鮑成人，康永林*，李研

（1.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083；2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

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氣刀工藝參數(shù)對(duì)熱鍍鋅板亮點(diǎn)缺陷的影響分析與模擬

鮑成人1，2，康永林1，*，李研2

（1.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083；2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

針對(duì)厚度規(guī)格在2.0 mm以上，雙面鋅重大于180 g/m2的熱鍍鋅鋼板生產(chǎn)過(guò)程中帶鋼表面極易出現(xiàn)亮點(diǎn)缺陷的問(wèn)題，采用掃描電鏡對(duì)缺陷表面及截面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)缺陷位置的鋅層偏薄，呈現(xiàn)明顯的凹坑狀。運(yùn)用 Fluent軟件對(duì)氣刀吹鋅過(guò)程的氣體流動(dòng)情況進(jìn)行三維數(shù)值模擬，通過(guò)分析得出厚規(guī)格鍍鋅板生產(chǎn)過(guò)程中氣刀射程過(guò)大是造成該亮點(diǎn)缺陷的主要原因。通過(guò)調(diào)整氣刀工藝參數(shù)，有效避免了帶鋼表面亮點(diǎn)缺陷的發(fā)生。

熱鍍鋅；亮點(diǎn)缺陷；厚度；氣刀吹掃；數(shù)值模擬

First-author's address: School of Materials Science and Engineering， University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083， China

熱鍍鋅板具有良好的耐蝕性、加工成型性、焊接性及涂裝性等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、建筑和家電行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。隨著各企業(yè)鍍鋅產(chǎn)品表面質(zhì)量的逐步提升，客戶對(duì)鍍鋅板表面質(zhì)量的要求也越來(lái)越嚴(yán)格［1-2］。亮點(diǎn)缺陷是純鋅鍍層表面一種常見(jiàn)且非常細(xì)微的缺陷，其產(chǎn)生原因復(fù)雜，主要有以下幾個(gè)方面：鍍鋅基板表面缺陷，鍍鋅過(guò)程中清洗不良，爐內(nèi)異物壓入，鍍鋅過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷，鋅渣與鋅灰，氣刀吹掃飛濺，光整工作輥表面異物粘附，等等［3-4］。本文針對(duì)產(chǎn)線生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)的亮點(diǎn)缺陷，研究了其微觀形貌和成分，對(duì)其產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，并采用數(shù)值模擬的方法考察了氣刀工藝參數(shù)，提出解決方案和應(yīng)對(duì)措施。

1　試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為厚度規(guī)格在2.0 mm以上，鋅重大于Z180（即雙面180 g/m2）的熱鍍鋅鋼板，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)停機(jī)后在氣刀上方冷卻塔前取樣，從而排除冷卻塔塔頂輥、光整機(jī)等后續(xù)輥系對(duì)缺陷的影響。首先對(duì)缺陷進(jìn)行宏觀形貌分析，并選取典型的缺陷區(qū)域進(jìn)行取樣，對(duì)基板進(jìn)行掃描電鏡（SEM）和能譜（EDS）分析。然后將局部的樣品置于體積分?jǐn)?shù)為50%的鹽酸溶液中浸泡5 min，清洗掉表面殘留的鋅層和鹽酸溶液，進(jìn)行宏觀形貌分析。

選用模擬仿真軟件Fluent分析氣刀氣體流場(chǎng)對(duì)鋅層表面的影響，該軟件可用來(lái)模擬和分析復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象，從不可壓流到中等程度可壓流乃至高度可壓流范圍內(nèi)的復(fù)雜流場(chǎng)都適用。該軟件采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因此能達(dá)到好的收斂精度［5-6］。結(jié)合圖1所示的現(xiàn)場(chǎng)氣刀設(shè)備實(shí)際情況，簡(jiǎn)化并建立氣刀噴吹帶鋼表面的三維模型，如圖2所示。

