富聿晶，張紅梅，李培興，趙紅陽

(1.遼寧科技大學(xué)材料成型與組織性能控制聯(lián)合實驗室，遼寧 鞍山 114051;2.鞍鋼股份有限公司技術(shù)中心，遼寧 鞍山 114009)

在鍍鋅產(chǎn)品中，連續(xù)熱鍍鋅帶鋼是近幾年發(fā)展較快的鋼鐵品種［1－2］.熱鍍鋅板是帶鋼通過裝有濃熔鋅液的鋅鍋，并在出鋅鍋上方經(jīng)過一對氣刀，通過氣刀噴出的高壓氣體對帶鋼表面多余鋅液進行擦拭，如圖1所示.

熱鍍鋅帶鋼鍍層厚度及其均勻度是鍍鋅板質(zhì)量評價的重要指標.隨著涂鍍技術(shù)的不斷進步，近年來在鍍層質(zhì)量控制上已經(jīng)取得了很大進步，但鍍層厚度不均，特別是邊部過鍍鋅等鍍層質(zhì)量缺陷問題，仍然是鍍鋅技術(shù)向前發(fā)展的瓶頸［3］.邊部過鍍鋅的發(fā)生，使帶鋼邊部鍍層厚度大于其中心處鍍層厚度，嚴重影響鍍層橫向分布的均勻性，對鍍層質(zhì)量及使用壽命等產(chǎn)生極為不利影響，同時也提高了生產(chǎn)成本.已有文獻報道［4－8］，邊部過鍍鋅缺陷的形成與鋅液粘度、表面張力及帶鋼邊部氣流的橫向逸散等有關(guān)，即在上述因素的影響下，導(dǎo)致帶鋼邊部鍍層吹刮阻力增大，且?guī)т摫砻鎵毫Τ霈F(xiàn)衰減現(xiàn)象，容易出現(xiàn)鍍鋅板邊部鋅層過厚這一缺陷.在實際生產(chǎn)中，為避免邊部過鍍鋅的發(fā)生，在帶鋼兩邊部增設(shè)邊部擋板，如圖2所示，意在使擋板和帶鋼成為一體，這樣帶鋼邊部便得到擴延.出于穩(wěn)定性考慮，一般擋板厚度要大于基板帶鋼，且是鍍層厚度的近萬倍，文獻［6］中已經(jīng)證實，靠近帶鋼側(cè)擋板的邊部角度會對帶鋼邊部壓力產(chǎn)生影響，可見擋板形狀及厚度的微小變化都會引起帶鋼邊部壓力的改變而最終影響鍍層厚度.

本文針對熱鍍鋅生產(chǎn)中易出現(xiàn)的邊部過鍍鋅問題，利用Fluent軟件，建立熱鍍鋅氣刀射流噴吹過程三維仿真模型，模擬分析擋板形狀及其厚度對帶鋼邊部壓力場的影響，并借助鍍層厚度計算模型，優(yōu)化擋板設(shè)計，使擋板的作用得到充分發(fā)揮［9－10］.

圖1 熱鍍鋅生產(chǎn)原理圖

圖2 擋板工作位置圖示

1 帶有擋板的氣刀系統(tǒng)三維模型建立

1.1 計算模型

依照圖2中氣刀系統(tǒng)情況，在考慮帶鋼和擋板厚度情況下對氣刀噴吹工藝設(shè)備進行簡化，并建立氣刀噴吹過程3D仿真模型如圖3所示.圖3中采用雙面氣刀噴吹，為了考慮網(wǎng)格數(shù)量采取帶鋼寬度方向和擋板寬度方向兩處對稱，并考慮實際生產(chǎn)中氣刀形狀對模塊進行了氣刀輪廓的設(shè)計，經(jīng)氣刀噴嘴噴射出的高壓氣流方向為x軸，帶鋼運行方向為y軸正方向.由于兩側(cè)帶鋼及擋板的對稱性，模型中采用兩處對稱處理.帶鋼與擋板厚度分別為ts和tb，氣刀出口狹縫高度為d，氣刀出口狹縫與帶鋼間隔距離為H，帶鋼與擋板間距為g.為優(yōu)化擋板設(shè)計，模擬計算時考慮擋板邊部角度和擋板厚度，工況條件下的具體參數(shù)如表1～表3所示.

