热镀锌钢板表面锌波纹影响因素的数值分析

马龙威+陈瀚

摘要：针对热镀锌钢板表面出现的锌波纹问题，通过带钢表面锌液流动的一维简化模型预测锌层稳态厚度；采用摄动法并结合三维气刀射流湍流流场的大涡模拟，提出热镀锌钢板表面锌波纹的数值预测模型；研究工艺参数对锌波纹的影响规律.结果表明：气刀距带钢的距离越远，刀唇间隙越大，气刀入口压强越小，带钢表面锌波纹越明显；气刀入口湍流强度对锌波纹影响可以忽略.

关键词：热镀锌； 冲击射流； 参数效应； 锌波纹； 大涡模拟

中图分类号： TG174.44

文献标志码： 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

涂层技术大量运用于各种领域，例如建筑、汽车、造船等.其中，工业领域中热镀锌钢板表面防锈以其费用比其他漆料涂层低、防腐年限长、镀层致密等优点被广泛应用.热镀锌钢板由连续镀锌工艺产出，将成卷的钢板经一系列前处理后浸过高温锌液池，然后将带钢连同黏附在其表面的锌液自一对水平放置于锌液池上方对立的气刀间竖直向上拉.热镀锌过程示意见图1.通常，在不采取任何措施的情况下，经过锌液池的带钢表面黏附的锌层厚度比最后期望值大约厚几十倍，这些多余的锌液必须除掉.气刀吹锌采用水动力学的方法吹掉黏附在带钢表面的多余锌液.

虽然气刀能够有效吹掉带钢表面上的多余锌液，可以接近预想的结果，但最终得到的只是平均厚度.在实际的气刀吹拭过程中，带钢表面会出现很多凹凸的瑕疵.这些瑕疵是由多种因素造成的，如带钢表面不平整、吹拭过程中钢带的抖动、气刀喷吹压力系统故障、气刀压缩空气管道内的杂质堵塞气刀喷腔等.气刀吹拭完成后，钢带表面会出现似蛇形的斜条纹，见图2.

对带钢表面瑕疵产生的原因，国内外学者展开一系列研究.张洪涛等[1]认为带钢的表面状态及粗糙度、锌液成分、锌液温度和钢带入锌锅的温度等对锌液流动有影响，从而影响锌液的凝固，形成锌流波痕缺陷.高强等[2]介绍带钢表面锌波纹缺陷的产生原因及其影响因素，包括带钢与气刀之间的振动、气刀调整参数、带钢入锌锅温度和带钢出锌锅后表面的粗糙度等.郭太雄等[3]分析热镀锌钢板表面亮点缺陷的成因，并提出预防措施：可增加一个高压水冲洗装置，增大光整下压量，并且气刀距离锌液面的高度、气刀入口压力、带钢速度及锌液铝含量应严格控制.姚敢英[4]采用大涡模拟的方法研究锌波纹的产生机理.THORNTON等[5]认为锌层厚度只与带钢长度方向压强梯度的分布有关.TUCK[6]提出一种近似方法研究在长波长扰动下锌层厚度的稳定性.ELLEN等[7]建立无量纲模型并考虑切应力的影响，对锌层厚度进行更准确的预测.TU等[8]用实验证明最终锌层厚度与压强梯度和切应力有关.YOON等[9]和SO等[10-11]采用大涡模拟方法模拟三维非稳态的复杂流场，表明峰值压力点沿着以恒定速度向上运行的带钢表面上滞线周期性交替运动，从而致使带钢表面产生锌波纹.但是，以上工作没有定量描述锌波纹，也未研究镀锌参数对锌波纹的影响规律.

通过带钢表面锌液流动的一维简化模型预测锌层稳态厚度，并采用摄动法结合三维气刀湍射流流场的大涡模拟，将锌层厚度与带钢表面由气刀射流产生的压强梯度和切应力联系起来，进一步研究气刀距带钢的距离、刀唇间隙、入口压强和入口湍流强度等对锌波纹的影响规律.

1 数值模型

1.1 镀锌层稳态厚度的预测模型

为第1.1节中计算得到的每一瞬时稳态锌层厚度.

随着带钢在y方向上的运动，考虑到气刀射流在时间上的脉动，以上模型可以预测整个带钢表面的锌波纹，即镀锌层厚度波动状况.

1.3 气刀湍射流计算模型

设定x为垂直于带钢表面的方向，y为带钢运动的方向，z为带钢宽度方向.数值计算中气刀距带钢的距离L=12 mm，气刀刀唇间隙d=1.2 mm，带钢速度Vs=2.0 m/s，气刀入口压强P0=50 kPa.采用大涡模拟，Smagorinsky-Lilly Subgrid-Scale模型和PISO算法求解三维非稳态的气刀湍射流流场.[9]气刀出口和冲击射流区域加密网格，最小的网格尺寸为0.1 mm；带钢宽度方向上的网格均匀分布，网格总个数约为12.9万.计算域和边界条件见图3.计算采用固定时间步长Δt=10-6 s.

2 气刀射流流场分析

射流中心平面的弯曲（见图4）是由惯性效应引起的.由于气刀射流冲击带钢表面，从而在气刀的中心平面形成一对相反的力.一个顺气刀射流的方向，另一个与之反向.这就造成射流中心平面的弯曲，用屈曲波长λB=2πI/A[9]表示，I为截面的惯性矩，A为截面面积.当简化成二维模型时λB=πd/3.在上述工况d=1.2 mm下，用此公式计算得到的λB=2.17 mm.图4中的屈曲波长数值结果约为2.15 mm，两者相近.

气刀喷射出的气体速度与带钢的运行速度差值越大，屈曲越小，越难观察到，所以该工况下气体的射流弯曲不太明显.在气刀的射流中心平面可以明显观察到其上方和下方有成对交替的漩涡出现，见图5.某时刻带钢表面上沿

宽度方向上

的静压分布见图6.图6显示沿着碰撞的停滞线（y=0）交替出现高、低压区，这样拟正弦分布的壁面压力引起的漩涡在停滞线上几乎周期性地左右移动[9]，从而导致沿带钢宽度方向上的锌层厚度呈波形分布现象，加上带钢竖直向上运行，就形成带钢表面的锌波纹.

通过带钢表面的压强梯度和切应力分布，结合式（9）和（16）可得到某瞬时带钢宽度方向上的锌层厚度分布，见图7.

3 锌波纹规律研究

在不同工况下，通过分析气刀距带钢的距离S，入口压强P0，刀唇间隙H以及入口湍流强度I对射流流场及锌层厚度的影响，得到观测点压强的脉动拟周期T，平均压强Pm，压强脉动的标准差P′，横向压强脉动波长[4]d，平均锌层厚度hm和锌层厚度标准差h′.

3.1 气刀距带钢的距离S的影响

在P0=40 kPa，H=1.0 mm，I=10%的工况下计算S对气刀射流的湍流脉动流场及锌层厚度的影响，计算结果见表1.

4 结 论

1）通过带钢表面锌液流动的一维简化模型预测锌层稳态厚度，并采用摄动法结合三维气刀湍射流流场的大涡模拟，提出热镀锌钢板表面锌波纹的数值预测模型.

2）分析气刀距带钢的距离

S，入口压强P0，刀唇间隙H以及入口湍流强度I对气刀射流流场及锌层厚度的影响.结果认为：S越小，P0越大，H越小则得到的锌层厚度越均匀；I对气刀射流流场及锌层厚度的影响可以忽略.

参考文献：

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（编辑 武晓英）