圖1 氣刀吹鋅過(guò)程示意圖Figure 1 Diagram showing the process of air knife blowing

圖2 氣刀吹鋅過(guò)程的三維模型Figure 2 3D model simulating the air knife blowing process

氣刀對(duì)稱安裝于帶鋼兩側(cè)，原點(diǎn)位于兩側(cè)氣刀之間軸向平面上的帶鋼邊部處，氣流噴吹方向?yàn)?x方向，帶鋼運(yùn)行方向?yàn)閥方向，帶鋼寬度方向?yàn)閦方向。在氣刀結(jié)構(gòu)一定的情況下，高速氣流經(jīng)過(guò)氣刀腔形成均勻穩(wěn)定的流場(chǎng)，可不對(duì)氣刀腔進(jìn)行建模［7］。由于氣刀寬度方向上具有對(duì)稱性，取1/2氣刀寬度為計(jì)算區(qū)域可簡(jiǎn)化計(jì)算。本次數(shù)值模擬建立的三維模型的網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，在氣刀出口、帶鋼邊部以及壁面附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格數(shù)量約為150萬(wàn)。

2　亮點(diǎn)缺陷組織分析

亮點(diǎn)缺陷的形貌如圖3所示，從圖3a的宏觀形貌上看大概有20多個(gè)亮點(diǎn)缺陷，其特點(diǎn)為：呈彗星狀，存在明顯的拖尾，在帶鋼上下表面不規(guī)則分布，邊部較為嚴(yán)重，中部較為輕微。為確定該缺陷的形成原因，對(duì)缺陷進(jìn)行了微觀形貌觀察以及能譜分析。圖3b為缺陷處的SEM照片，從中看出此缺陷呈現(xiàn)一個(gè)不規(guī)則形狀，邊部發(fā)白，有凸起感。圖3c為亮點(diǎn)缺陷放大200倍的SEM照片，可見(jiàn)這種亮點(diǎn)缺陷實(shí)際上是一個(gè)約3 mm長(zhǎng)的凹坑，亮點(diǎn)缺陷位置的表面形貌與正常位置存在明顯差異。采用掃描電鏡對(duì)亮點(diǎn)缺陷位置的截面進(jìn)行了觀察，見(jiàn)圖3d，亮點(diǎn)缺陷的截面高度明顯降低。

圖3 熱鍍鋅板表面亮點(diǎn)缺陷形貌Figure 3 Morphology of bright spot defect on surface of hot-dip galvanized steel strip

采用體積分?jǐn)?shù)為50%的鹽酸溶液浸泡5 min后，清洗掉表面殘留的鋅層和鹽酸溶液，對(duì)缺陷位置的基板表面進(jìn)行觀察，如圖4a所示，從中可見(jiàn)亮點(diǎn)位置附近鍍鋅基板形貌正常。繼續(xù)對(duì)缺陷進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖4b，亮點(diǎn)缺陷處的主要成分為Fe，無(wú)退火過(guò)程中產(chǎn)生的氧化物，說(shuō)明與基板以及退火工藝無(wú)關(guān)，應(yīng)是鍍鋅氣刀工藝所產(chǎn)生，主要為鍍層不均勻所導(dǎo)致。

圖4 缺陷位置基板表面形貌及能譜分析Figure 4 Morphology image and energy-dispersive spectrum at the position where bright spot defect appeared on the black plate

對(duì)帶鋼生產(chǎn)過(guò)程中氣刀的工藝參數(shù)進(jìn)行了反查，檢測(cè)了3卷，每卷取3個(gè)樣品，取平均值，結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可以看出，單位面積（每平方米）內(nèi)亮點(diǎn)個(gè)數(shù)與氣刀射程有對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且在氣刀射程大于12 mm時(shí)，帶鋼亮點(diǎn)個(gè)數(shù)明顯增多。

圖5 亮點(diǎn)個(gè)數(shù)與氣刀射程的對(duì)應(yīng)關(guān)系Figure 5 Relationship between the number of bright spot and the distance between air knife and steel strip

氣刀工藝參數(shù)的選擇主要影響氣刀的氣流對(duì)帶鋼表面壓力的分布，進(jìn)而影響帶鋼表面鍍層的均勻性，因此需要對(duì)氣刀壓力分布情況進(jìn)行分析。

