熱鍍鋅鋼板表面鋅波紋影響因素的數值分析

馬龍威+陳瀚

摘要：針對熱鍍鋅鋼板表面出現的鋅波紋問題，通過帶鋼表面鋅液流動的一維簡化模型預測鋅層穩態厚度；采用攝動法并結合三維氣刀射流湍流流場的大渦模擬，提出熱鍍鋅鋼板表面鋅波紋的數值預測模型；研究工藝參數對鋅波紋的影響規律.結果表明：氣刀距帶鋼的距離越遠，刀唇間隙越大，氣刀入口壓強越小，帶鋼表面鋅波紋越明顯；氣刀入口湍流強度對鋅波紋影響可以忽略.

關鍵詞：熱鍍鋅； 沖擊射流； 參數效應； 鋅波紋； 大渦模擬

中圖分類號： TG174.44

文獻標志碼： 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

涂層技術大量運用于各種領域，例如建筑、汽車、造船等.其中，工業領域中熱鍍鋅鋼板表面防銹以其費用比其他漆料涂層低、防腐年限長、鍍層致密等優點被廣泛應用.熱鍍鋅鋼板由連續鍍鋅工藝產出，將成卷的鋼板經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水平放置于鋅液池上方對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.氣刀吹鋅采用水動力學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，可以接近預想的結果，但最終得到的只是平均厚度.在實際的氣刀吹拭過程中，帶鋼表面會出現很多凹凸的瑕疵.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、氣刀噴吹壓力系統故障、氣刀壓縮空氣管道內的雜質堵塞氣刀噴腔等.氣刀吹拭完成后，鋼帶表面會出現似蛇形的斜條紋，見圖2.

對帶鋼表面瑕疵產生的原因，國內外學者展開一系列研究.張洪濤等[1]認為帶鋼的表面狀態及粗糙度、鋅液成分、鋅液溫度和鋼帶入鋅鍋的溫度等對鋅液流動有影響，從而影響鋅液的凝固，形成鋅流波痕缺陷.高強等[2]介紹帶鋼表面鋅波紋缺陷的產生原因及其影響因素，包括帶鋼與氣刀之間的振動、氣刀調整參數、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缺陷的成因，并提出預防措施：可增加一個高壓水沖洗裝置，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嚴格控制.姚敢英[4]采用大渦模擬的方法研究鋅波紋的產生機理.THORNTON等[5]認為鋅層厚度只與帶鋼長度方向壓強梯度的分布有關.TUCK[6]提出一種近似方法研究在長波長擾動下鋅層厚度的穩定性.ELLEN等[7]建立無量綱模型并考慮切應力的影響，對鋅層厚度進行更準確的預測.TU等[8]用實驗證明最終鋅層厚度與壓強梯度和切應力有關.YOON等[9]和SO等[10-11]采用大渦模擬方法模擬三維非穩態的復雜流場，表明峰值壓力點沿著以恒定速度向上運行的帶鋼表面上滯線周期性交替運動，從而致使帶鋼表面產生鋅波紋.但是，以上工作沒有定量描述鋅波紋，也未研究鍍鋅參數對鋅波紋的影響規律.

通過帶鋼表面鋅液流動的一維簡化模型預測鋅層穩態厚度，并采用攝動法結合三維氣刀湍射流流場的大渦模擬，將鋅層厚度與帶鋼表面由氣刀射流產生的壓強梯度和切應力聯系起來，進一步研究氣刀距帶鋼的距離、刀唇間隙、入口壓強和入口湍流強度等對鋅波紋的影響規律.

1 數值模型

1.1 鍍鋅層穩態厚度的預測模型

為第1.1節中計算得到的每一瞬時穩態鋅層厚度.

隨著帶鋼在y方向上的運動，考慮到氣刀射流在時間上的脈動，以上模型可以預測整個帶鋼表面的鋅波紋，即鍍鋅層厚度波動狀況.

1.3 氣刀湍射流計算模型

設定x為垂直于帶鋼表面的方向，y為帶鋼運動的方向，z為帶鋼寬度方向.數值計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算法求解三維非穩態的氣刀湍射流流場.[9]氣刀出口和沖擊射流區域加密網格，最小的網格尺寸為0.1 mm；帶鋼寬度方向上的網格均勻分布，網格總個數約為12.9萬.計算域和邊界條件見圖3.計算采用固定時間步長Δt=10-6 s.

2 氣刀射流流場分析

射流中心平面的彎曲（見圖4）是由慣性效應引起的.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相反的力.一個順氣刀射流的方向，另一個與之反向.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.當簡化成二維模型時λB=πd/3.在上述工況d=1.2 mm下，用此公式計算得到的λB=2.17 mm.圖4中的屈曲波長數值結果約為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交替的漩渦出現，見圖5.某時刻帶鋼表面上沿

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）交替出現高、低壓區，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[9]，從而導致沿帶鋼寬度方向上的鋅層厚度呈波形分布現象，加上帶鋼豎直向上運行，就形成帶鋼表面的鋅波紋.

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

3 鋅波紋規律研究

在不同工況下，通過分析氣刀距帶鋼的距離S，入口壓強P0，刀唇間隙H以及入口湍流強度I對射流流場及鋅層厚度的影響，得到觀測點壓強的脈動擬周期T，平均壓強Pm，壓強脈動的標準差P′，橫向壓強脈動波長[4]d，平均鋅層厚度hm和鋅層厚度標準差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%的工況下計算S對氣刀射流的湍流脈動流場及鋅層厚度的影響，計算結果見表1.

4 結 論

1）通過帶鋼表面鋅液流動的一維簡化模型預測鋅層穩態厚度，并采用攝動法結合三維氣刀湍射流流場的大渦模擬，提出熱鍍鋅鋼板表面鋅波紋的數值預測模型.

2）分析氣刀距帶鋼的距離

S，入口壓強P0，刀唇間隙H以及入口湍流強度I對氣刀射流流場及鋅層厚度的影響.結果認為：S越小，P0越大，H越小則得到的鋅層厚度越均勻；I對氣刀射流流場及鋅層厚度的影響可以忽略.

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（編輯 武曉英）