圖3 氣刀簡化計算模型

表1 氣刀工藝參數(shù)

表2 帶鋼工藝參數(shù)

表3 擋板工藝參數(shù)

1.2 網(wǎng)格與邊界條件

網(wǎng)格劃分采用分體網(wǎng)格劃分，將整體模塊切割成21個區(qū)域，將相鄰區(qū)域間建立單元長度的凍結(jié)體，再分別對每個區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，并將相鄰區(qū)域共享節(jié)點，如圖4所示.充分控制氣刀處帶鋼表面網(wǎng)格精度，模型網(wǎng)格全部為六面體網(wǎng)格，數(shù)量約為290萬，并在帶鋼與擋板靠近位置進行局部網(wǎng)格加密.模型中帶鋼及擋板兩側(cè)對稱面定義為對稱邊界條件;氣刀出口狹縫定義為壓力入口條件，帶鋼定義為無滑移壁面邊界條件，其余邊界定義為壓力出口邊界條件，出口壓力為大氣壓強.

控制方程采用三維穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程，工況條件下氣刀出口雷諾數(shù)Re＞10 000，處于充分發(fā)展的湍流狀態(tài)，湍流方程選擇可實現(xiàn)k－ε湍流模型，其中動量、k 和ε 均采用二階迎風(fēng)格式［8，10］.

圖4 模型網(wǎng)格劃分

2 計算結(jié)果與討論

2.1 擋板厚度及形狀對帶鋼表面作用力的影響

當氣刀出口壓力為5 kPa、間隔距離H為15 mm時，計算帶鋼邊部壓力和剪切力峰值隨擋板厚度的變化，如圖5所示.圖5(a)為帶鋼兩側(cè)表面壓力分布，可知:隨著擋板厚度的增加，帶鋼中心位置壓力峰值基本不變，而邊部壓力峰值隨之減小;擋板厚度為1 mm時，帶鋼邊部壓力與中心位置非常接近，邊部壓力損失僅為1.22%.圖5(b)為帶鋼表面剪切力峰值分布，即隨擋板厚度增加，帶鋼中心處剪切力波動很小，保持在某一恒定值，但帶鋼邊部剪切力隨著擋板厚度增加而急劇降低，當擋板厚度為1 mm時，峰值最大并接近中心位置.

圖5 帶鋼表面作用力分布

圖6為氣刀出口上方2 mm處帶鋼和擋板之間的速度矢量圖，噴射出的高速氣流首先到達擋板表面并沿著擋板表面向帶鋼側(cè)偏聚.當擋板較薄時，如圖6(a)所示，擋板有效阻礙了帶鋼邊部氣流的橫向偏轉(zhuǎn)，使帶鋼邊部氣流垂直到達帶鋼表面，降低了邊部壓力衰減;當擋板較厚時，如圖6(b)所示，向帶鋼側(cè)偏轉(zhuǎn)氣流在間隙處發(fā)生碰撞后又轉(zhuǎn)向了擋板，氣流在擋板邊緣處產(chǎn)生氣流漩渦，使得帶鋼邊部氣流發(fā)生擾動，因此帶鋼邊部壓力分布出現(xiàn)圖5所示的趨勢.

圖6 不同厚度擋板作用下帶鋼邊部流場分布

根據(jù)以上的模擬結(jié)果分析，隨擋板厚度減小，帶鋼邊部壓力和剪切力增大并逐漸接近于中心處值，使帶鋼表面壓力分布更加均勻.如圖2所示，在實際鍍鋅生產(chǎn)中擋板采用單側(cè)吊掛固定方式，如果擋板太薄，在氣刀氣流吹掃下會發(fā)生抖動，反而不利于帶鋼邊部氣流壓力的提高，而圖5(a)中當擋板厚度分別為2和1 mm時，帶鋼邊部壓力并無明顯變化，所以擋板厚度選為2 mm是比較合適的.文獻［7］中提出，擋板角度對帶鋼表面存在影響，在不同邊部角度擋板作用下，帶鋼邊部壓力和剪切力峰值出現(xiàn)在擋板邊角80°～90°，并接近中心處的壓力值.由于帶鋼兩側(cè)表面存在對稱性，下面均分析帶鋼單側(cè)表面作用力分布情況，在其他條件相同情況下，計算厚度為2 mm、邊部角度為90°、45°擋板作用下帶鋼長度方向上的壓力和剪切力分布，如圖7所示.圖中擋板邊角為90°時，帶鋼邊部和中心位置正壓力和剪切力分布曲線基本重合，壓力半值寬相等;擋板邊部角度改變?yōu)?5°時，可以發(fā)現(xiàn)中心處壓力基本保持不變，但邊部壓力出現(xiàn)明顯衰減:這充分表明，在擋板厚度為2 mm，邊部角度為90°的綜合作用下，帶鋼表面作用力分布已基本均勻.