3　氣刀參數(shù)數(shù)值模擬分析

3. 1 邊界條件設(shè)置

將入口邊界條件設(shè)為壓力進(jìn)口邊界條件（Pressure-inlet），壓力范圍為15 ～ 50 kPa。將出口邊界條件設(shè)為壓力出口邊界條件（Pressure-outlet），出口處與大氣相接通，所以壓力設(shè)為一個(gè)大氣壓（101.325 kPa）。帶鋼表面、氣刀壁面都設(shè)為壁面邊界（Wall），并采用非平衡壁面函數(shù)法（Non-equilibrium wall function），其中帶鋼表面在Fluent里設(shè)置其為可移動(dòng)邊界條件（Moving wall），速率范圍為0.5 ～ 2.0 m/s。

3. 2 氣刀工況參數(shù)選取

為研究各主要工藝參數(shù)對(duì)氣刀刮鋅作用的影響規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的實(shí)際氣刀的各種工況參數(shù)來(lái)模擬帶鋼表面受力分布，設(shè)計(jì)進(jìn)氣壓力P0分別為15、20、25、30、35、40、45和50 kPa，射程Z分別為8、10、11、12、13、14、16、18、20和22 mm。

通過(guò)定義正壓力峰值Pmax和壓力半值寬b描述指標(biāo)，可以定量表征氣刀工作機(jī)理，有利于建立鋅層厚度控制數(shù)學(xué)模型。

Pmax──氣刀噴吹作用下帶鋼表面正壓力的峰值，該值越大，刮鋅能力越強(qiáng)。

b──帶鋼表面正壓力衰減為峰值的一半時(shí)距刀唇中心線的距離，該值越小，氣流越集中，鍍層均勻性越好。

3. 3 氣刀進(jìn)氣壓力的影響

氣刀進(jìn)氣壓力是鋅層厚度控制工藝中最重要的工藝參數(shù)，也是鋅層厚度控制中的主要工藝手段。開(kāi)口度取為定值（D = 1.2 mm），進(jìn)氣壓力P0取值范圍為15 ～ 50 kPa，分10、14和18 mm三種射程值進(jìn)行模擬計(jì)算，研究不同氣刀進(jìn)氣壓力對(duì)帶鋼表面壓力分布情況的影響。

從圖6和圖7可以看出，當(dāng)進(jìn)氣壓力增加時(shí)，正壓力峰值隨之增加，二者呈明顯的線性關(guān)系，并且隨著射程Z（刀唇與帶鋼表面距離）變大，正壓力峰值的變化幅度有所減弱；壓力半值寬b隨進(jìn)氣壓力的增加而減小，并且隨著射程Z變大，壓力半值寬的變化幅度增大。

圖6 不同氣刀射程下正壓力峰值Pmax隨進(jìn)氣壓力P0的變化Figure 6 Variation of positive peak pressure Pmax with inlet pressure P0 at different distance between air knife and steel strip

圖7 不同氣刀射程下壓力半值寬b隨進(jìn)氣壓力P0的變化Figure 7 Variation of half-pressure distance b with inlet pressure P0 at different distance between air knife and steel strip

綜上可知，當(dāng)進(jìn)氣壓力增大時(shí)，帶鋼表面正壓力峰值會(huì)隨之線性增大，與此同時(shí)，壓力半值寬隨之減小，意味著氣刀噴吹出來(lái)的氣流更加集中，因而在其他因素不變的情況下，更有利于獲得均勻的鍍層。

圖8 不同進(jìn)氣壓力下正壓力峰值Pmax隨氣刀射程Z的變化Figure 8 Variation of positive peak pressure Pmax with the distance Z between air knife and steel strip at different inlet pressures

圖9 不同進(jìn)氣壓力下壓力半值寬b隨氣刀射程Z的變化Figure 9 Variation of half-pressure distance b with the distance Z between air knife and steel strip at different inlet pressures

