抑制炉鼻子内锌液蒸发的氮气流场优化研究

发布时间：2020-06-03 06:28

【摘要】：热镀锌钢板是一种重要的抗腐蚀工业产品,因其良好的产品性能和高附加值,广泛应用于汽车、家电等高档热镀锌产品消费行业。锌灰引起的带钢表面缺陷严重影响到产品表面质量。向炉鼻子内喷射含湿氮气,在炉鼻子内锌液的表面形成一层氧化锌膜,是抑制锌液的蒸发、控制锌灰的有效措施。在带钢处于静止状态下,论文利用相似理论设计了炉鼻子实验装置,测量了炉鼻子内的气流速度。利用商用CFD流体计算软件,分别采用标准k-ε模型和RNG k-ε模型对炉鼻子内流场进行了数值模拟。比较数值模拟结果和实验测量值表明,RNG k-ε模型更适合模拟炉鼻子内的气流流动。在现有的湿氮气供气方式下,论文采用RNG k-ε模型模拟炉鼻子内的氮气流场,发现操作侧的湿氮气从喷孔射出后,向下弯曲射向运动的带钢,全部湿氮气在带钢施加的表面力作用下继续下行至锌液表面,掠过锌液表面后沿炉鼻子壁面上行;而驱动侧的湿氮气从喷孔射出后,全部湿氮气向下弯曲后贴向炉鼻子壁面,下行一定距离并在达到锌液表面之前,与掠过锌液面的干氮气相遇,一起沿驱动侧的中心区域上行。湿氮气的流线形状表明,在现有的氮气供气方式下,操作侧湿氮气的流动较有利于锌液表面氧化膜的形成,而驱动侧湿氮气的流动不利于锌液表面氧化膜的形成。利用商用CFD流体计算软件,对现有的湿氮气供气方式的喷孔个数、喷孔高度、喷管长度、喷射角度等参数进行了结构优化研究。当喷孔个数由12个增加到16个时,驱动侧的湿氮气能够下行至锌液表面,并掠过锌液表面一段距离,同时操作侧和驱动侧的速度均方根值都减少了4.3%;当喷孔高度由375mm下降至175mm时,驱动侧的湿氮气能够掠过锌液50%的表面,同时,操作侧和驱动侧的速度均方根值分别减少了5.5%和20%;在驱动侧,喷管伸入炉鼻子时,不利于湿氮气流向锌液表面;在驱动侧,当湿氮气喷射方向由垂直于(与炉鼻子壁面法向的夹角为+24°)转向向下(与炉鼻子壁面法向的夹角为-24°)时,湿氮气能够达到锌液表面,同时,操作侧和驱动侧的速度均方根值分别减少了12.7%和15.7%。当运行参数湿氮气流量和带钢运行速度变化时,由于湿氮气流量变化不大,因而对炉鼻子内的流动影响很小,而增加带钢速度,不利于驱动侧的湿氮气下行至锌液表面,当带钢速度由1.5m/min增加到2.5m/min时,操作侧和驱动侧的速度均方根值分别增加了52.2%和63.2%。为抑制锌锅中锌液的蒸发,在对现有的氮气供气方式结构优化研究的基础上,设计了一种新型的氮气供气结构。该结构能使湿氮气下行至锌液表面,且在锌液表面上方形成较均匀的氮气速度,改善了炉鼻子内的气流分布,并抑制了锌锅中锌液的蒸发。利用商用CFD流体计算软件模拟发现,驱动侧的湿氮气能够下行至锌液表面,并掠过锌液表面一段距离,同时条缝供气操作侧的速度均方根值比较圆孔供气减少了16.4%,驱动侧的速度均方根值比较圆孔供气减少了38.1%。为优化新型的氮气供气方式的主要参数,利用商用CFD流体计算软件模拟喷嘴宽度为2mm、3mm、4mm的流场和缝隙宽度为15mm、25mm、35mm的流场,结果显示,喷嘴、缝隙宽度的最优选择分别为2mm和35mm。
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG173

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