文獻［7］指出，氣刀拭鋅能力受到鋼帶表面的壓力梯度分布、剪切力分布及熔融鋅液物性參數(shù)等因素的共同影響，為充分考慮各因素的共同作用，進一步優(yōu)化擋板設(shè)計，引入鍍層厚度計算模型［11－13］進行分析.其中所需帶鋼表面壓力梯度分布、剪切力分布由Fluent計算獲得.

圖7 帶鋼長度方向上的壓力分布(a)和剪切力分布(b)

2.2 擋板形狀及厚度對帶鋼表面鍍層的影響

圖8為4種不同工況條件下，按上述鍍層厚度計算模型計算得到的帶鋼邊部鍍層厚度與中心處鍍層厚度差值隨擋板厚度變化情況，其中由于上述實驗可知擋板厚度變化時帶鋼中心處壓力基本保持不變，所以中心處計算鍍層也基本不變，在460 ℃下鋅液粘度為μ=3.04×103Pa·s，密度 ρ=6 634 kg/m3.隨著擋板厚度增加，帶邊部鍍層與中心處鍍層厚度差值均隨之增厚，鍍層厚度都在擋板厚度為2 mm時取得最小值.當擋板為2 mm厚、噴吹壓力5 kPa、氣刀距帶鋼距離H=10 mm時，經(jīng)計算得出帶鋼中心處鍍層厚度為46.9 μm，而邊部鍍層厚度為48.8 μm，與中心處鍍層相比，僅相差約2 μm;而擋板厚度為8 mm時鍍層厚度為57.1 μm，與中心處鍍層相比相差約為10 μm.在相同情況下，氣刀距帶鋼距離H=15 mm時，噴吹壓力為5 kPa時，2 mm厚擋板作用下邊部鍍層與中心處鍍層相差2.5 μm;而擋板厚度為8 mm時，邊部鍍層與中心處鍍層相比相差約為8 μm.

帶鋼拉鋼速度對鍍層厚度也存在影響，由圖9可見，不同拉鋼速度時，鍍層厚度也符合隨著擋板厚度的增加邊部鍍層與中心處鍍層厚度差值越大，由此可見，在不同的氣刀距帶鋼距離H、不同的壓力、不同拉鋼速度下，擋板變薄均有助于鍍層均勻性的改善，當氣刀噴吹壓力較小時，擋板厚度對帶鋼邊部鍍層的影響更大.

圖8 不同厚度擋板作用下帶鋼橫向鍍層差值分布

圖9 帶鋼速度對鍍層厚度的影響

計算不同邊部角度擋板作用時帶鋼邊部鍍層厚度分布，結(jié)果見圖10，隨著擋板角度的增加，無論氣刀距帶鋼距離H、氣刀噴吹壓力如何改變，帶鋼邊部鍍層呈現(xiàn)先減小后增大趨勢，最薄鍍層出現(xiàn)在90°，其鍍層厚度與中心處鍍層厚度非常接近，擋板靠近帶鋼側(cè)角度設(shè)計成90°左右時對防止帶鋼邊部過鍍鋅的發(fā)生是有利的.

圖10 不同角度擋板作用下帶鋼邊部鍍層厚度分布

模擬仿真表明，厚度為2 mm、邊部角度為90°時，擋板對帶鋼邊部壓力的衰減有很大改善作用，能有效提高帶鋼橫向壓力分布的均勻性，在氣刀出口壓力P0為5 kPa，間隔距離H為10 mm，帶鋼速度為2 m/s條件下，計算出此擋板作用下帶鋼邊部鍍層分布如圖11所示.通過模擬計算可以得出，在此擋板作用下，帶鋼邊部最終鍍層厚度與中心處鍍層已基本一致，邊部過鍍鋅缺陷已基本被消除，帶鋼橫向鍍層均勻性得到改善.

圖11 鍍層厚度分布

3 結(jié)論

1)熱鍍鋅過程中，施加擋板作為減緩邊部過鍍鋅缺陷的有效措施，其中擋板厚度對帶鋼邊部作用力有重要影響，隨擋板厚度減小，帶鋼邊部作用力增大，鍍層厚度逐漸減薄并逐漸接近中心位置，當擋板厚度為2 mm左右時，帶鋼橫向作用力和鍍層厚度分布的均勻性得到改善.

2)模擬仿真表明，隨擋板邊部角度增加，帶鋼邊部鍍層厚度呈先減小后增大分布，邊角為90°時邊部鍍層厚度取得最小值，并與中心位置接近.

3)當擋板厚度為2 mm、邊角為90°綜合作用下，帶鋼邊部作用力、鍍層厚度與中心處基本接近，有效提高了帶鋼橫向鍍層分布的均勻性，降低了邊部過鍍鋅的發(fā)生幾率.

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