綜上可知，當(dāng)氣刀射程Z在8 ～ 12 mm范圍內(nèi)時(shí)，壓力分布隨射程增加的變化并不明顯，由于帶鋼表面正壓力峰值衰減較小，同時(shí)壓力半值寬較小，說(shuō)明氣流集中，因此氣刀刮鋅能力較強(qiáng)；當(dāng)Z ＞12 mm后，隨著射程增加，正壓力峰值開(kāi)始迅速衰減，而壓力半值寬的增大也說(shuō)明氣流不斷發(fā)散，因此氣刀刮鋅能力迅速減弱，鍍層均勻性會(huì)變差。

根據(jù)以上分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，采用光學(xué)顯微鏡對(duì)鍍鋅板截面進(jìn)行觀察測(cè)量，獲得沿帶鋼寬度方向鋅層厚度分布情況，如圖10所示。由圖10可見(jiàn)，將氣刀射程范圍由原來(lái)的8 ～ 25 mm縮小為8 ～ 12 mm，使得鋅層厚度沿帶鋼寬度方向的均勻性得到明顯改善，同時(shí)帶鋼亮點(diǎn)缺陷的問(wèn)題得到解決。

4　結(jié)論

（1） 厚規(guī)格鍍鋅板亮點(diǎn)缺陷位置為凹坑，鋅層明顯較正常位置偏薄，缺陷位置的基板表面形貌無(wú)異常，可以認(rèn)為是鋅層不均勻所致。

（2） 氣刀壓力和射程會(huì)對(duì)帶鋼表面的正壓力及壓力半寬值產(chǎn)生明顯影響，射程大于12 mm會(huì)使氣流分散，降低刮鋅能力，使鋅層均勻性變差，從而導(dǎo)致亮點(diǎn)缺陷產(chǎn)生。

（3） 生產(chǎn)厚鍍層帶鋼時(shí)，氣刀的射程設(shè)為8 ～ 12 mm，可以獲得均勻鍍層，有效避免亮點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生。

［1］ 康永林. 近年我國(guó)熱軋及冷軋板帶生產(chǎn)現(xiàn)狀分析［J］. 鞍鋼技術(shù)， 2013 （1）: 1-5.

［2］ 張啟富， 劉邦津， 黃健中. 現(xiàn)代鋼帶連續(xù)熱鍍鋅［M］. 北京: 冶金工業(yè)出版社， 2007.

［3］ GOSSET A， BUCHLIN J M. Jet wiping in hot-dip galvanization ［J］. Journal of Fluids Engineering， 2007， 129 （4）: 466-475.

［4］ 仲海峰， 劉邦津， 張啟富. 國(guó)外鋼板熱鍍鋅技術(shù)進(jìn)展［J］. 腐蝕與防護(hù)， 2002， 23 （11）: 474-478.

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［ 編輯：溫靖邦 ］

Analysis and numerical simulation of the effect of air knife parameters on bright spot defect of hot-dip galvanized steel strip

BAO Cheng-ren， KANG Yong-lin*， LI Yan

During the production of hot-dip galvanized steel strip with a thickness over 2.0 mm and a zinc coating weight over 180 g/m2for both side， a kind of bright spot defect is likely to occur on the surface. The surface and cross-section of such defect were observed by scanning electron microscopy. It was found that the defect appears to be a pit due to thinner zinc coating on it compared with the normal positions. The blowing of air knife was simulated using a three-dimensional model established by the software FLUENT. The too long distance between air knife and steel strip was considered to be the main cause for the bright spot defect. The occurrence of bright spot defect was eliminated effectively by modifying the parameters of air knife blowing.

hot-dip galvanizing； bright spot defect； thickness； air knife blowing； numerical simulation

TG174.443

A

1004 - 227X （2016） 08 - 0402 - 05

2015-11-19

2016-02-25

鮑成人（1981-），男，河北秦皇島人，在讀博士研究生，研究方向?yàn)椴牧峡茖W(xué)與工程。

康永林，博士，教授，（E-mail） kangylin@ustb.edu.cn。