xiàn)高、低壓區(qū)，這樣擬正弦分布的壁面壓力引起的漩渦在停滯線上幾乎周期性地左右移動(dòng)[9]，從而導(dǎo)致沿帶鋼寬度方向上的鋅層厚度呈波形分布現(xiàn)象，加上帶鋼豎直向上運(yùn)行，就形成帶鋼表面的鋅波紋.

通過帶鋼表面的壓強(qiáng)梯度和切應(yīng)力分布，結(jié)合式（9）和（16）可得到某瞬時(shí)帶鋼寬度方向上的鋅層厚度分布，見圖7.

3 鋅波紋規(guī)律研究

在不同工況下，通過分析氣刀距帶鋼的距離S，入口壓強(qiáng)P0，刀唇間隙H以及入口湍流強(qiáng)度I對(duì)射流流場(chǎng)及鋅層厚度的影響，得到觀測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)的脈動(dòng)擬周期T，平均壓強(qiáng)Pm，壓強(qiáng)脈動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差P′，橫向壓強(qiáng)脈動(dòng)波長[4]d，平均鋅層厚度hm和鋅層厚度標(biāo)準(zhǔn)差h′.

3.1 氣刀距帶鋼的距離S的影響

在P0=40 kPa，H=1.0 mm，I=10%的工況下計(jì)算S對(duì)氣刀射流的湍流脈動(dòng)流場(chǎng)及鋅層厚度的影響，計(jì)算結(jié)果見表1.

4 結(jié) 論

1）通過帶鋼表面鋅液流動(dòng)的一維簡化模型預(yù)測(cè)鋅層穩(wěn)態(tài)厚度，并采用攝動(dòng)法結(jié)合三維氣刀湍射流流場(chǎng)的大渦模擬，提出熱鍍鋅鋼板表面鋅波紋的數(shù)值預(yù)測(cè)模型.

2）分析氣刀距帶鋼的距離

S，入口壓強(qiáng)P0，刀唇間隙H以及入口湍流強(qiáng)度I對(duì)氣刀射流流場(chǎng)及鋅層厚度的影響.結(jié)果認(rèn)為：S越小，P0越大，H越小則得到的鋅層厚度越均勻；I對(duì)氣刀射流流場(chǎng)及鋅層厚度的影響可以忽略.

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（編輯 武曉英）